張清秀 陳 瑩 任叢榮 黃艷丹 陳彩虹 劉堅剛 洪旭瑜

（中國福州350003福建省地震局）

福建地下流體觀測臺網(wǎng)水位、水溫測項觀測質(zhì)量影響因素

張清秀 陳 瑩 任叢榮 黃艷丹 陳彩虹 劉堅剛 洪旭瑜

（中國福州350003福建省地震局）

福建地下流體臺網(wǎng)布局較為合理，水位、水溫測項能觀測到較為規(guī)律的長期、年、月、日動態(tài)，多數(shù)指標符合學科規(guī)范要求，能記錄到較大遠震的同震響應(yīng)波。觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量主要影響因素有降雨、觀測環(huán)境破壞、觀測系統(tǒng)故障等；地下水位動態(tài)受降雨影響表現(xiàn)為上升態(tài)勢，由于降雨的持續(xù)時間、強度和面積不同，由降雨引起的水位變化形態(tài)也復(fù)雜多樣；水位和水溫同震變化與變化幅度、持續(xù)時間明顯相關(guān)。

水位；水溫；觀測背景；影響因素

0 引言

地下流體動態(tài)，是指在特定的觀測井（泉）中觀測到的地下流體物理化學特性隨時間的變化（國家地震局監(jiān)測預(yù)報司，1997；車用太等，2006）?？煽康挠^測資料是提高地震地下流體理論研究和地震預(yù)測水平的基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵。因此，產(chǎn)出第一手觀測資料的地震觀測臺站，保證數(shù)據(jù)的準確、連續(xù)、可靠是日常工作重點。由于觀測儀器老化及周邊環(huán)境干擾，地震觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量受到嚴重影響。為系統(tǒng)了解福建地下水位、水溫測項的運行情況，從觀測數(shù)據(jù)完整率、觀測精度及地震同震變化等方面進行探討，分析觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量影響因素。

1 福建地下流體臺網(wǎng)概況

福建地下流體臺網(wǎng)是包含水化學和水物理動態(tài)觀測并相互配合的綜合觀測臺網(wǎng)，共有29個觀測臺站（陳小云等，2009）。水物理動態(tài)測項主要有水位、水溫；水化學動態(tài)觀測以氡為主，水電導(dǎo)、氟離子等水化學組分為背景性監(jiān)測；多數(shù)觀測井配備氣溫、氣壓、降雨量等測項進行輔助對比觀測。

以福建省地質(zhì)構(gòu)造背景為基礎(chǔ)，依據(jù)沿主要活動構(gòu)造帶布井的原則，福建地震地下流體觀測井多分布在長樂—詔安斷裂帶的主、次斷裂帶上，均位于利于應(yīng)力積累部位，臺基巖性多為花崗巖，觀測網(wǎng)內(nèi)有多個獨立的水文地質(zhì)單元，各觀測層以基巖裂隙承壓水為主，符合地震地下流體前兆觀測井要求。福建省地下流體觀測臺站各井（泉）信息見表1。

表1　福建省地下流體觀測井（泉）信息Table 1 Basic information of water well in Fujian Province

2 地下水位、水溫觀測質(zhì)量分析

2.1 觀測儀器

福建省地下流體數(shù)字化觀測從2002年開始，歷經(jīng)“九五”“十五”改造，到2015年，共有23個觀測井開展水位、水溫觀測（未包含因中途儀器故障或改造而停測的觀測井）。儀器類型包括：中國地震局地震預(yù)測研究所生產(chǎn)的LN-3、LN-3A數(shù)字化水位儀；中國地震局地殼應(yīng)力研究所生產(chǎn)的SWY-Ⅱ數(shù)字化水位儀及SZW-1、SZW-1A數(shù)字化溫度計；珠海泰德企業(yè)有限公司生產(chǎn)的PTX-1730、HLM-15、HM21F-C1-1-A1水位傳感器及TDT-36水溫傳感器。除背景場新增儀器外，其余儀器運行時間均10年以上，致使部分臺站數(shù)據(jù)完整率受到一定影響。2015年1—8月各套儀器數(shù)據(jù)完整率見表2、表3。

表2　福建地下流體水位M2波潮汐因子及觀測精度（2015年1—8月）Table 2 Tidal factor and observation accuracy of water level in Fujian Province（from January to August，2015）

表3　福建地下流體水溫觀測主要技術(shù)指標（2015年1—8月）Table 3 The main specifications of water temperature in Fujian Province（from January to August，2015）

由表2、表3可知，2015年1—8月，福建地下流體數(shù)字化水位數(shù)據(jù)平均完整率為98.43%，完整率低于95%的有晉江地辦臺、晉江深滬臺、南安2號臺，多為儀器故障造成，其中晉江地辦臺水位儀4月2日—23日主機電壓通道模塊故障，晉江深滬臺7月19日—8月15日、安2號臺6月24日—7月6日水位儀雷擊故障；同期數(shù)字化水溫觀測數(shù)據(jù)平均完整率為98.25%，均大于95%，整體運行情況優(yōu)于水位儀器。

2.2 觀測精度

（1）水位觀測精度。井水位觀測作為一種靈敏的“體應(yīng)變計”被廣泛應(yīng)用于地震監(jiān)測，也是地下流體觀測臺站數(shù)量最多的測項之一。大量水位觀測事實證明，一個好的承壓井地下水位變化，能反映地球潮汐體應(yīng)變變化（鄭小菁等，2013）。福建省地震地下流體臺網(wǎng)水位觀測井大部分能觀測到地球固體潮汐效應(yīng)，在日、月引力作用下，隨著含水層體積的壓縮和膨脹變形，水位日觀測曲線呈現(xiàn)具有規(guī)律的“雙峰雙谷”周期性變化，但不同觀測井的水位潮汐效應(yīng)程度不同，多數(shù)井水位潮汐顯著，相位清晰。各井水位2015年1—8月M2波潮汐因子及觀測精度見表2。

潮汐因子表示水位觀測振幅與理論振幅之比（本文采用M2波潮汐因子），值大于1.0 mm/10-9的占52.17%，最大的是福清龍?zhí)锱_水位潮汐因子達到12.353 mm/10-9，潮汐因子最小的是南安梅山臺，其水位未記錄到固體潮效應(yīng)，觀測曲線呈直線型變化，因此其潮汐因子接近于0。

M2觀測精度反映了井水位潮汐與體應(yīng)變理論固體潮的相對誤差（車用太等，2008），觀測精度≤0.2（學科規(guī)定≤0.2）的占全部水井的91.3%，較差的有豐澤地辦臺和閩侯臺井水位，豐澤地辦臺由于附近房地產(chǎn)工地施工和抽水影響，導(dǎo)致該井水位整體下降，曲線無規(guī)則變化，當?shù)陀趥鞲衅?，則出現(xiàn)水位呈一條直線的形態(tài)；閩侯臺受到周邊魚塘抽水和儀器老化兩重影響，測值長年無規(guī)則。

（2）水溫觀測精度。福建省地震地下流體臺網(wǎng)共有23個流體觀測井開展水溫觀測，年變化動態(tài)多為直線平穩(wěn)型，部分呈現(xiàn)趨勢性上升或下降變化，可能與儀器零漂有關(guān)。

流體觀測井水溫微動態(tài)觀測一般指，由于含水層巖石受力狀態(tài)發(fā)生變化而引起的井水溫度隨時間的變化，測值變化幅度較?。◤埱逍愕?，2007）。按地下流體學科要求，水溫測項一階差分序列超過3倍均方差的個數(shù)應(yīng)小于1%，福建省水溫測項未達到要求的僅福清江兜臺和南安地辦臺，占全省水溫觀測的8.7%，見表3，可見水溫觀測資料可靠性較高。

永安井和龍?zhí)锞苡涗浀剿疁毓腆w潮，水溫日變動態(tài)與同井水位日變動態(tài)一致，當潮汐引力為壓性時，井水位上升，水溫同步上升；當潮汐引力為張性時，井水位下降，水溫同步下降，見圖1。車用太等（2008）研究認為，水溫記錄固體潮機理可能是：當含水層受到潮汐引力作用而壓縮變形時，含水層地下水流入井筒，一方面井水得到熱而使水溫升高，另一方面由于井水位上升使溫度相對高的水向上遷移，水溫梯度線向上平移，導(dǎo)致傳感器所處溫度升高；當含水層受到潮汐引力作用而膨脹變形時，井筒中的水流入含水層，井水位下降，水溫梯度線向下平移。如此反復(fù)交替，產(chǎn)生與井水位潮汐同步變化的井水溫度潮汐效應(yīng)。

2.3 同震變化

井—含水層系統(tǒng)可作為一個寬頻帶體應(yīng)變計，對地震瑞雷波所引起的體應(yīng)變波（水震波）有天然放大效能。在一次大地震發(fā)生前后，震中外圍的觀測井孔可以記錄到因地震波傳播造成的水位、水溫同震響應(yīng)變化。相關(guān)研究結(jié)果表明，福建省地下流體觀測臺網(wǎng)（分采樣數(shù)據(jù)）可較好記錄到全球7.8級以上大震遠場效應(yīng)；不同測點對不同地震具有不同反應(yīng)，且記錄的同震異常與震級、震中距、地震類型、地震所處的構(gòu)造位置以及水點的水文地質(zhì)條件等相關(guān)；由于瑞雷波圍繞地震傳播時不斷削弱，當震中距超過一定范圍時，觀測水點就無法接收到地震的同震異常（張清秀等，2007，2011，2012）。本文以2011年3月11日日本本州東海岸附近海域9.0級地震為例，簡要說明福建地下流體觀測臺網(wǎng)記錄的水位和水溫同震響應(yīng)（張清秀等，2012），見圖2。

圖1　水位、水溫記錄到同步固體潮變化曲線（2014年9月21日—9月25日）（a）永安臺水位分鐘值曲線；（b）福清龍?zhí)锱_水位分鐘值曲線；（c）永安臺水溫分鐘值曲線；（d）福清龍?zhí)锱_水溫分鐘值曲線Fig.1 The solid tide curve of water level and water temperature（from Sept.21 to Sep.25，2014）

圖2　福建地下流體臺網(wǎng)水位、水溫同震響應(yīng)典型圖例Fig.2 The typical pictures of digital water level and coseismic response of groundwater temperature in Fujian Province

（1）17口觀測井記錄到水位同震響應(yīng)，主要有同震水震波和同震階變兩種類型。同震響應(yīng)井孔的含水層巖性大多為花崗巖，其次是凝灰?guī)r?；◢弾r和凝灰?guī)r屬于中酸性、酸性巖類，巖性堅硬。巖石越堅硬，井水位潮差越大，越能反映地震引起的體應(yīng)變變化，記震能力也越強。

（2）水位水震波的最大雙振幅受井孔水位日變化影響。采用水位日變幅與日均值的比值H表示該井日變化，應(yīng)用回歸分析法，對水震波最大雙振幅A和H之間的關(guān)系進行分析。在日本9級地震的水位同震響應(yīng)中，有10口井產(chǎn)生水震波，利用觀測資料（永春井為自流井除外）分析得出，A與H存在以下關(guān)系

可見，隨著水位日變化幅度的增大，水震波的最大雙振幅呈對數(shù)關(guān)系增大，見圖3。

圖3　水位水震波與日變化的關(guān)系Fig.3 The relationship between water shock wave and the diurnal variations

（3）同一口井的水溫變化總是滯后于水位變化，這是因為水溫變化是由于地震波到達后井水位振蕩引起的，從水位開始振蕩到水溫變化需要一段時間，這段時間的長短與該井的溫度梯度、水溫探頭位置和靈敏度有關(guān)。

（4）水溫異常幅度及持續(xù)時間與水位異常幅度之間存在相關(guān)關(guān)系。本文采用水震波最大雙振幅與水位日變幅之比ΔA表示水位異常幅度，用水溫同震變化量與水溫日變幅之比ΔW表示水溫異常幅度，用ΔT表示水溫異常持續(xù)時間，采用回歸分析方法，計算ΔW、ΔT與ΔA，關(guān)系式為

由以上關(guān)系式，繪制水溫異常與水位異常關(guān)系圖，見圖4。由圖4可見，當取水位異常幅度ΔA為自變量，水溫異常幅度ΔW為因變量時，滿足線性關(guān)系，如公式（2）；當取水溫異常幅度ΔW為自變量，水溫異常持續(xù)時間ΔT為因變量時，滿足二次函數(shù)關(guān)系，如公式（3）；當取水位異常幅度ΔA為自變量，水溫異常持續(xù)時間ΔT為因變量時，滿足二次函數(shù)關(guān)系，如公式（4）。總之，水位異常幅度越大，水溫異常幅度就越大，水溫異常持續(xù)時間也就越長。

圖4　水溫異常幅度、水溫異常持續(xù)時間與水位異常幅度的關(guān)系Fig.4 The relationship among abnormal amplitude of water temperature，abnormal duration time of water temperature and abnormal amplitude of water level

3 觀測質(zhì)量影響因素

3.1 降雨

福建省水位觀測井多年長期變化動態(tài)多為平穩(wěn)型，地下水補給主要來源于大氣降水，每年大部分水位隨著降雨過程而起伏變化，年變幅度與當年降雨量呈正相關(guān)。

地下水位動態(tài)受降雨影響表現(xiàn)為上升態(tài)勢。由于降雨的持續(xù)時間、強度和面積不同，由降雨引起的水位變化形態(tài)復(fù)雜多樣。例如，在多年動態(tài)中，由于每年降雨量不同，水位受降雨影響而呈現(xiàn)的年變化幅度也不同，且在1年中，水位會隨著雨季的變化呈現(xiàn)季節(jié)性變化規(guī)律，以上兩種現(xiàn)象多由降雨滲入補給引起。而當遇到短時間的集中強降雨時，水位會出現(xiàn)突升—突降的變化形態(tài)，這時水位上升不僅由降雨滲入補給引起，還有降雨附加應(yīng)力作用的結(jié)果；而當降雨持續(xù)時間較長時，水位則隨降雨過程緩慢上升。水位受降雨影響典型曲線見圖5。

圖5　長樂水位、降雨觀測曲線（a） 2012年1月—2014年12月水位時值曲線；（b） 2014年8月1日—4日水位分鐘值曲線；（c） 2012年1月—2014年12月降雨量時值曲線；（d） 2014年8月1日—4日降雨量分鐘值曲線Fig.5 The value of water level and rainfall in Changle

為了研究水位上升幅度與降雨的影響，以連江江南臺為例，計算水位月變化量和降雨量的相關(guān)關(guān)系，得到趨勢線方程，即

該方程說明，水位月變化量與降雨呈二次函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.782，屬顯著相關(guān)（張清秀等，2014），見圖6。

圖6　連江江南井水位月變化量與降雨月累計值關(guān)系Fig.6 Discrete point relationship between monthly variation of water level and monthly aggregate-value of rainfall in Jiangnan well of Lianjiang before eliminating step

3.2觀測環(huán)境

地震觀測數(shù)據(jù)的準確性和連續(xù)性，在很大程度上還依賴于良好的地震觀測環(huán)境?？陀^、全面地對地震臺站周邊的觀測環(huán)境進行調(diào)查評估，并建立地震觀測環(huán)境監(jiān)控體系，對于觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制、地震預(yù)報水平的提高和地震行政執(zhí)法均具有重要意義。隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的擴張、工業(yè)化的加速發(fā)展，對前兆觀測環(huán)境產(chǎn)生了不同程度的影響；福建地處溫泉區(qū)，近年來加大了對地下溫泉的開采量，臺站觀測環(huán)境發(fā)生了不同程度改變，從而在一定程度上影響了地震前兆臺網(wǎng)觀測環(huán)境。

豐澤地辦臺、閩清梅埔臺、泉州南安地辦臺水位和洛江地辦臺水位、水溫受到周邊基礎(chǔ)建設(shè)干擾，觀測數(shù)據(jù)畸變。尤其是豐澤地辦臺水位觀測井位于寶山村，受附近多戶居民家用井抽水影響明顯；2014年10月中旬起，在該觀測井南邊約3 km處一房地產(chǎn)工地施工，導(dǎo)致水位急劇下降，當水位低于傳感器時呈一條直線，觀測數(shù)據(jù)失真，將水位傳感器下放后觀測數(shù)據(jù)恢復(fù)；閩侯臺水位受周邊魚塘抽水影響，觀測曲線呈直線下降，魚塘停止抽水后水位回升。鯉城地辦臺、泉州地震局泉州地震臺、德化地辦臺（觀測井距河流僅300 m）受周邊河流水位不規(guī)則變化影響嚴重。

3.3 觀測儀器

數(shù)字化水位、水溫儀器故障類型主要有避雷系統(tǒng)、傳感器、數(shù)采、主機故障等。儀器故障造成觀測數(shù)據(jù)缺記或產(chǎn)出無效數(shù)據(jù)，嚴重影響數(shù)據(jù)的連續(xù)、可靠。目前存在的最大問題是，“九五”觀測儀器老化現(xiàn)象嚴重，經(jīng)常因儀器不穩(wěn)定影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。部分“九五”觀測儀器通過協(xié)轉(zhuǎn)收數(shù)導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)缺記，也是數(shù)據(jù)連續(xù)率無法達到100%的原因之一。

4 結(jié)束語

（1）以福建省構(gòu)造背景為基礎(chǔ)，依據(jù)沿主要活動構(gòu)造帶布井的原則，按照地震空間分布特征，福建地下流體臺站在長樂—詔安斷裂帶地區(qū)覆蓋密度大，空間分布密度自東向西逐漸減小，布局較為合理，能較好地監(jiān)測福建省主要斷裂帶活動情況。

（2）福建數(shù)字化水位觀測多年長期變化動態(tài)多為平穩(wěn)型，地下水補給主要來源于大氣降水。大部分水位能觀測到地球固體潮汐效應(yīng)，但不同觀測井的水位潮汐效應(yīng)程度不同，多數(shù)井水位潮汐顯著，相位清晰，觀測質(zhì)量差的觀測數(shù)據(jù)表現(xiàn)為固體潮汐不規(guī)則；多數(shù)水溫觀測多年變化動態(tài)為直線平穩(wěn)型，部分呈現(xiàn)趨勢性上升或下降變化，可能與儀器零漂有關(guān)。

（3）福建地下流體觀測臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量主要影響因素有降雨、觀測場地遭受破壞、觀測系統(tǒng)故障等。由于降雨的持續(xù)時間、強度和面積不同，由降雨引起的水位變化形態(tài)復(fù)雜多樣。受降雨滲入補給影響，水位隨雨季變化呈現(xiàn)季節(jié)性變化規(guī)律；受降雨滲入補給和附加應(yīng)力作用，短時強降雨時水位呈突升突降變化。

（4）福建省地下流體觀測臺網(wǎng)（分采樣數(shù)據(jù)）能較好記錄到全球7.8級以上大震遠場效應(yīng)。含水層為花崗巖和凝灰?guī)r的井孔記震能力強；隨著水位日變化增大，水震波最大雙振幅呈對數(shù)關(guān)系增大；同一口井水溫變化滯后于水位變化；水位異常幅度越大，水溫異常幅度就越大，水溫異常持續(xù)時間也就越長。

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Abstract

The layout of Fujian subsurface fluid observation network is reasonable.And the observation data of water level，water temperature and water radon well reflect the long-term and shortterm changes.Most of the indicators of the network meet the subject standard requirements.The network can synchronously record the coseismal response waves.The main factors influencing the quality of observation data are rainfall，observation environment destruction，observation system failures et al.The duration，the intensity and the area of the rainfall have complex impacts on the dynamic of groundwater level.The coseismal changes on the water level and the water temperature are significantly related to the changes in amplitude and duration.

The observation quality and influence factors of the subsurface fluid for Fujian Province

Zhang Qingxiu，Chen Ying，Ren Congrong，Huang Yandang，Chen Caihong，Liu Jiangang and Hong Xuyu
（Earthquake Administration of Fujian Province，F(xiàn)uzhou 350003，China）

water level，water temperature，observational background，influence factors

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.002

張清秀（1972—），女，福州人，高級工程師，主要從事地震前兆臺網(wǎng)監(jiān)控和地下流體研究工作