劉 琨 張 華 周少輝 趙亞琴 孔 暢 費(fèi)玉禮

（中國江蘇 225009 揚(yáng)州市地震臺網(wǎng)中心）

0 引言

水位觀測是全國地震地下流體觀測項(xiàng)目中較重要的測項(xiàng)（馮恩國等，2012），水位類異常信息可占震例統(tǒng)計(jì)中地下流體異常信息總數(shù)的29%（孫小龍等，2016），因此，對于水位類異常信息應(yīng)予以重視，這其中可能包含與地震有關(guān)的信息。在對地下水位觀測資料的分析中常將異?，F(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)間與地震發(fā)生時(shí)間進(jìn)行對比，并結(jié)合歷史震例開展相關(guān)研究。如果單以異常出現(xiàn)和地震發(fā)生的時(shí)間來判斷，一些異?？赡芘c地震有關(guān)。但深入分析后卻發(fā)現(xiàn)，雖然時(shí)間相近，但異?，F(xiàn)象并不是構(gòu)造活動引起的，即異常為地震地球物理異常的理由并不充分（張磊等，2014）。因此，發(fā)現(xiàn)水位異常后，應(yīng)先判斷異常的性質(zhì)，再進(jìn)行深入研究。

2016—2019 年高郵車邏井水位觀測記錄到多次水位大幅波動異常，在兩三周時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較強(qiáng)水位波動，最大幅度超過0.4 m。本文圍繞井水位大幅波動的性質(zhì)判定、引起異常的可能因素、是否與地震有關(guān)等問題，根據(jù)《地震前兆異常落實(shí)工作指南》（中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2000）中對地下水位異常進(jìn)行核實(shí)的工作方法，并借鑒井水位干擾異常識別與排除的4 個(gè)“相關(guān)性”原則（車用太等，2011），對上述問題進(jìn)行了分析。

1 高郵車邏井概況

高郵車邏井（簡稱“車邏井”）是為替代高郵臨澤東43 井，在高郵地震臺東邊架設(shè)的地下流體數(shù)字化綜合觀測井，與高郵地震臺地下流體觀測井共用同一井孔。該井可觀測水位、水溫、氣象等要素。該井地質(zhì)上處于高郵凹陷內(nèi)，距高郵湖約5 km，觀測含水層為第Ⅲ含水層，深度為地表下340—432 m，地下水資源為孔隙承壓水。當(dāng)?shù)氐叵鲁袎核傮w流動方向?yàn)樽晕鞅毕驏|南。自投入觀測以來，井水位年變化整體趨勢性上升，同時(shí)，高郵地震臺在該井孔內(nèi)架設(shè)的另一套地下流體儀器觀測到的水位變化與車邏井觀測到的水位變化一致。

2 高郵車邏井水位異?，F(xiàn)象分析

2.1 異常情況

2016—2019 年車邏井水位觀測記錄到井水位會不定期出現(xiàn)大幅波動異常變化，變化速度較快，最短6 天時(shí)間內(nèi)井水位出現(xiàn)0.17 m 的下降幅度，變化幅度中位數(shù)達(dá)0.27 m。圖1 為2016—2019 年車邏井水位。由圖1 可以明顯觀察到大幅波動的異?，F(xiàn)象。

圖1 2016—2019 年車邏井水位Fig.1 Cheluo well water level（2016—2019）

2.2 影響因素分析

異常出現(xiàn)后，立即根據(jù)《地震前兆異常落實(shí)工作指南》（中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2000）開展跟蹤調(diào)查工作。通過長期跟蹤調(diào)查，在核實(shí)儀器觀測數(shù)據(jù)無誤，并確認(rèn)高郵及周邊地區(qū)無顯著地震活動與井水位異常對應(yīng)的情況下，初步判斷該異常為非地震異常。根據(jù)車邏井的情況，參考非地震因素所造成的井水位異常案例（車用太等，2004），并結(jié)合對近年出現(xiàn)的井水位異常的跟蹤分析經(jīng)驗(yàn)（汪成國等，2010；王喜龍等，2018），認(rèn)為氣壓變化、降水、農(nóng)業(yè)灌溉及京杭運(yùn)河、高郵湖的影響等因素可能是造成井水位大幅波動的原因，因此，需要開展相關(guān)調(diào)查和分析，以判斷異?，F(xiàn)象的具體性質(zhì)。

2.2.1 氣壓變化。氣壓是引起井水位變化的自然因素之一。車邏井年度井水位數(shù)據(jù)與氣壓記錄間存在明顯的負(fù)相關(guān)性，而短期內(nèi)氣壓的劇烈變化對車邏井水位記錄也會產(chǎn)生顯著的影響，其中，極端氣壓變化過程的影響尤為明顯。如2019 年8 月9—13 日在1909 號臺風(fēng)“利奇馬”影響過程中，記錄到了明顯的氣壓對井水位的影響（圖2）。由圖2 可見，氣壓最大變化幅度約20 hPa，水位最大變化幅度約0.08 m。

而車邏井出現(xiàn)水位大幅波動異常期間，沒有記錄到明顯的氣壓變化，也沒有記錄到類似臺風(fēng)影響過程中氣壓和水位的變化形態(tài)，故無法通過時(shí)間、形態(tài)、振幅等方面對車邏井水位大幅波動現(xiàn)象予以解釋。因此，氣壓影響不是造成車邏井水位大幅波動異常變化的主要原因，但氣壓的影響時(shí)刻存在，且在極端情況下會造成井水位的顯著波動。

2.2.2 降水和農(nóng)業(yè)灌溉。車邏井觀測含水層距地表340—432 m。對于觀測層埋深僅幾百米的觀測井而言，降水的影響難以避免，因此，需要判斷降水的影響程度。同樣，車邏井所在地車邏鎮(zhèn)屬于高郵灌區(qū)，該灌區(qū)灌溉面積較大，需要確認(rèn)灌溉滲入對車邏井水位觀測的影響程度，即有無直接影響車邏井觀測含水層的情況。

圖2 2019 年8 月9—13 日臺風(fēng)“利奇馬”影響期間氣壓和水位整點(diǎn)值Fig.2 Hour value of air pressure and water level during the typhoon Lekima

通過觀察發(fā)現(xiàn)，車邏井周邊地勢平坦，除大型地表水體高郵湖外，都為土層覆蓋。車邏井觀測含水層為第Ⅲ含水層且泥巖頂板完整，觀測含水層之上還有2 層地下水?？碧劫Y料和地表觀察都未發(fā)現(xiàn)該井周邊觀測層上方有斷裂或斷裂破碎帶。因此，降水穿過觀測層以上地層，直接滲入車邏井觀測含水層的可能性不大，但不排除降水滲入潛水，通過潛水和深部水之間的對流間接影響車邏井觀測含水層的可能，但這種情況一般需要的時(shí)間較長，且影響水位變化的過程并不劇烈，與車邏井水位在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大幅度波動的變化特征不相符。

而高郵當(dāng)?shù)孛磕晗募窘邓鄬^多，且同期也是農(nóng)業(yè)灌溉用水量較大的時(shí)段。以車邏井所在的高郵灌區(qū)為例，灌溉面積共計(jì)63 萬畝，年用水量約4.8 億 m3，其中，農(nóng)業(yè)灌溉約3.8億m3（顧宏等，2018），灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)作物以水稻為主，水稻種植面積40.98 萬畝，品種都是中稻，水稻種植期各階段的灌水時(shí)間相對集中（方晨蕾等，2017），每年6—9 月為水稻灌水期。車邏井水位大幅波動異常多數(shù)也出現(xiàn)在水稻灌水期內(nèi)，圖3 為2016—2019 年高郵降水量，對圖3 和圖1 進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，存在農(nóng)業(yè)灌溉和降水疊加的情況。分析每年7、8、9 月降水量和井水位間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，相關(guān)性結(jié)果R 值很小，2016—2019 年分別為-0.336、-0.057、-0.028、-0.080。同時(shí)發(fā)現(xiàn)2016 年11 月出現(xiàn)的車邏井水位大幅波動異常未出現(xiàn)在水稻種植灌水期內(nèi)，而2019 年整個(gè)水稻灌水期內(nèi)車邏井都沒有出現(xiàn)水位大幅波動異常。因此，由灌溉造成車邏井水位大幅波動異常的證據(jù)并不充分。

圖3 2016—2019 年高郵降水量Fig.3 Gaoyou rainfall in 2016—2019

通過研究農(nóng)業(yè)灌溉、降水與車邏井水位間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，二者在時(shí)間、強(qiáng)度上都與車邏井水位大幅波動的現(xiàn)象無相關(guān)性，即使在夏季，灌溉和降水密集疊加也難以引起井水位的大幅波動，故排除降水和農(nóng)業(yè)灌溉為造成井水位大幅波動變化主要原因的可能。

2.2.3 京杭運(yùn)河的影響。京杭運(yùn)河高郵段距車邏井最近約800 m，是南水北調(diào)東線工程——江都水利樞紐至寶應(yīng)抽水站間的輸水河道，河道與高郵湖并不直接連通。1949 年新中國成立以來京杭運(yùn)河高郵段經(jīng)過治淮、江水北調(diào)和南水北調(diào)等工程連續(xù)幾十年的治理，目前，河道在冬春季主要用于江水北上，夏秋季則為淮水南下，同時(shí)河水還是高郵當(dāng)?shù)仫嬘盟?，河道無滲漏情況。考慮到車邏井與京杭運(yùn)河間的距離較近，存在京杭運(yùn)河水位變化通過荷載方式影響車邏井水位變化的可能，因此需要對此進(jìn)行判斷。京杭運(yùn)河高郵段水位主要受水利部門調(diào)節(jié)控制和降水影響。除降水豐沛時(shí)段會出現(xiàn)河水位上升以外，每年冬春季的南水北調(diào)或干旱氣象條件時(shí)江水北調(diào)工作也會使京杭運(yùn)河高郵段水位出現(xiàn)短時(shí)間快速上升。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2020 年4 月23 日起為緩解江蘇北部用水緊張問題而加大江水北調(diào)調(diào)水量后，京杭運(yùn)河高郵段水位快速上升。比較4 月22 日0 時(shí)至5 月4 日0 時(shí)車邏井、京杭運(yùn)河高郵段水位整點(diǎn)值發(fā)現(xiàn)，車邏井與運(yùn)河的水位變化形態(tài)并不相似（圖4）。其中，京杭運(yùn)河高郵段水位從4 月22 日0 時(shí)的6.58 m 上升至4 月26 日10 時(shí)的7.38 m，上升了0.80 m，并在4 月30 日20 點(diǎn)前保持在7.30 m 附近。而車邏井水位在4 月22 日0 時(shí)為15.57 m，4 月26 日10 時(shí)仍為15.57 m，其間實(shí)測變化僅幾毫米。且比較時(shí)段內(nèi)車邏井水位最低值出現(xiàn)于4 月26 日16 時(shí)，為15.59 m，最高值出現(xiàn)于5 月3 日20 時(shí)為15.54 m。

圖4 2020 年4 月22 日0 時(shí)至5 月4 日0 時(shí)京杭運(yùn)河高郵段、車邏井水位（a）京杭運(yùn)河高郵段；（b）車邏井Fig.4 The water level of the Gaoyou section of the Beijing Hangzhou Canal and Cheluo well

雖然京杭運(yùn)河高郵段距井孔僅800 m，但二者的水位記錄形態(tài)并不一致，說明車邏井水位受京杭運(yùn)河高郵段水位變化的影響可以忽略。

2.2.4 高郵湖的影響。高郵湖是高郵市境內(nèi)最大的地表水體，為全國第6 大淡水湖，水域總面積760 km2，南北長約42 km，東西最大寬度約24 km，湖底一般高程4.5 m，高出東部里下河平原1.0—2.5 m，湖水位6 m 時(shí)可蓄水10.8 億 m3。車邏井距高郵湖湖堤約5 km，觀測含水層頂板與湖盆落差大于340 m，存在高郵湖影響車邏井水位高低的現(xiàn)象，該影響可通過滲入和荷載2 種方式產(chǎn)生。

（1）滲入影響的可能性分析。分析2016 年1 月—2019 年12 月水利部門對高郵湖水位的觀測記錄發(fā)現(xiàn)，在時(shí)間上車邏井水位大幅升降變化與高郵湖水位大幅升降變化高度吻合，水位變化形態(tài)相似（圖5）。相關(guān)性分析也顯示，車邏井水位大幅升降變化與同時(shí)期高郵湖水位數(shù)據(jù)的相關(guān)性較高，這說明高郵湖與車邏井觀測含水層之間存在某種密切聯(lián)系。而以年度長數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，則相關(guān)性明顯偏低，甚至發(fā)現(xiàn)高郵湖、車邏井水位變化趨勢長時(shí)間背離的情況，如2019 年3—5 月，高郵湖水位下降約0.40 m，而車邏井水位上升0.20 m。根據(jù)不同時(shí)段的差異進(jìn)行判斷認(rèn)為，高郵湖水位直接滲入補(bǔ)給車邏井觀測含水層的可能性并不大。該判斷也得到了高郵水利部門對當(dāng)?shù)丌?、Ⅱ、Ⅲ含水層水位埋深趨勢觀測結(jié)果的佐證，2000 年以前由于無序開采在高郵城區(qū)形成了降落漏斗區(qū)，2010 年后采取嚴(yán)格的限制壓采地下水措施以后，漏斗區(qū)的水位埋深才逐漸回升（許鳳群等，2015）。2011—2013 年壓減開采量193 萬m3，在2013 年完成區(qū)域供水全覆蓋后，計(jì)劃2020 年再壓減183 萬m3的開采量。目前，已基本完成限制壓采目標(biāo)，高郵當(dāng)?shù)氐叵滤裆钜仓饾u回升。比較圖1 與圖5 可見，若高郵湖水可直接補(bǔ)給車邏井觀測含水層，則2019 年3—5 月就不應(yīng)出現(xiàn)井水位和湖水位變化趨勢背離的現(xiàn)象，同時(shí)當(dāng)?shù)匾膊粫霈F(xiàn)地下水降落漏斗區(qū)。因此，高郵湖水直接滲入造成車邏井水位大幅波動的可能性也被排除。

圖5 2016—2019 年高郵湖水位Fig.5 Gaoyou Lake water level in 2016—2019

（2）荷載影響的可能性分析。在確定降水、氣壓變化、農(nóng)業(yè)灌溉、京杭運(yùn)河高郵段和高郵湖的滲入等都不是車邏井水位大幅波動現(xiàn)象的主要原因后，結(jié)合車邏井水位大幅波動和高郵湖水位迅速同步的現(xiàn)象，判斷車邏井水位大幅波動極有可能是高郵湖產(chǎn)生的荷載影響造成的。

對照4 個(gè)“相關(guān)性”原則發(fā)現(xiàn)，在時(shí)間上，高郵湖和車邏井的水位變化幾乎同步，滿足時(shí)間相關(guān)性的原則。在空間上，高郵湖和車邏井水位存在相對落差，雖然距離約為5 km，但已有距離相近，甚至相距更遠(yuǎn)的大型地表水體通過荷載影響井孔水位變化的情況，如三峽水庫庫區(qū)編號W7 的周坪井（距三峽水庫庫堤6 km）和陜西咸陽三原井（距馮村水庫9 km）。但是上述兩井的荷載影響也存在一些不確定因素。其中，周坪井是一口自流井，井孔出水位置高于三峽水庫壩體。雖然該井水位變化與三峽庫區(qū)蓄水過程同步變化，但是否受三峽水庫庫區(qū)蓄水產(chǎn)生的荷載影響波及，并不十分確定（車用太等，2004）。陜西咸陽三原井距荷載源馮村水庫約9 km，三原井和造成荷載影響的馮村水庫附近存在斷裂或者斷層破碎帶，歷史觀測存在馮村水庫滲漏使得下游10 km 范圍內(nèi)地下水位升高的情況（吳富春等，1999）。對照上述兩井存在的情況，車邏井觀測含水層低于高郵湖湖盆，存在高郵湖對車邏井觀測含水層施加荷載影響的空間落差，且車邏井井孔位于高郵湖東南側(cè)，大致位于高郵當(dāng)?shù)氐叵鲁袎核畟?cè)向徑流下游方向。結(jié)合車邏井水位資料和對降水、農(nóng)業(yè)灌溉的分析，判斷高郵湖相對車邏井觀測含水層在空間上存在荷載影響的可能。

對車邏井水位波動幅度的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，車邏井出現(xiàn)井水位大幅波動異常期間的井水位變化標(biāo)準(zhǔn)差較異常出現(xiàn)前1 個(gè)月的井水位變化標(biāo)準(zhǔn)差增大了1 倍以上（表1），顯示井水位異常波動強(qiáng)度較大。比較車邏井水位和同期高郵湖水位發(fā)現(xiàn)，二者變化趨勢一致，湖水位的變化幅度大于同期井水位波動幅度，并呈現(xiàn)出湖水位變化幅度越大，較高湖水位持續(xù)時(shí)間越長，則井水位變化幅度也相應(yīng)更大的現(xiàn)象，顯示車邏井水位大幅波動與高郵湖水位變化之間存在相關(guān)性。

表1 高郵湖、車邏井水位變化情況Table 1 Statistics of water level changes of Gaoyou Lake and Cheluo well

以高郵湖水位上升的最小幅度0.67 m 計(jì)算，產(chǎn)生的荷載約為65.7 hPa，是臺風(fēng)“利奇馬”影響車邏井氣壓記錄最大變化值20.0 hPa 的3.2 倍。如此大的荷載垂直作用于高郵湖湖盆并迅速向周邊地區(qū)傳導(dǎo)擴(kuò)散至車邏井觀測含水層，對觀測含水層水體產(chǎn)生擠壓，使得局部水體受力增加，打破了車邏井觀測含水層內(nèi)水體的相對平衡狀態(tài)，含水層巖石孔隙壓力的增加或局部地下水補(bǔ)給量的增大使得地下水流入車邏井觀測井孔內(nèi)，進(jìn)而引起井水位升高，出現(xiàn)大幅波動變化。而2018 年10 月后出現(xiàn)的高郵湖水位趨勢性下降及車邏井水位持續(xù)上升現(xiàn)象，主要是由兩水體補(bǔ)給和排泄的差異所致。高郵湖的補(bǔ)排關(guān)系清楚，補(bǔ)給源是上游洪澤湖來水和降水，排泄主要通過水位差使其流入長江以及蒸發(fā)作用，2018 年10 月以后，尤其是2019 年，大范圍的四季連旱氣象條件導(dǎo)致高郵湖上游來水和降水補(bǔ)給減少，造成了水位下降。雖然車邏井觀測含水層主要補(bǔ)給源尚不明確，但可排除在井孔周邊的可能。而高郵當(dāng)?shù)爻袎核呐判怪饕侨斯こ樗ɡ钫铝值龋?001）及東南方向的側(cè)向徑流。由于嚴(yán)格的限制壓采措施，2015 年以來高郵第Ⅲ含水層開采量約260 萬 m3/a，較2010 年的約390 萬 m3/a 有所下降，高郵市第Ⅲ含水層水位整體呈上升趨勢，由此判斷，包括車邏井觀測含水層在內(nèi)的高郵當(dāng)?shù)氐冖蠛畬诱w補(bǔ)給量大于排泄量導(dǎo)致了車邏井水位上升。因此，在水位記錄中呈現(xiàn)湖水水位下降而車邏井水位持續(xù)上升。綜合分析認(rèn)為，高郵湖的荷載變化是造成車邏井水位大幅異常波動的主要原因。

2.3 對2019 年干旱條件下車邏井、高郵湖水位相關(guān)性的分析

2019 年江蘇省經(jīng)歷了罕見的春夏秋冬四季連旱，全省年平均降水量796 mm，較常年偏低21%。高郵市年降水量650 mm，較常年減少30%。高郵湖上游的洪澤湖及整個(gè)淮河流域也同樣經(jīng)歷了大規(guī)模長時(shí)間的干旱。2019 年入洪澤湖水量較往年同期偏少70%，淮河干流在2019 年9 月中旬至11 月初基本接近斷流。此次大范圍、長時(shí)間的氣象干旱，使得可能影響車邏井水位變化的降水因素在長時(shí)間和大空間范圍內(nèi)被控制在較低的程度，這提供了一個(gè)有利于觀察車邏井含水層和高郵湖水位之間關(guān)系的時(shí)間窗口。

通過觀察2019 年車邏井水位數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，車邏井水位沒有出現(xiàn)大幅異常波動變化，上半年整體上升、下半年小幅回落的年度變化趨勢更顯著，全年水位上升約0.20 m。自2019 年4 月以來高郵湖水位較往年同期偏低，水位持續(xù)低于6.00 m。該現(xiàn)象反映了長時(shí)間的干旱天氣對車邏井觀測含水層補(bǔ)給的影響不大。若車邏井觀測含水層補(bǔ)給源可接受降水或地表水的下滲，則補(bǔ)給源可能距井孔較遠(yuǎn)，從滲入開始，通過地下水循環(huán)最終徑流到車邏井井孔位置并被水位儀器記錄需要經(jīng)歷一段時(shí)間，而高郵湖水位受上游即時(shí)來水和降水的影響，變化較快，因此，高郵湖不可能為補(bǔ)給源。趙暉等（2010）認(rèn)為，淮河流域的里下河洼地深層地下水是由含水層的補(bǔ)給源區(qū)通過地下水深部循環(huán)方式側(cè)向徑流補(bǔ)給的，而車邏井恰位于淮河下游地下水系統(tǒng)中里下河沿海平原亞系統(tǒng)內(nèi)的里下河洼地地區(qū)，但具體到車邏井，其補(bǔ)給源和補(bǔ)給方式仍未知。根據(jù)本文的工作并結(jié)合前人的調(diào)查，認(rèn)為車邏井補(bǔ)給源不在井孔周邊地表，無論補(bǔ)給源具體在何處，以何種方式對車邏井觀測含水層進(jìn)行補(bǔ)給，對2019 年干旱條件下車邏井、高郵湖水位相關(guān)性的分析表明，車邏井觀測含水層與高郵湖接受補(bǔ)給的形式不同，長時(shí)間、大范圍的干旱條件對車邏井水位變化的影響不大，而高郵湖水位則受到顯著影響；在沒有高郵湖水位大幅波動的影響時(shí)，2 個(gè)水體水位的變化反映出各自補(bǔ)給源來水和排泄的情況。

3 結(jié)束語

通過對車邏井水位大幅升降異常的跟蹤調(diào)查分析，并將《地震前兆異常落實(shí)工作指南》（中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2000）中的工作原則與井孔實(shí)際情況相結(jié)合，判斷該井水位出現(xiàn)的大幅波動異常是高郵湖水位大幅波動產(chǎn)生荷載所致。整個(gè)跟蹤調(diào)查分析工作是經(jīng)過從認(rèn)識到實(shí)踐，再從實(shí)踐回到認(rèn)識，最終落實(shí)異常的復(fù)雜過程。通過跟蹤調(diào)查分析認(rèn)為，一些較直觀的因素如降水、灌溉等對車邏井水位大幅波動異常變化的影響并不顯著。而對高郵湖水位變化影響因素的確認(rèn)，也是通過跟蹤不同年份高郵湖存在的不同水利情況，并結(jié)合對高郵當(dāng)?shù)氐叵滤_采和降水量的調(diào)查后綜合分析得出的結(jié)果。通過整個(gè)工作過程，不僅認(rèn)識到車邏井水位大幅波動異常現(xiàn)象并非地震異常，同時(shí)還加深了對該井水位記錄特征的理解，以及對自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)活動等因素可影響該井水位的認(rèn)識，這為進(jìn)一步開展車邏井水位研究及地下流體觀測的規(guī)劃建設(shè)等提供了有益的參考。