(1)菏泽深井水温、水位数字化观测系统设计目标;

(2)菏泽深井水温、水位数字化观测系统建设技术方案。

(1)井点观测系统:成武县张庄观测井井房,淄博市南定观测井井房;

(2)菏泽市地震局中心处理系统,淄博市地震局台网中心处理系统。

(1)深井观测系统的数据采集、传输与汇集

菏泽市地震局深井水温、水位数字化观测系统由1个数据汇集、处理、控制中心和3个观测点组成; 淄博市地震局数字化水温水位观测系统由1个数据汇集、处理、控制中心和1个观测点组成。两系统均采用GPRS无线传输方式实现数据的汇集处理。测试组在听取仪器研制者介绍、实地功能测试后,检查了系统的运行流程。地震观测井数据计算机远程自动采集系统负责台站仪器的实时监控、收数命令的发送、数据的转换、处理和远程控制等功能。台站仪器端负责GPRS通信链路的建立,通信连接建立后,采用TCP/IP协议,由台网的系统软件实现通信命令的发送、数据采样率的控制和接收数据包等功能。

(2)地震观测井数据计算机远程自动采集系统软件的功能

测试组在台网中心对软件进行了功能测试。该软件具有数据实时监视、数据转换、数据浏览、数据入库和与现有地震前兆数据处理软件(EIS2000)的连接功能。

(3)观测精度和质量检查测试

利用系统可以即时采集水温、水位测值变化的特点,测试组在菏泽成武观测井、淄博南定观测井分别利用水温、水位观测探头在水中不同深度位置的测值变化,检查分析了系统产出数据的变化情况,结果显示菏泽市地震局、淄博市地震局中心处理系统实时采集的水位埋深值与实际操作变化值基本相吻合; 水温实时采集值与实际操作过程的分析变化规律相吻合。

(1)变化趋势一致性检验—— r检验

令x_i及y_i(i=1,2,…,n,n为统计天数)分别表示每日相同时刻的模拟及数字化记录的观测值(或日均值),则相关系数

r=(n∑ⁿ_i=1x_iy_i-∑ⁿ_i=1x_i∑ⁿ_i=1y_i)/(([n∑ⁿ_i=1y_i²-(∑ⁿ_i=1y_i)²]·[n∑ⁿ_i=1x_i²-(∑ⁿ_i=1x_i)²])^1/2).(1)

定性地看,r值越趋近于1,则二者的变化趋势越一致。取定显著性水平α=0.01或α=0.05或α=0.1,自由度f=n-2,进而可确定相应于一定显著性水平α及自由度f的最小相关系数r₀,若r>r₀则检验通过,否则不通过。

(2)样本方差的一致性检验——F检验

x_i、y_i为模拟及数字化记录,令其长度分别为n_x、n_y,统计量F定义为

F=(S_x²)/(S_y²)-F(n_x-1,n_y-1).(2)

式中S_x²、S_y²分别为两组数据的样本方差。建立统计量F时已认定分子大于等于分母,即始终有F≥1。取定显著性水平α=0.01或α=0.05或α=0.1,可得相应于显著水平为α、第一自由度为(n_x-1)、第二自由度为(n_y-1)所对应的F_α(n_x-1,n_y-1)。若F>F_α(n_x-1,n_y-1)则否定一致性假设; 若F<F_α(n_x-1,n_y-1)则肯定一致性假设,认为二者方差一致。

(3)均值的一致性检验——t检验

若前述方差一致性检验得以通过则可看作等精度观测,否则属不等精度观测,统计量t定义为

t=((x^--y^-))/(((S_x²)/(n_x)+(S_y²)/(n_y))^1/2).(3)

取定显著性水平α=0.01或α=0.05或α=0.1,自由度f=n_x+n_y-2,得t分布临界值t_α(n_x+n_y-2),使得P{│t│≥t_α(n_x+n_y-2)}=α。进而可进行检验:若│t│>t_α(n_x+n_y-2),则检验不能通过; 若│t│<t_α(n_x+n_y-2)则检验通过,二者均值一致。

取显著性水平α=0.05,对同时有模拟水位观测和中科光大数字化水位观测的济南郭店井、菏泽成武井和枣庄鲁15井同时段的产出观测数据进行统计检验(表1、图2、3)。结果显示,3口观测井所测模拟水位与中科光大数字化水位的变化趋势均通过检验,表明模拟水位与数字化水位具有较一致的变化趋势,但上述三井t检验均未通过,F检验仅成武井通过,显示中科光大数字化水位产出数据与模拟观测基值和方差变化不一致,表明中科光大数字化水位资料可用于预报,但其变化本底值、异常形态、异常幅度等均需重新摸索。

表1 济南郭店井模拟水位与中科光大数字化水位统计检验结果

表2 菏泽成武井模拟水位与中科光大数字化水位统计检验结果

表3 枣庄鲁15井模拟水位与中科光大数字化水位统计检验结果

(1)数字化水位观测资料的固体潮效应

深井水位模拟观测(SW40水位仪)和中国地震局“九五”期间研制投测的LN-3A数字化水位仪具有记录井水位固体潮变化的能力已无可争议(孙亚强等,2001)。从投测的中科光大数字化水位观测井产出数据分析,部分井孔也显示有较好的固体潮汐特征(图2)。

我们按照目前使用的全国水位资料内在质量统评办法的固体潮汐因子和观测误差的计算方法,给出了山东省部分模拟水位资料、LN-3A数字水位仪观测资料及部分现已投测的中科光大数字化水位观测资料的计算结果(表4)。同时具有模拟水位观测和中科光大数字化水位观测的济南郭店井的计算结果显示,这两种观测方式的M₂波潮汐因子、潮汐因子中误差、潮汐因子相对误差、M₂波最大潮差均基本相同。枣庄鲁15井由于中科光大数字化水位、水温探头电缆线的投入,使井径相对变小,致使该井原有的SW40水位仪浮子碰壁,从而使两者计算结果与显示结果有一定的差异(表4、图2)。

图2 2006年1月枣庄鲁15井同期固体潮理论值(a)、中科光大数字化水位(b)与模拟水位(c)对比曲线

表4 山东部分水位观测井潮汐因子及观测误差计算结果

(2)数字化水位的气压效应

地下水位变化与气压变化之间呈现负相关关系,即气压升高,井水位下降; 气压降低,井水位升高(贾化周等,1995; 张昭栋等,1986)。中科光大数字化水位观测也显示了这一变化特征,计算2006年1月潍坊马庄井数字化水位整点观测值与气压整点值(蒋骏等,2000),两者相关系数γ=-0.546。

(3)数字化水位的地震波效应

由于投测井孔采样间隔多设置为10分钟,故未见地震波效应(水震波)显示。地下水位地震波效应受观测层的岩性、埋深、井孔—含水层间的导水能力、井孔水柱高度以及发震地点、震级等诸多因素的影响,同时也受观测系统响应特征的影响(张昭栋等,1992; 殷积涛,1990),水位的分钟值采样和10分钟采样不能满足记录水震波(主要周期为10～20 s)的要求。

分析菏泽地区投测时间较长的3口深井比较完整时段的观测资料(图3)可以看出,菏泽东明气象局井总体呈趋势下降变化,在此背景下,由于受降雨和城市、工业开采用水的影响,呈上升和下降波动变化; 成武张庄井受降雨和开采影响较小,总体呈缓慢下降趋势; 曹县倪集井受一定程度的降雨影响,变化趋势缓慢下降。

2005年下半年以来投测的观测井,由于观测时间相对较短,其间又多次进行系统调试、更换仪器设备,因此难以对其宏观动态特征做出较为合理的评价,从目前的资料情况分析,部分受定

图3 菏泽地区3口深井数字化水位变化曲线(a)曹县倪集井;(b)成武张庄井;(c)东明气象局井

图4 2005-11-01～30日青州烟校井数字化水温(a)、水位(b)变化曲线

图5 日照东港井数字化水位趋势分析结果(a)水位原始数据;(b)一般多项式分段曲线拟合值; (c)原始水位与一般多项式分级曲线拟合值之差; (d)重力(地下水)固体潮理论值

日照东港井水位由于受城市用水开采的影响,呈示明显的下降趋势,日照东港井中科数字化水位产出数据也显示了这一变化特征,数字化水位呈明显的趋势性下降变化,对水位数据进行趋势分析后的结果显示,该井记录的固体潮汐特征变化比较明显(图5)。