地下水微动态观测与研究中,井水位的潮汐与气压效应比较明显,两者对水位的影响机理、水位对潮汐或气压的响应程度、潮汐和气压效应在地震前后表现出的各种异常已有诸多研究成果。在气压研究方面,车用太和杨会年(1985)提出:“大气压力同时作用在大地表面与井孔水面上,作用在大地表面上的大气压力经转化成为附加应力后,引起超孔隙压力时总会有一定的损失,而作用在井孔水面上的大气压力则几乎毫无损失地转化成超孔隙压力。”张昭栋等(1989)研究了井水位对气压动态过程的响应及气压响应滞后的机理。殷积涛和汪成民(1988)对气压效应的成因机制进行了理论分析,认为气压系数和荷载系数是互补的。气压效率的计算比较复杂,需要对观测资料进行滤波、差分和回归等处理。吴伯等(1992)、刘裕生和杨林根(1994)、卜凡泉和杨燕(2002)对气压系数的求解进行了理论研究。气压系数在地震前可能会发生畸变现象,利用这种畸变信息可进行地震预测(鱼金子等,1990; 王新等,2007),气压效应在地震前后的异常变化及其机理解释亦有众多研究成果(耿杰等,2002; 夏菲,万登堡,1992; 赵洪声,赵永亮,1990; 魏焕等,2001; 丁风和等,2007)。

气压有比较稳定的周期变化,一般是一天、数天至十几天不等,但在各种气象条件下气压变化又具有随机性。在某些天气过程中气压会发生扰动,其变化幅度可达10 hPa。本文在上述诸多研究成果的基础上,分析气压瞬间大幅度变化时,河北省地震局地下流体井网的黄骅、深州、无极、宁晋和永年等5个井孔井水位对气压的响应程度,求解此时的气压系数并研究其与常规方法计算结果的差异。

黄骅井(又名埕古1井)位于河北省黄骅市,地处埕西潜山构造带、羊二庄断裂东侧。井深1 250 m,套管深度1 165.75 m,于1 100 m处穿越羊二庄断裂带。含水层岩性为奥陶系灰岩,地下水类型为裂隙承压水。气压、潮汐效应明显。

深州井(又名新泽5井)处于冀中坳陷的深县凹陷内,深泽低凸起南缘(深泽——刘村构造带南缘),滹沱河冲积扇的下游,地势微向东倾,第四系松散沉积物厚约450 m。井深3 364 m,主要含水层是奥陶系灰岩和白云岩,其次为石炭系白云质灰岩。地下水类型属岩溶裂隙承压水,水质高矿化度(含盐量大于10 g/L),底部水温83.9 ℃(汪成民等,1990)。由于该井深度深,顶板埋深也深(2 835.7 m),所以含水层封闭性较好。气压、潮汐效应明显,不受降雨直接渗入补给。

无极井(又名极12井)地处冀中坳陷无极低凸起高点,衡水断裂北侧。水文地质条件属岩溶水的弱交替区,地下水由西向东缓慢渗流,属大气成因的深循环热水,封闭性好。井深2 984.5 m,套管深度2 330.9 m,水泥固井效果良好,观测段深度为2 333.89～2 984.52 m,主要含水层为寒武、震旦系灰岩和白云岩,地下水类型为岩溶裂隙承压水,底部水温98.0℃(汪成民等,1990)。气压、潮汐效应显著,不受降雨直接渗入补给。

宁晋井(又名晋96井)位于华北沉降带的宁晋凸起东部斜坡带,井位在束鹿断裂带上,东侧为百尺口断裂带,西侧为柏乡断裂带。井深2 003.78 m,观测层深度1 899.0～1 919.0 m,含水层岩性为砂质灰岩,地下水类型为岩溶裂隙承压水。潮汐、气压效应明显,不受降雨直接补给。

永年井(又名北杜井)位于河北省永年县境内,沙河—马会河洪积扇的南缘,地势自西北向东南倾斜,构造部位上处于太行山山前断裂带东侧,邯郸凹陷的西缘。井深1 034.89 m,井孔观测段深度为810.15～1 034.89 m,含水层岩性为燕山期安山玢岩,地下水类型为裂隙承压水(汪成民等,1990)。气压、潮汐效应显著。

图1～3给出了上述五口井的水位、气压日均值曲线。图1显示由于受到气压年变周期变化的影响,深州、宁晋和永年井水位年变动态特征明显; 无极井受地热开发影响,水位呈趋势下降动态,对其进行趋势拟合处理,亦能显示出明显的气压年变周期引起的水位年变化规律(图2); 黄骅井水位趋势动态显示不出气压效应,主要原因是该井水位受观测环境影响,水位总体呈下降变化趋势,虽然2006年11月以来水位多次上升,但

图1 水位、气压日均值曲线
(a)黄骅井;(b)深州井;(c)无极井;
(d)宁晋井;(e)永年井
Fig.1 Daily curves of water level and atmospheric pressure (a)Huanghua Well;(b)Shenzhou Well;(c)Wuji Well;(d)Ningjin Well;(e)Yongnian Well

图2 无极井水位日均值、拟合残差值、气压日均值曲线
(a)水位日均值;(b)水位直线拟合值;(c)水位
拟合残差值;(d)气压日均值
Fig.2 Daily curves of water level,fitting residue values and atmospheric pressure in Wuji Well (a)daily average water level;(b)straight line fitted values of water level;(c)fit residuals water level; (d)daily average atmospheric pressure

表1显示水位和气压日均值一阶差分的相关性较好,均在置信水平α=0.01上显著相关; 宁晋井水位、气压日均值相关系数最小,为0.516 6,计算F值为10.19,按30天即第二自由度n₂=30查F值分布表,在置信水平α=0.01上F=76.4,说明宁晋井水位、气压日均值在置信水平α=0.01上相关,其它井水位、气压日均值在置信水平α=0.01也应相关。水位与气压日均值一阶差分的相关性比日均值的相关性好。黄骅、深州、无极和宁晋井日均值一阶差分的气压系数比利用日均值求得的气压系数高,永年井计算结果则相反。以日均值一阶差分回归分析结果为准,无极井水位的气压系数最高,为0.77 cm/hPa,永年井水位气压效率最低。

图3 水位、气压日均值曲线
(a)黄骅井;(b)深州井;(c)无极井;
(d)宁晋井(e)永年井
Fig.3 Daily curves of water level and atmospheric pressure(a)Huanghua Well;(b)Shenzhou Well;(c)Wuji Well; (d)Ningjin Well;(e)Yongnian Well

表1 日均值的气压系数计算结果
Tab.1 Results of daily values of atmospheric pressure coefficient

气压扰动具有较大的随机性,一般一个扰动过程在一两个小时内完成,同一个扰动过程在不同的区域,变化时间、幅度不等。如2004年7月4日19～22时的一次气压扰动(图4),深州井气压在20:42上升,到20:49上升幅度为3.0 hPa,21:05开始下降,至22:05下降幅度达8.7 hPa; 黄骅井气压21:43～21:50上升1.9 hPa,21:56～22:02下降1.4 hPa; 无极井气压20:00～20:20上升4.5 hPa,20:20～21:01下降4.2 hPa; 宁晋井气压20:00～20:28上升4.4 hPa,20:28～21:10下降3.1 hPa; 永年井19时40～55分气压上升变化只有1.6 hPa。2008年6月25～28日气压多次出现扰动变化,并且表现出了随机性(图5)。

气压扰动引起水位同步变化,利用这种响应过程计算水位的气压系数。选取水位、气压分钟值资料,采用线性回归分析方法,对分钟值原始资料、分钟值的一阶差分、5分钟滑动及滑动值的一阶差分分别计算。选取气压扰动显著的时段,如2004年7月4日20～23时、2005年4月1日17～23时、2005年4月20日09～13时、2006年6月7日08～16时、2006年7月5日15～20时、2008年6月25～28日(25日15～23时、26日19～23时、27日04～07时、27日19时～28日03时、28日17～22时)。计算结果取平均值(表2)。

计算结果表明,利用原始分钟值、5分钟滑动值、5分钟滑动差分值进行回归分析相关系数较高,黄骅、宁晋和永年井水位和气压5分钟滑动差分值的相关系数高于同井其它序列的相关系数。原始值的差分值相关系数最低,气压系数亦低于同井其它序列的计算结果,相关结果差异是因为水位对气压响应滞后。与利用日均值一阶差分(表1)的计算结果比较,依据5分钟滑动差分值求得的气压系数与之最为接近。4种序列计算的气压系数,除利用原始分钟值的一阶差分回归结果普遍较低外,其它序列的气压系数高低不等。表2显示深州井气压系数较低,分析其原因是该井有石油溢出现象,井管内水面上浮着一层厚厚的石油,必须经常进行人工除油,油的粘滞系数大,对气压扰动有消减或滞后效应。

比较上述4种序列不同计算时段求得的结果,5分钟滑动差分值相关性较稳定,相关系数和气压系数波动较小,原始分钟值的气压系数波动较大,原始值差分值的相关系数波动较大。比较5口井的

表2 气压扰动过程中水位的气压效率
Tab.2 Atmospheric pressure efficiency of water level in atmospheric pressure disturing

图4 2004年7月4日水位、气压分钟值曲线
(a)黄骅井;(b)深州井;(c)无极井;
(d)宁晋井(e)永年井
Fig.4 Minute curves of water level and atmospheric pressure(a)Huanghua Well;(b)Shenzhou Well;(c)Wuji Well; (d)Ningjin Well;(e)Yongnian Well

图5 2008年6月25日至28日水位、气压分钟值曲线
(a)黄骅井;(b)深州井;(c)无极井;
(d)宁晋井(e)永年井
Fig.5 Minute curves water level and atmospheric pressure(a)Huanghua Well;(b)Shenzhou Well;(c)Wuji Well; (d)Ningjin Well;(e)Yongnian Well

计算结果,黄骅井分时段回归分析结果稳定,永年、无极井次之,相关性较差的是深州井。水位对气压扰动的响应存在滞后效应。计算结果表明,黄骅井水位对气压扰动响应较快,滞后时间在2分钟之内,深州井在4～5分钟,其它3口井在3分钟之内。气压扰动过程较短的或扰动开始时气压变化速率较大者,滞后时间明显; 过程较长或扰动开始时气压变化速率较缓者,滞后时间不明显。

由于水位对气压扰动响应有滞后效应,采用5分钟滑动、差分预处理,计算结果与日均值序列计算结果相接近,无极井气压系数最高(7.3 mm/hPa)。深州井的水位、气压日均值和分钟值回归分析结果相差较大,原因是该井存在石油溢出现象。分段计算结果表明,日均值序列相关结果稳定,分钟值相关分析结果波动大,说明水位对不同周期气压变化的响应存在差异性,水位对气压较长周期变化响应性高,对短周期的瞬间扰动响应有一定的波动。

利用水位和气压的不同周期的资料计算了井水位的气压系数并进行了分析,结果表明,不同周期序列的气压系数基本接近,水位对气压较长周期变化的响应比瞬间大幅度扰动的响应更加稳定。

水位对气压扰动的响应存在滞后效应,因此利用水位和气压分钟值、5分钟滑动的差分值进行的回归分析结果比较稳定,求得的气压系数与日均值序列计算结果相当。水位对气压扰动响应,当气压扰动过程较短或扰动开始时气压变化速率较大时,滞后时间明显,一般滞后在5分钟之内; 当气压扰动过程较长或扰动开始时气压变化速率较缓时,滞后时间不明显。

气压扰动过程的随机性较大,选取的不同时段数据计算结果表明,水位对不同扰动过程的响应存在波动性,即同一口井对不同的气压扰动或同一次气压扰动对不同井孔水位的影响不同。这种现象的产生与井孔的水文地质条件及气压的随机变化特性有直接关系,有待深入研究。