临夏1号井中安装了LN-3A和ZKGD两套不同型号的仪器,2号井中安装ZKGD型水位仪。笔者对同一口井中两套不同仪器产出的观测资料从动态特征方面进行了对比分析,结果发现,观测资料长时间的变化趋势相似,形态完全相同。短期的变化形态也基本相同,对某一天而言,同一口井中两套仪器的变化时间(分钟值或整点值)不完全同步(图1)。笔者就这个问题请教过一些专家和仪器管理部门的人员,他们也发现了这个问题,但真正的原因还不清楚。

另外,笔者对同井不同观测仪器的观测资料分别用日均值和整点值进行了相关分析计算,计算结果表明,日均值相关性非常好,相关系数很高; 整点值个别时段相关系数较低。这与我们从观测曲线中看到的实际情况相符。

模拟观测深井水位具有固体潮显示已是无可争议的事实(唐九安等,1993,1995),笔者对2008年以来部分井点的数字化水位观测资料进行了调和分析计算。表2为临夏(1号井,LN-3)、永登、清水和景泰等测点的部分计算结果。

从表2中可看出,临夏井点数字化水位资料潮汐因子较大且稳定,在0.60以上,相对误差较小; 景泰井点潮汐因子在 0.30～0.40之间,相对误差较小; 清水和永登井点潮汐因子较小,但相对误差都比较小,尽管有些井点潮汐因子较小,但均比较稳定。这也说明不同井点的潮汐可能受多种因素的影响,如井的封闭性、井深等等。其余井点也均有潮汐效应,只是显现程度不同,景泰、永登、古浪3个井点某些时段的波形不完整。

地震发生对地下流体动态的影响十分显著,孙小龙等(2008)、刘成龙等(2009)对地震地下流体效应,尤其是对地下水的效应进行过深入的研究。地震地下流体效应有两种成因机制,一是由于地震波的传播引起; 另一种是地震破裂传播及震后应力

调整引起。地下水位的震时和震后变化,形态上主要有两种类型,一类是急速的阶跃变化,这主要是近震的井水位效应; 另一类是水位的震荡变化,又称为水震波效应。

2008年以来全球发生多次M_S7.0以上地震,笔者对水位井点的资料做了分析,结果发现所有

图1 同井不同仪器不同时间尺度对比观测曲线
(a)2009年;(b)2009年1月;(c)2009年1月1日
(a-1)、(b-1)、(c-1)LN-3;(a-2)、(b-2)、(c-2)ZKGD
Fig.1 The comparison curve of different implements instruments on different time scales at the same well point

表2 临夏、景泰、清水、永登井点水位M2潮汐因子和相对误差计算结果
Tab.2 The relative errors and tidal factors of M2 Linxia,Jingtai,Qingshui and Yongdeng well points

井点(7口井、8个测项)在2008年汶川8.0级地震时震后效应非常明显,变化形态有突变型、脉冲型和缓变型。其中武都为突升型,上升幅度较大,为3.46 m; 清水为突升型,上升幅度为0.012 m,永登和景泰为脉冲型,变化幅度分别为0.000 6 m和0.005 3 m,临夏两口井3测项为缓降或突降,下降幅度分别为0.15 m、0.16 m、0.18 m; 古浪为缓降或突降,下降幅度为0.414 m。而这些井点在其它大地震时震后效应并不明显。这也说明了地下水位地震波效应主要受发震地点、震级等因素的影响。因为对同一口井而言,观测层的岩性、水位埋深、含水层的封闭性等不会发生变化。图2为不同井点记录到的汶川地震的震时与震后效应曲线。

图2 不同测点记录到汶川地震的同震效应曲线
(a)临夏(1)LN-3;(b)临夏1号井(ZKGD);(c)临夏2号井;(d)清水温泉;
(e)武都樊坝;(f)永登;(g)景泰;(h)古浪
Fig.2 The coseismic curve effect of Wenchuan Earthquake at different measuring points

气压变化对地下水位的影响具有普遍性。气压每变化1 hPa所引起的水位变化量,称为井水位气压效率,单位为mm/hPa。它是反映井孔水位的气压效应强弱的一个重要指标。井水位的气压效率与观测层埋深、井的单位涌水量等有关。正常情况下井水位变化与气压变化之间呈负相关关系,这是由于气压增大时,井孔中的水向含水层方向流动,导致井孔水位下降; 气压减小时,含水层中的水向井孔方向流动,导致水位上升,当相关关系为正时,说明水位动态在受气压作用的同时还受到其他附加应力作用的可能,并且以其他附加应力为主。水位井点中,只有临夏和永登两个井点有比较连续的气压资料,笔者选取这两个井点的资料进行水位气压相关分析,结果见表3。

表3 水位与气压观测相关分析结果
Tab.3 Correlation analysis of water level atmospheric pressure

从表3可看出,这两个井点水位与气压的相关性不是很好。张淑亮等(2005)和刘国俊等(2009)认为井水位的气压效率与下列因素有关:(1)含水层的岩性和岩石的压缩系数;(2)含水层的渗透性能和岩石的导水系数;(3)观测方式。气压变化引起井孔水位变化是通过井孔和含水层间渗流来实现的。当大气压变化时,井孔中的水流与含水层中的水流产生对流,由于这两个流动过程中所受的阻力不同,其渗流量也必然不同,导致不同气压变化过程引起井水位变化量也不同,表现为不同观测井水位与气压的相关系数各不相同。即使同一观测井在不同时段也有差异。另外,由于资料时间较短,样本较少,个别时段有缺数,可能也会引起相关性不稳定(张昱等,2008)。

井水位的年动态曲线是以月均值为基础绘制的。对所有井点的资料分析结果表明,多数井点的井水位表现出比较明显的年变规律。年动态以年变型为主(有年变形态的井点其井水位可能受当地的气候、水位开采以及用水量等因素的影响),也有平稳波动型。其中临夏两口井3个测项、永登、景泰井有明显的年变形态,清水、武都、古浪井为平稳波动型。图3所示为不同形态的两种年变类型。

水位月动态分析是在以日均值为基础绘制的曲线上进行的,主要分析其1个月的时间尺度上是否有规律可循:把渐升、渐降、平稳波动的变化作为有规律的变化标志,把无规律起伏、阶变、

图3 甘肃地区井水位的月均值动态类型(a)武都井;(b)景泰井
Fig.3 The monthly means dynamic type of well level in Gansu region

对所有井点的资料,笔者随机选取2008～2009年底每年6个月(不同月份)的数据进行分析,结果表明,多数井点资料的月动态规律清楚,其变化形态有渐升、渐降和平稳波动3种类型。尽管武都和古浪两个井点有一些突变或缺数,但资料分段分析后月动态规律还是清晰的。图4为不同类型的月动态观测曲线。

井水位时均值日动态最显著的特征是地球固体潮汐效应,即井水位随潮汐引力的大小而升降变化。笔者对观测资料做了分析,发现8个测项的水位资料都能看到固体潮汐效应,只是不同井的水位潮汐显现程度不同而已。有些井点水位潮汐现象比较显著,日变幅度较大,有些较小。个别井点由于有干扰或缺数形态不是特别清晰,但资料分段使用后还是可以看出比较明显的潮汐效应。

图4 甘肃地区井水位的日均值动态类型(a)临夏井;(b)清水井;(c)永登井
Fig.4 The daily means dynamic type of well level in Gansu region

从前面的分析可以看出:(1)“十五”数字化水位年变规律比较清楚的井点有:临夏2口井、景泰、永登; 清水、武都、古浪年变规律不清楚,为平稳波动型。(2)月动态有渐升、渐降、平稳波动三种类型。其中临夏两口井、永登、景泰、清水井点月动态规律比较清楚,武都、古浪资料分段使用后基本清楚。(3)日变规律清楚的井点为:临夏2口井、清水; 武都、景泰、永登、古浪井点。

根据以上分析我们可以判断:临夏两口井不仅能在地震的中期或中短期前兆监测中发挥一定的效能,也能识别出地震短期前兆异常,或者在短临前兆监测中发挥一定的效能。景泰、永登两个井点在地震的中期或中短期前兆监测中能发挥一定的效能,也能识别出地震短期前兆异常,有可能在短临前兆监测中发挥一定的效能。清水井点有可能在地震的中期或中短期前兆监测中发挥一定的效能,也能在地震短期和短临前兆监测中发挥一定的效能。武都、古浪两个井点有可能在地震的中期或中短期前兆监测中发挥一定的效能,也可能在地震短期和短临前兆监测中发挥一定的效能(车用太等,2006)。