云南省目前共有水位观测井孔63口,其中有10年以上观测记录的有29口,排除观测质量较差和基本无震例对应的9口井孔,笔者将观测连续稳定、映震效果较好的20口井的井水位观测资料作为研究对象。其中受降水影响显著(即观测数据年变形态清晰)的井孔有18口,受降水影响不明显的井孔2口,具体井孔分布见图1。雨量数据收集来自于云南省气象局,井孔水位观测起始时间不一致,所以群体异常结果采用异常井孔所占同期全部井点比例表示,具体始测时间见表1。

表1 水位井孔始测时间
Tab.1 Observation time of water-level wells

大气降水对地下水位的影响具有滞后效应,因此笔者主要考虑年降水量对水位年变幅度的总体影响,分别利用峰—谷幅值法和谷—谷幅值法对受降水影响明显的18口井排除降水对地下水位观测的影响后进行异常识别和提取,对其余2口不受降水影响的水位观测井孔采取原始曲线人工识别异常,主要识别大幅上升或下降为主的异常形态。

1.2.1 峰—谷幅值法

用地下水位同一年的峰值与谷值之差(即年

图1 水位井孔分布图
Fig.1 Distribution of water-level wells

图2 使用峰—谷幅值法提取高大(a)、永胜(b)、下关(c)及大姚(d)台的地下水位异常示意图
Fig.2 Sketch map of groundwater level anomalies extracted by the method with the range of peak-valley value recorded by Gaoda(a),Yongsheng(b),Xiaguan(c)and Dayao(d)stations

表2 使用峰—谷幅值法提取的地下水位异常结果统计表
Tab.2 Statistic results of groundwater level anomalies extracted by the method with the range of peak-valley value

注:“—”表示无数据; “0”表示正常; “1”表示异常; “异常比例”为当年出现异常的井孔数量占本年度所有井孔的比例.

对每年排除降水干扰后的异常井孔比例进行统计,根据震例对应情况,以异常比例大于20%作为异常指标,得到自1998年以来,利用峰—谷幅值法排除了降水影响之后,所提取出的水位群体异常与云南省内未来一年6级以上地震的对应情况,如图3所示。根据历史震例统计,1998年以来,云南地区共发生6级以上地震9次,根据年份可划分为7组,从图3可见,在2009年姚安6.0级和2014年盈江6.1级、鲁甸6.5级、景谷6.6级2组地震前出现了较为显著的水位群体异常,其余5组6级以上地震前均未出现相对应的异常现象,对应率为29%。

1.2.2 谷—谷幅值法

对地下水位谷值变化逐年差值与年降水量进行相关分析,将其称为谷—谷幅值法。该方法用每年地下水位观测的最低值(雨季来临前),以当年与前一年的谷值差值为纵坐标,前一年的年降水量为横坐标做图,图4为部分井孔的计算结果示意图。群体异常统计原则同峰—谷幅值方法,表3给出所有参与计算的地下水位资料利用谷—谷幅值方法排除降水干扰以后的异常结果。

图3 使用峰—谷幅值法提取的云南地区地下水位群体异常与震例对应关系
Fig.3 The corresponding relation between group anomalies of groundwater level extracted by the method with the range of peak-valley value and earthquakes in Yunnan region

图4 使用谷—谷幅值法提取澜沧(a)、江川(b)、丽江(c)及施甸(d)台的地下水位异常提取示意图
Fig.4 Sketch map of groundwater level anomalies extracted by the method with the range of valley-valley value recorded by Lancang(a), Jiangchuan(b),Lijiang(c)and Shidian(d)stations

表3 使用谷—谷幅值法提取地下水位异常结果统计
Tab.3 Statistic results of groundwater level extracted by the method with the range of valley-valley value

注:“—”表示无数据; “0”表示正常; “1”表示异常.

图5为1998年以来利用谷—谷幅值法排除了降水影响之后提取出的水位群体异常与未来一年6级以上地震的对应情况。

表4对1998年以来云南省内发生的9次(7组)6级以上地震(其中2011年3月24日缅甸7.2级地震距离云南边界80 km,且在年度地震趋势研究分析中认为此次地震标志着云南进入新一轮强震活跃期,故本次震例统计把该地震统计在内)和发震前一年地下水位群体异常情况作了详细统计。由图5可见,除2007年宁洱6.4级地震发生之前地下水位群体异常指标未达到阈值外,其余6组地震发生的前一年,地下水位群体异常均达到异常指标,对应率高达86%。

图5 使用谷—谷幅值法提取云南地区地下水位群体异常与震例对应关系
Fig.5 The corresponding relationship between group anomalies of groundwater level extracted by the method with the range of valley-valley value and earthqueaks in Yunnan region

表4 云南地区6级以上地震和地下水位群体异常情况
Tab.4 The group anomalies of groundwater level and M≥6.0 earthquakes in Yunnan region

注:“—”表示无数据.

分析上述两种不同的异常提取方法,峰—谷幅值法主要用来描述降水量与当年水位的上升幅度之间的关系,用来反应雨季来临后降水对水位即时的影响幅度; 谷—谷幅值法则主要用来描述降水量与一年时间尺度内水位的变化幅度之间的关系,用来反应降水对水位观测在未来一年时间内的差异影响。上述两种方法的计算结果显示,谷—谷幅值法所提取的水位群体异常达到异常指标后,未来一年内发生6级以上地震的概率明显高于峰—谷幅值法的结果,这可能表明,云南地区大多数水位观测井受降水的影响是一个持续缓慢的过程,降水对井水位的影响具有一定的滞后性,这与我们对全国范围内大多数地区地下水位观测的认识是一致的。

井水位动态受降水影响,主要表现为雨季上升、旱季下降的年变形态,相关研究结果表明,不同深度的井孔受降水影响的过程和机理具有一定的差异性(鱼金子等,1992; 车用太等,1993)。对于潜水含水层中的浅井,主要为地下水质量的迁移,一般包括降水荷载作用下使得含水层变形和降水渗入补给使含水层水量增多两种方式引起的井水位上升机制; 对于承压含水层中的深井而言,则是以能量传递为主,即当降水在补给区垂直渗入时,补给区内的水力坡度随着潜水位上升不断增高,一方面会引起补给区内的潜水向深井承压区运动,同时也有不断增高的水位压力将以压力波的形式向深井承压区传递。相比两个不同的过程,前一个运动十分缓慢,后一个则传播较快,于是首先以压力波传递的方式,引起深井水位的上升; 不同井孔对降水的响应时间不一致,主要是和观测井孔与补给区之间的距离、井孔含水层的渗透系数以及井水位本身的背景动态等多种因素有关(鱼金子等,1992; 车用太,1993)。

构造活动对地下水位的影响,主要表现为破年变的水位上升或者下降。在地震孕育过程中,如果岩层被挤压,则岩层的孔隙率变小,孔隙水压增大,水流由含水层向井孔流动,从而使水位上升。相反,如果岩层被引张,则岩层的孔隙率变大,孔隙水压变小,水流由井孔返回含水层,致使水位下降(刘耀炜等,2010; 付虹等,2014)。车用太等(1999)对地下流体异常场的形成和演化过程的研究结果表明,引起地下流体中期异常的主体不是震源体,而是区域构造活动,即震源体很有可能是区域地震构造活动之后产生的。由这一研究结果分析认为,区域地震构造带活动引起的地下水位异常主要表现出两个特点:一是从时间尺度来讲,大多表现为中期异常; 二是从空间分布来看,在整个区域内会出现多个异常井孔。上述分析结果符合“区域地震构造活动培育震源体,震源体发展并产生地震”的模式,同时也为车用太(2006)论述的强震前1～1.5年研究区域内会出现地下水位群体异常这一现象提供了依据。排除年降水量后提取出的水位群体异常数量的增多较好地反映了区域构造活动和应力状态,在构造活动增强的背景下,有利于6级以上地震的发生,因此可以用水位的群体异常指标预测年度地震活动水平。