江苏睢宁苏02、03井水位异常变化机理探讨.pdf

31第 3 期（总第 188 期）2023 年 9月No.3Sept.2023江苏睢宁苏 02、03 井水位异常变化机理探讨王秀娟，周 璇（江苏省徐州市数字地震台网中心，江苏 徐州 221000）摘 要：为判别江苏睢宁苏 02、03 井静水位 2014 年 7 月下旬至 2021 年出现的同步转折上升异常变化是否为地震前兆异常，本研究通过开展降雨量影响分析、井孔含水层系统应力状态分析、井孔水及周边地表水化学组分的分析以及井孔周边地下水开采情况调查等工作，认为苏 02、03 井水位异常受应力变化影响的可能性较小，受环境因素干扰的可能性较大。为定性分析环境因素的影响，建立合理多元线性逐步回归模型，对 2 口井 20082021 年地下水位和降雨量、地下水开采量进行对比分析，全面考虑了影响地下水位动态变化的因素，得出最优回归方程。结果表明，前 2 年和前 1 年地下水开采量对地下水位有显著影响，而降雨量及当年地下水开采量对地下水位无显著影响，水位上升变化滞后于地下水开采量减少。关键词：水位上升；回归分析；地下水开采；异常识别中图分类号：P315 文献标识码：A 文章编号：1001-8115（2023）03-0031-07DOI：10 13716 j cnki 1001-8115 2023 03 006收稿日期：2022-10-11；修回日期：2022-12-21作者简介：王秀娟（1971-），女，江苏丰县人，工程师，主要研究方向为地震监测预报、地下流体监测 E-mail：425506836 qq com地下水是地壳中十分活跃的组成部分，地下水位对于岩体的应力变化反应较为灵敏，震前地下水位异常是我国地震史料中记录较为常见的异常现象。当岩体应力发生变化时，地下流体会相应地受到拉伸或挤压等作用，出现水位下降或上升变化（蒋川等，2022）。地下流体观测中所获取的水位值是一个综合物理量，除包含井壁周边岩体应力状态信息外，还含有仪器误差、降雨、地下水开采等干扰因素。因此，有效地去除地下水位变化的干扰因素，确认震前地下水异常变化是当前地下流体学科亟需解决的问题之一（中国地震局监测预报司，2007）。张昭栋等（1993）提出的卷积滤波法、王旭升等（2010）提的出组合水箱模型法用来排除降雨对地下水位的影响，均取得了一定的实用效果。对于因构造活动引起的水位变化，前人尝试利用含水层的介质参数来反演区域内应力变化，从而分析震前异常信息。江苏省徐州市睢宁县苏 02、03 井静水位自 2014 年 7 月 23 日出现转折上升变化，为判断这种破年变变化是地震前兆异常还是受到环境因素影响所致，本研究拟从构造环境、降水影响、地下水开采等方面进行分析，探讨水位异常变化机理。1 睢宁苏 02、03 井地质环境苏 02 井为国家级静水位、中层水温监测井，该井位于废黄河断裂南侧（图 1），距离郯庐断裂带约 35 km，井深 311 76 m，主要岩性以灰岩为主，观测含水层位于井下 136 00307 75 m，主要含水段位于地下203 5261 0 m，地下水类型为震旦纪岩溶裂隙承压水。苏 03 井为省级静水位、深层水温监测井，在地质构造上位于近南北向郯庐断裂带西侧约15 km处，北西向废黄河断裂北侧。该井位于废黄河冲积平原上（图1），井深为 449 28 m，含水层为震旦纪白云岩、灰岩，溶洞裂隙发育，观测含水层位于井下 110 45416 00 m，地下水类型为岩溶裂隙承压水。苏 02、03 井均有 40 余年流体观测历史，自观测以来，井水位呈现雨季上升、旱季下降的年变形态。2014 年 7 月出现转折上升破年变变化，截至 2021 年 12 月 31 日苏 02 井累计上升幅度达 1 1 m，苏 03 井累计上升幅度达 2 1 m。322023 年第 3 期四 川 地 震图 1 苏 02、03 井附近区域构造2 苏 02、03 井水位上升异常分析引起井孔水位转折上升的因素主要有两方面：一是区域应力变化，应力场改变会引起岩体产生形变，从而导致观测井水位变化；二是环境干扰，包括降雨量增加、观测井周边区域地下水开采量减少（芮雪莲等，2020）。为了分析井-含水层的介质特性，对苏 02、03 井 20082021 年水位观测数据进行潮汐变化分析和调和分析。潮汐分析结果（图 23）显示，M2波、O1波和半日波受 2008 年中国四川汶川 MS8 0、2010 年中国青海玉树 MS7 1、2010 年智利康塞普西翁 MW8 8、2011 年日本东北部海域 MW9 0、2012 年印尼北苏门答腊西海岸 MW8 6、2012 年日本东部海域 MW7 3 和 2013 年中国四川芦山 MS7 0 地震影响，潮汐因子出现明显阶跃变化，从 2014 年开始苏 02、03 井水位潮汐因子出现增大现象，苏 03 井尤为明显。调和分析结果（表 1）表明，自 2014 年开始苏 02、03 井水位潮汐因子缓慢增大，相位差波动。王俊等（2021）利用井水位固体潮调和分析计算表明，2014 年 9 月开始，苏 02、03 井水位潮汐因子增加、相位差波动。石云等（2013）研究认为，水位潮汐因子增加、相位差波动反映了含水层处于膨胀状态，即含水层骨架受到拉张作用。丁风和等（2017）利用卷积回归法计算了苏 02、03 井含水层水文地质参数孔隙度与渗透系数，在含水层受力状态变化引起的地下水动态过程中，当含水层介质受压力变形时，则孔隙率减小，同时由于孔隙压力的增大，井水位表现为上升；反之，当含水层介质受张力变形时，则孔隙率增加，同时由于孔隙压力的减小，井水位表现为下降。依照以上结论，苏02、03井潮汐因子增大、相位差波动表明观测井含水层处于膨胀状态，含水层介质受张力影响，会出现孔隙度变大，孔隙压力变小，从而导致水位下降变化，这和 2014 年苏 02、03 井水位实际变化不吻合。为进一步排查水位上升是否是受外部环境影响，对苏 02、03 井及周边地表水进行了化学检测（图 4）。Na-K-Mg 三角图被用来评价水-岩平衡状态和区分不同类型的水样，检测结果显示所有水样都落在“未成熟水区域”（图4a），这表明水-岩之间未达到离子平衡状态，受地表水影响较大。且所有水样均落在Mg单元，表明水样在成因上受一定程度的大气降雨影响。piper 三角图被广泛应用于地下水类型和循环的判断，水样piper 三角图（图 4b）显示，苏 02、03 井井水的化学类型为 HCO3-Na 型，未见深部物质来源。氢氧同位素结果（图 4c）显示苏 02、03 井井水测值接近大气降水线，表明为浅层地下水，主要来源为大气降水，井水与围岩介质发生了水-岩相互作用。332023 年 9 月王秀娟，等：江苏睢宁苏02、03井水位异常变化机理探讨综合分析认为，苏 02、03 井水位趋势上升异常为应力变化引起的可能性较小，受环境因素影响的可能性较大。鉴于此，本研究开展了苏 02、03 井水位与降雨量、地下水开采量的相关性分析。图 2 苏 02 井水位潮汐变化分析图 3 苏 03 井水位潮汐变化分析表 1 2008-2021 年苏 02 井、苏 03 井水位调和分析结果年份02井潮汐因子02井中误差02井相对误差02井相位滞后02井振幅残差02井相位残差03井潮汐因子03井中误差03井相对误差03井相位滞后03井振幅残差03井相位残差20080 002 000 002 46 680 313 294 7-0 013 40 000 90 000 10 065 1-19 843 113 320 60 017 420090 002 00 000 10 029 08 583 813 427 5-0 016 80 000 800 079 5-15 746 613 448 50 012 720100 001 900 003 46 640 813 588 3-0 012 50 000 800 013 445 330 416 946 6-0 031 520110 001 900 006 77 403 313 749 4-0 014 00 001 100 015 1-3 666 713 780 00 003 920120 001 80 000 10 032 47 469 613 909 7-0 013 50 000 900 038 6-12 372 813 930 30 011 520130 001 90 000 10 033 79 967 114 052 9-0 019 00 001 100 003 5-0 961 114 073 00 001 020140 002 0 0 000 10 028 16 083 414 154 2-0 012 10 001 20 000 10 061 8-0 722 014 175 00 000 820150 001 90 000 10 029 14 551 214 197 6-0 008 70 001 100 004 42 245 814 219 5-0 002 420160 002 000 004 37 047 314 177 3-0 014 20 001 00 000 10 062 22 031 214 209 0-0 002 020170 002 00 000 10 029 38 587 714 119 7-0 017 40 001 10 000 10 061 75 039 614 140 9-0 005 520180 002 000 004 06 998 213 999 9-0 014 10 001 000 005 2-0 024 814 025 30 000 020190 002 000 003 27 030 913 846 1-0 014 20 001 00 000 10 082 8-5 471 013 870 90 005 320200 002 000 002 37 227 813 675 5-0 014 60 001 000 004 5-0 747 613 698 50 000 820210 002 10 000 10 025 28 263 813 5000-0 017 20 001 100 005 5-2 393 913 524 80 002 6342023 年第 3 期四 川 地 震3 水位与降雨量、地下水开采量对比分析31 水位上升与降雨量分析苏 02 井北部与西南部为低矮丘陵，观测井在废黄河冲积平原上（距河南部约 4 km），汛期降雨对水位影响较大。北部与西南部有基岩（Z2）片状出露，为接受补给区，井距离补给区为 79 km，水循环条件比较好。苏 03 井亦在废黄河冲积平原上（距河约 10 km），其西与西北部为低矮丘陵，西北与西面有基岩（Z2）片状出露，为接受补给区，井距离补给区约为 20 km，水循环条件较好，汛期降雨对水位影响明显。据统计，睢宁县历年平均降雨量为 922 1 mm，20082021 年 中 有 7 年 低 于 历 年 平 均 降 雨 量，20082013 年降雨量相对偏低，从折线图（图 5）可以看出，苏 02、03 井水位随着降雨量的增加有上升的趋势，但是在降雨量明显降低和增加的年份，2 口水井水位未呈现相应的下降和上升变化，苏 02、03井水位上升不完全受控于降雨量。32 水位上升与地下水开采分析根据睢宁县水务局提供的 2008 年以来的地下水开采情况（图 6）表明，2014 年以前地下水超采严重，地下水开采量呈逐年上升的态势，2014 年之后徐州市加强水资源管理，推广城乡供水一体化项目建设，自来水公司停止抽取地下水，改用地表水。此外，2013 年 3 月南水北调东线一期工程开始试通水，2013 年 11 月 15日正式通水，长江水出扬州一路北上，提供苏北、苏中地区扬州、淮安、宿迁、徐州、泰州等 7 市 50 县（市、区）受水区用水。睢宁县地下水开采量大幅度下降，从 2012 年地下水开采量 1 37 万吨 年下降到 2021 年 0 19万吨 年（图 6）。苏 02、03 井观测层埋藏较浅，径流途径短，封闭性不好，第四系含水层的开采对这 2 口井可能造成一定影响，2013 年地下水开采量减少后，2 口水井水位明显上升。4 水位与降雨量、开采量多元线性逐步回归分析在地下流体观测中，水位不仅会受到自然环境的影响，也会不同程度地受到人类活动的干扰，如地下水开采、灌溉等，单从异常特征来看，很难将这些因素对水位观测值的影响与地震前兆异常区分开来（胡小静等，2018）。本研究采用多元线性回归分析模型，分析苏 02 井、苏 03 井水位转折上升原因。41 多元线性逐步回归分析的理论和模型多元线性逐步回归分析是选择自变量以建立最优回归方程的回归分析方法。最优回归方程，指在回归图 4 水化学分析图图 5 苏 02、03 井水位和降雨量对比曲线352023 年 9 月王秀娟，等：江苏睢宁苏02、03井水位异常变化机理探讨方程中，包含所有对因变量有显著影响的自变量，而不包含对因变量影响不显著的自变量。根据自变量 X和因变量 Y 影响显著程度大小，逐个把有显著影响的自变量引入回归方程。引入自变量前要作偏相关系数检验，来确定该自变量是否引入，引入新的自变量之后，还要对其他已引入的自变量作偏相关系数检验，以确定它们在引入新自变量后与因变量的相关程度是否发生了变化，当效应不显著时，则需要从回归方程中将此变量剔除。引入一个变量或从回归方程中剔除一个变量都称为逐步回归的一步。每一步都要进行 F检验，以保证在引入新变量前回归方程中只含有对因变量影响显著的变量，而不显著的变量已被剔除，直至所有显著性变量都引入方程（张建芝等，2010）。如果变量 Yi和 j=m 个变量 Xi1，Xi2，Xim之间存在着线性关系，根据自变量 X 与因变量 Y 的相关性的显著程度，逐步挑选对 Y 影响显著的自变量引入回归方程，假设运用逐步回归分析软件得到 i 个应变量 Yi与j=m个自变量Xi1，Xi2，Xij，再建立Yi变量的回归方程，这就是用逐步回归法得到的“最优”回归方程：（1）式中：Yi为因变量，Xi1为主要影响因素，Xi2为次要影响因素，以此类推，直至Xij个影响因素，0、1、2、i为偏回归系数，i为误差。通过实验得到 i=n 组观测数据，即可构成方程：（2）42 多元线性逐步回归分析考虑到不同的环境条件对水位影响的复杂性，在自变量引入多元回归方程时，应引入尽可能多的影响水位的参数作为自变量，文中统计了睢宁县 20082021 年的年平均地下水位，当年、前 1 年和前 2 年的地下水开采量及当年、前 1 年和前 2 年的降雨量。考虑到满足方程要求的自变量，文章根据实际情况选取了适当的阈值：设定自变量显著性水平选入阈值 P 为 0 01，即 P选入 0 01，剔除自变量显著性水平的阈值（P剔除 0 05），且所有回归模型检验 F 值对应的显著性水平非常小（0 001 8）。度量回归方程中变量重要程度的统计量可采用偏R2（拟合程度决定系数）的大小，在回归分析中，其主要作用是评估回归模型对因变量 Y 产生变化的解释程度，一般认为，R2 0 75，表示模型拟合度很好。多元线性逐步回归方程式的建立：对苏 02 井水位、降雨量、开采量等进行多元线性逐步回归分析，根据设定要求引入自变量。第一步，运用回归分析软件对所有自变量进行计算，得出前2年地下水开采量（显著性水平P值为0 000 3）是符合设定要求的显著性变量，得到回归方程：（3）对式（3）进行统计检验，则回归方程检验值 F=17 8，回归方程的显著性水平值为 0 001 8，等于设定值，图 6 苏 02、03 井水位和地下水开采量对比直方图362023 年第 3 期四 川 地 震自变量的偏相关系数检验值（P）为 0 001 8，小于设定值 0 01，回归方程的相关系数为 0 800，拟合决定系数R2为 0 751 6。说明式（3）的线性关系显著。表明前 2 年地下水开采量与苏 02 井水位的线性关系显著。第二步，对剩余的自变量进行计算，得出前 1 年地下水开采量（显著性水平 P 值为 0 000 8）是符合设定要求的显著性变量，得到回归方程：（4）根据设定的自变量的偏相关系数门槛值 P 为 0 01，P选入 0 01，P剔除 0 05，对式（4）进行统计检验，则回归方程检验值 F=24 5，回归方程的显著性水平值为 0 000 2，小于设定值 0 001 8，自变量的偏相关系数检验值 P 分别为 0 000 1 和 0 007 3，均小于设定值 0 01，回归方程的相关系数为 0 919，拟合决定系数 R2为 0 844 6。说明式（4）的线性关系显著。前 1 年地下水开采量可以引入方程，前 2 年地下水开采量引入新自变量后与因变量的相关程度没有发生变化，说明前 2 年地下水开采量、前 1 年地下水开采量与苏 02 井水位的线性关系显著，模型精度较高。继续从当年地下水开采量、当年降雨量、前 1 年降雨量和前 2 年降雨量筛选合适的自变量，偏相关系数检验值分别为 0 407 9、0 593 5、0 551、0 304 2，均大于设定值 0 05。所以当年地下水开采量、当年降雨量、前 1 年降雨量和前 2 年降雨量均不是影响苏 02 井水位上升的显著性变量，前 2 年和前 1 年地下水开采量是影响苏 02 井水位上升的显著变量，式（4）为得出的最优回归方程。苏 03 井水位、降雨量、开采量的多元线性逐步回归分析与苏 02 井方法和结论一致，最后回归分析结果见表 2。表 2 前 2 年和前 1 年地下水开采对苏 02、03 井水位高低影响的多元线性逐步回归分析结果影响因素及年份井孔名相关系数（R）决定系数（R2）F值显著性水平（P）回归方程前2年开采量02井0 800 0 751 617 80 001 80Y=4 175 2+0 526 8X1前2年、1年开采量02井0 919 0 844 624 50 000 20Y=4 217-0 464 1X1+0 911X2前2年开采量03井0 897 0 804 641 20 000 08Y=5 140 3+1 239 4X1前2年、1年开采量03井0 936 0 876 031 80 000 08Y=5 192 1-0 575 2X1+1 715 7X2综上所述，前 2 年地下水开采量和前 1 年地下水开采量与苏 02 井水位的线性关系显著，即自变量与因变量之间的线性关系亦非常显著，预测结果可信度高（赵建明等，2018）。地下水开采量减少与地下水位上升关系密切，但是地下水位上升变化滞后于开采量减少，前 2 年的开采量和前 1 年的开采量对地下水位有显著影响，而降雨量、当年地下水开采量对地下水位无显著影响。5 结论综上所述，得到 3 点结论：（1）2014 年 7 月下旬以来，睢宁苏 02、03 井水位转折上升异常，主要与该区域地下水开采量减少有关。从地下水开采量与水位上升数据对比可知，2014 年以前，地下水开采量较大，呈逐年上升的态势，导致苏 02、03 井水位逐年下降。2013 年 11 月 15 日南水北调东线一期工程正式通水，减少了地下水的开采，同时 2014 年之后徐州市推广城乡供水一体化项目建设，睢宁县自来水公司停止抽取地下水，地下水开采量逐渐减少，这是导致该区域地下水水位快速上升的主要因素。（2）多元线性逐步回归分析法从数理统计的角度全面考虑到影响地下水动态变化的因素，得出诸多因素影响的最优回归方程，前 2 年地下水开采量和前 1 年地下水开采量与苏 02、03 井水位的线性关系显著。分析模型适用于水文地质条件相对复杂的地区，本研究采用的异常识别方法，对其他类似井孔异常判别有一定的借鉴意义。（3）苏 02、03井水位观测资料连续性好，可靠性高，水位动态变化平稳，一定程度上受应力变化、降雨量、地下水开采等因素影响，在今后异常核实中应充分考虑环境干扰对观测数据的影响。参考文献丁风和，刘耀炜，韩晓雷，等 2017 基于井潮、气压效应的苏皖地区突出水位异常分析 J 地震学报，39（2）：248-256胡小静，付虹，李琼 2018 滇南地区近期水位趋势上升异常机理初探 J 地震学报，40（5）：620-631蒋川，陈碧洪，马付红 2022 盐源县龙洞河水位异常的分析与判定 J 四川地震，（2）：25-29372023 年 9 月王秀娟，等：江苏睢宁苏02、03井水位异常变化机理探讨芮雪莲，官致君，杨耀，等 2020 西昌川-03 井水位异常核实与分析 J 四川地震，（4）：42-45石云，刘春平，廖欣，等 2013 潮汐水位振幅和位相变化研究及其在地下水位异常分析中的应用 J 地震学报，35（3）：421-429王俊，刘耀炜，孙小龙，等 2021 苏皖交界北部井水位群体性异常综合分析 J 地震地磁观测与研究，42（1）：93：95王旭升，王广才，董建楠 2010 断裂带地下水位的降雨动态模型及异常识别 J 地震学报，32（5）：570-578张建芝，邢立亭 2010 回归分析法在地下水动态分析中的应用 J 地下水，32（4）：88-90张昭栋，耿杰，高玉斌，等 1993 井水位降雨影响的定量改正 J 地震学报，15（2）：202-207赵建明，李红超，赵亮，等 2018 唐山马家沟矿井水位异常分析 J 地震地磁观测与研究，39（5）：150-156中国地震局监测预报司 2007 地震地下流体理论基础与观测技术 M 北京：地震出版社Discussion on Abnormal Change Mechanism of the Water Level Turning in the Well Su 02 and 03 in Jiangsu SuiningWANG Xiujuan，ZHOU Xuan（Jiangsu Xuzhou Digital Seismic Network Center，Jiangsu Xuzhou 221000，China）Abstract：In order to identify whether the abnormal change of synchronous turning and rising of the static water level of well Su 02 and well Su 03 in Suining County of Xuzhou City since late July 2014 is an earthquake precursor anomaly，through the analysis of rainfall impact，the stress state of the well bore aquifer system，the analysis of the hydrochemical components of the well bore water and the surrounding surface，and the investigation of the groundwater exploitation around the well bore The water level anomaly of well Su 03 is less likely to be affected by stress changes and more likely to be disturbed by environmental factors In order to determine the impact of environmental factors，a reasonable multiple linear stepwise regression model is established The groundwater level，rainfall and groundwater exploitation of the two wells from 2008 to 2021 are compared and analyzed The factors affecting the dynamic change of groundwater are comprehensively considered，and the optimal regression equation is obtained The results show that the groundwater exploitation in the first two years and the first year has a significant impact on the groundwater level，while the rainfall and the exploitation in the same year have no significant impact on the groundwater level The rise of the water level lags behind the decrease of the groundwater exploitationKeyword：rising water levels；regression analysis；groundwater extraction；identify anomalies