引言

云南地区自2015年1月9日开始出现了一批短期同步地下流体宏微观异常变化现象,如滇南地区的建水、澄江、泸西水位,江川、曲江水温,滇西地区洱源水位,滇西南地区的孟连水位、镇源水温、普洱离子等 (图 1)。而云南地区2015年1月8、9日普降大雨、雪,该群体异常的出现,是降雨影响还是属于前兆异常,引起许多学者的关注。


图 1 云南地区2015年1月份水位出现同步变化现象 Fig. 1 Synchronous change of water level in the Yunnan region, January 2015

地下水位易受降雨、气压、固体潮、地应力等多种因素影响 (张昭栋等,1989Zhang等,1993魏焕等,2003车用太等,2006)。前人对气压、固体潮、地应力等因素对地下水位变化的影响进行了许多深入的研究,并尝试利用相关数学模型方法,半定量或定量地分离和排除其引起的水位变化 (鱼金子等,1994车用太等,2006付虹等, 2007, 2014杨竹转等;2008张立等, 2009, 2011陈亮等,2012张体移等,2012赵栋,2013孙小龙等,2013),而地下水位变化与降雨量的关系较为复杂,受多种因素影响,表现为水位变化与降雨同步、滞后或基本无变化,难以较好地定量分离降雨量对水位的影响。巨幅流体异常的出现是判定未来强震孕育区的依据之一,本文试图分析降雨量与水位变化的关系,排除干扰因素,确认前兆异常,跟踪分析强震孕育区。

1 数据选取和井孔概况

本文以位于小江断裂带、石屏-建水断裂带、红河断裂带等交汇部位的澄江井和建水井为例 (图 2),选取自2012年以来的年、月、日水位和降雨量数据,分析了滇南地区的降雨量与水位变化的相关关系。由于澄江井的日降雨量没有观测数据,以附近江川井 (距离约46km) 的数据代替。下面介绍3个井孔的基本情况。


图 2 澄江井和建水井的地理位置及构造简要图 Fig. 2 Location of two wells (Chengjiang and Jianshui) and their surrounding geology background

澄江井 (一中) 位于澄江盆地西北部,小江断裂带南段西支的次级断裂上,坐标为102°53′E,24°40′N,井深310m。基岩岩性为侏罗系下统冯家河组灰色、深灰色灰岩和硅质条带灰岩,地下水为基岩裂隙水,水位主要受降雨量影响。

江川井 (渔村) 位于小江断裂带南段西支的次级断裂上,坐标为102°45′E,24°20′N,井深180.42m。基岩岩性为新近系灰色泥岩夹细砂岩层。水位受降雨量、北侧的河流、地下水等因素影响,变化较大。本文只分析降雨量对其水位的影响。

建水井 (黄龙寺) 位于石屏-建水断裂的东端南缘,坐标为102°45′E,23°39′N,井深180m。基岩岩性为泥盆系中统灰色、深灰色泥岩夹砂砾岩层,地下水为基岩裂隙水,径流途径长,补给来源较远,水位基本不受地下水影响。

2 资料分析

从数据中分别提取水位变化量较大时对应的降雨量,以及降雨量较大时对应的水位变化量,剔除空值和水位仪器校正值等人为因素造成的影响,统计分析降雨量与水位变化量间的关系,确认前兆异常现象。

澄江井和建水井所处地区均属亚热带大陆性气候,气候温和湿润。据2000—2014年的数据统计,建水井和澄江井的年降雨量分别为548—1163mm和693—1068mm。各年间的降雨量差异较大,降雨量≥100mm的月份主要集中在5—9月。

2.1 降雨量与水位年变化的关系

降雨对澄江井水位的影响主要表现为2012年在雨季为峰谷型 (升—降—升),2013和2014年随着雨季到来显著上升,雨季过后下降 (图 3);水位年变幅度逐渐变大,由0.55m变大为1.93m。建水井2012年为谷峰型 (降—升—降),2013年水位变化较小 (下降0.05m),2014年随着雨季到来显著上升,雨季过后下降 (图 4);水位年变幅度在2014年达到0.40m。


图 3 澄江井水位与降雨量的同轴曲线 (月均值) Fig. 3 The coaxial curves of hydrostatic level and rainfall in Chengjiang well (monthly mean)

图 4 建水水位与降雨量的同轴曲线 (月均值) Fig. 4 The coaxial curves of hydrostatic level and rainfall in Jianshui well (monthly mean)

提取水位年变化量较大时对应的降雨量,对其关系进行一元回归分析 (图 5),得到澄江井的水位年变化与雨季降雨量的相关系数为0.9941;建水井的水位年变化与雨季降雨量的相关系数为0.9391。反映了滇南地区的水位年变化受雨季降雨影响较大,且相对稳定。


图 5 雨季降雨量与水位年变化量的关系 Fig. 5 Relationship between rainfall and annual variation of water level
2.2 降雨量与水位月变化的关系

降雨对水位月动态影响多集中表现在雨季 (5—9月),水位随着季节性降雨过程而起伏,差异较大 (图 6图 7)。从2012—2014年的统计数据可以看出,江川井有74次日降雨量≥10mm,最多一次为2014年6月6日,降水量71.8mm,而同期澄江井有35次日静水位变化≥5cm;建水井日降雨量≥10mm有32次,而同期日静水位变化≥5cm只有7次。可见发生较大降雨不一定对水位变化有影响。


图 6 澄江水位与江川降雨量的同轴曲线 (日均值) Fig. 6 The coaxial curves of hydrostatic level in Chengjiang well and rainfall in Jiangchuan well (daily mean)

图 7 建水水位与降雨量的同轴曲线 (日均值) Fig. 7 The coaxial curves of hydrostatic level and rainfall in Jianshui well (daily mean)

前人研究认为,气压、固体潮等因素对地下水位的影响一般在5cm左右 (Zhang等,1993魏焕等,2003张昭栋等,1993赵栋等,2013),因此本文选取水位月变化量≥5cm时对应的降雨量数据进行统计。对降雨量及水位月变化量进行一元回归分析,得到澄江井的水位月变化与月降雨量的相关系数为0.1366(图 8(a)),建水井的水位月变化与月降雨量的相关系数为0.1277(图 8(b))。这反映了滇南地区的月降雨量对水位月变化受有一定的影响,但相关性不高。


图 8 月降雨量与水位月变化量的关系 (a澄江井,b建水井) Fig. 8 Relationship between rainfall and monthly variation of water level
2.3 日降雨量与水位变化的关系

水位日变化与降雨量的关系较为复杂。一般来说,降雨量较大时,水位会明显上升,但有时候反而下降,表现为异常现象 (图 9图 10)。提取水位日变化量较大时对应的降雨量,对其关系进行一元回归分析 (图 11),得到澄江井的水位日变化与江川井日降雨量的相关系数为0.002;建水井的水位日变化与日降雨量的相关系数0.0018。这反映了滇南地区的日降雨量与水位日变化之间难以确立定量关系,随机分布较大。但澄江井的数据多集中在降雨量5—30mm,水位日变化5—20cm,占统计数据的77.1%。


图 9 澄江水位 (整点值) 与江川降雨量 (日均值) 同轴曲线 Fig. 9 The coaxial curves of hydrostatic level in Chengjiang well (hourly mean) and rainfall (daily mean) in Jiangchuan well

图 10 建水水位与降雨量的同轴曲线 (整点值) Fig. 10 The coaxial curves of hydrostatic level and rainfall in Jianshui well (hourly mean)

图 11 日降雨量与水位日变化的关系 (a澄江井,b建水井) Fig. 11 Relationship between rainfall and daily variation of water level

此外水位变化表现为与降雨过程同步、滞后或者基本无变化等,具有多变性,这可能与降雨时间和空间的不均匀性,以及方式的多变性有关。建水井在发生较大的降雨时,水位变化一般滞后1—2小时 (图 12);澄江井没有整点观测的降雨量数据,不作说明。


图 12 建水井水位与降雨量的整点值同轴曲线 Fig. 12 The coaxial curves of hourly mean value of hydrostatic level and rainfall in Jianshui well

水位日变化与降雨量的关系复杂,还与观测井的水文地质条件有关。澄江井和建水井基岩主要是灰岩,内部可能发育溶蚀现象,使其渗透性发生改变。此外周围小江次级断裂和石屏-建水断裂带、与降雨补给区的距离等因素可能影响水位的变化。

3 前兆异常信息提取

与降雨量相关的水位变化前兆异常主要包括水位变化幅度和变化时间等方面。剔除观测井的水文地质背景、降雨时空分布、外界环境干扰等影响因素后 (车用太等,2011),可作为前兆异常跟踪。

3.1 水位变化幅度的异常

在雨季 (5—9月),2014年澄江井的水位年变幅度为1.93m,偏离2012年和2013年同期幅度的103.3%和102.8%;建水井的水位年变幅度为0.40m,偏离2012年和2013年同期幅度的66.9%和170.2%,破坏正常年变规律,可提取为前兆异常信息。小江断裂带北段发生的2014年8月3日鲁甸Ms6.5级地震和红河断裂带以西发生的2014年12月6日景谷Ms6.6级地震前,水位变化幅度较大 (图 3图 4)。

3.2 水位变化时间的异常

一般来说,澄江井和建水井的水位在雨季上升,旱季下降。2012年澄江井在7月呈下降状态,建水井在5—7月呈下降状态;而2013年建水井在6—12月呈趋势下降状态,破坏正常雨季上升规律,可提取为前兆异常信息,对应小江断裂带北段发生的2012年9月7日彝良Ms5.6、5.7级地震和红河断裂带北段发生的2013年8月31日中甸Ms5.9级地震 (图 3图 4)。

2012—2014年澄江井和建水井的水位前兆异常特征见表 1。2014年景谷Ms6.6级地震的水位异常距离发震时间稍长,大于3个月。其它地震,如彝良Ms5.6、5.7级地震、中甸Ms5.9级地震和鲁甸6.5级地震的水位异常时间在3个月内,属于短期异常,这对确定地震危险区很有帮助。此外,水位发生较大变化时,若没有降雨补给或降雨量很小,或早于降雨开始时间等,可作为前兆异常跟踪,但要注意井区与降雨补给区的距离因素。

表 1 水位前兆异常特征 Table 1 Characteristics of the precursory anomalies of water level
3.3 2015年1月云南地区水位同步转折上升现象的分析

云南地区2015年1月8、9日普降大雨、雪,洱源、建水、澄江、泸西、孟连地区这两天的降雨量较大,分别为20.6mm、59.8mm、61mm、44.2mm、117.3cm。洱源、建水和孟连井水位在1月9日开始转折上升,澄江井水位在1月9日先下降、10日才开始上升,孟连井水位在1月10日才显著上升,反映了水位变化受降雨影响的多变性。洱源和建水井水位在1月10日开始下降并逐渐恢复到正常水平,澄江和泸西井水位在1月12日转折后未恢复 (图 1)。孟连地区在1月17—20日又有一次降雨过程,降雨量达55.1mm,井水位在15日小幅转折后,19日再次上升,24日开始下降并逐渐恢复到正常水平 (图 13),反映了该群体水位同步转折上升现象是由于降雨影响所致。


图 13 孟连水位与降雨量的同轴曲线 (日均值) Fig. 13 The coaxial curves of hydrostatic level and rainfall in Menglian well (daily mean)
4 结论与讨论

本文通过对澄江井和建水井的降雨量和水位观测数据进行统计分析,得到以下认识:

(1) 滇南地区的降雨量与水位变化的关系。水位年变化与雨季降雨量之间的线性关系较好,影响相对稳定;水位月变化与月降雨量之间有一定的线性关系,但相关性一般;水位日变化与日降雨量之间则难以确定定量关系,随机性较大。

(2) 滇南地区的降雨量对水位变化的影响较为复杂,表现出与降雨过程同步、滞后或者基本无变化等多变性。这可能与降雨时间和空间的不均匀性、降雨方式的多变性、观测井的水文地质条件、区域断裂带活动影响以及降雨补给区的距离等因素有关。

(3) 对澄江井和建水井2012—2014年的水位异常信息进行提取,并对其映震情况进行了总结,认为滇南地区与降雨量相关的水位变化前兆异常,主要包括水位变化幅度和变化时间等方面。

(4) 分析认为2015年1月云南地区水位同步转折上升现象,是受降雨干扰影响。因此及时排除降雨等相关干扰因素,对确定地震危险区很有帮助。

此外,观测井内部水文地质条件的变化,井区降雨量数据的不准确以及水位观测资料不连续等,可能对结果有影响,需要对其进行进一步分析研究。

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