宁夏固原东山坡井水位异常分析

Analysis of Water Level Anomaly in Dongshanpo Well, Guyuan, Ningxia

摘要: 文章通过井点背景资料、观测系统检查、水温梯度实验、地下水类型定量诊断分析、井水位频谱分析、同位素与水化学组分分析、地下水运移及影响因素分析、含水层参数计算、降雨荷载影响因素分析、区域应力背景分析等方法，对宁夏固原东山坡井水位2024年7月22日出现的快速上升变化异常进行分析论证。结果显示，此次异常与2024年7月中旬当地出现的集中、雨量充沛的降雨活动有关，综合确认为干扰异常，而非地震前兆异常。

Abstract: This study investigates the rapid water level rise anomaly observed at the Dongshanpo Well in Guyuan, Ningxia, on July 22, 2024, through multiple analytical approaches. These include: Background well data review, Observation system inspection, Water temperature gradient experiments, Quantitative diagnostic analysis of groundwater types, Well water level spectral analysis, Isotope and hydrochemical composition analysis, Groundwater migration and influencing factor analysis, Aquifer parameter calculation, Rainfall loading impact analysis, Regional stress background analysis. The results demonstrate that the anomaly is associated with intensive and abundant rainfall events concentrated in mid-July 2024 in the local area. Comprehensive analysis confirms this event as an interference anomaly, rather than a seismic precursor anomaly.

1. 引言

地下水位观测是捕捉地震前兆特征的有效手段，其作为地壳中普遍 存在的活跃组分，其动态变化能较灵敏地反映地震和构造活动的信息，因此，水位观测成为地震前兆重要观测手段。当地下水动态出现异常变化时，异常干扰的分析工作显得尤为重要，它同时也是准确识别地震前兆异常信息的必要前提[1]-[4]。

固原东山坡井水位受区域季节性降雨影响显著，每年丰水期(7~9月份)降雨时水位出现大幅上升变化，11月份又转折下降。2024年7月22日14时起，东山坡井水位出现快速上升变化，至24日09时到达最高点，之后转为水平趋势，整体上升幅度约7.6 cm (图1)，同井水温该时段正常。鉴于宁夏南部及邻近地区较为复杂的震情形势，该异常变化是地震前兆异常，还是由其他干扰因素所致？针对这一问题，本文分别从观测系统检查、水化学分析、频谱分析、潮汐参数计算、卫星储水量分析、地下水运移及影响因素分析、区域应力背景分析、降雨荷载影响分析等方面进行详尽分析。

Figure 1. Time-series chart of water level in Dongshanpo Well

图1. 东山坡井水位时序图

2. 区域背景资料

固原东山坡井位于宁夏固原泾源县境内，地理位置为东经106.28˚，北纬35.60˚，海拔高度为2028 m。境内六盘山山地包括两列南北走向的山脉。西列为六盘山主山脉，即狭义的六盘山，又谓大关山，海拔一般在2500 m以上，主峰2928m，位于和尚铺西北。东列称小关山，海拔2000~2400 m。大、小关山之间，是一条宽5 km的断陷盆地，观测井就位于该区内地势低洼处。整体上该区域西高东低，南高北低，向北东倾斜。该区域多年平均降雨量为634 mm。降雨季节分配不均，降雨多集中在7~9月，7、8、9月平均降雨量在100 mm以上；12月降雨最少，属半阴湿地区。另外，该区域也是泾河的上游，为泾河源头水系。观测井西100 m处，有两条小溪流过，该处小溪海拔高度为2020 m，小溪从西南向东北流，宽约1.2 m。小溪水从此地流入甘肃平凉汇入到泾河。小溪水的源头在距该村西边5 km六盘山里的大海子，高程2247 m，为基岩裂隙水。

井点位于六盘山新生代断陷谷地内，在两活动断层带附近，即井西约1.2 km处的六盘山东麓逆断层带和井东约10 km处的小关山逆断层带。其中又以六盘山东麓逆断层的规模最大。其中以六盘山东麓逆断层的规模最大。六盘山东麓逆断层带北起硝口以南(固原硝口是海原断裂带东端的终止地)，沿六盘山东簏延伸，总体走向北北西，倾向南西西，向南止于陕西宝鸡，长度近200 km。小关山断层沿小关山背斜的东翼展布，总体走向10˚，长约60 km。断层面向西倾，倾角78˚~88˚。构造条件和地震活动特点方面，该井点位于六盘山地震区的次一级固海地震小区内，该区包括宁夏西海固地区的大部分及毗邻地区。自1920年海原8.5级大地震后，该区中强地震依然十分活跃。

3. 异常调查分析

3.1. 干扰因素分析

通过观测系统工作状态检查，该井使用的SWY-II型数字水位仪的传感器、数采、通讯及电源等当前的工作状态良好。

从区域气象因素、近年来区域地下水的使用和开采等情况、台站周边存在的施工项目等方面进行实地走访调查，调查结果表明：1) 该井水位受区域季节性降雨影响显著，六盘山山前裂隙水及汇聚而成的溪水在7月上旬暴雨后水量明显增加。2) 在枯水期井水位的气压效应和固体潮效应比较明显，而在雨季水位与气压的相关性变差。3) 该井东偏南方向150 m处曾有高速公路隧道口施工，但不会对水位造成影响。4) 台站东南方向8 km处的秦家沟水库蓄水对东山坡井水位影响不大。5) 原州区“互联网 + 城乡供水”项目对东山坡井水位影响不大。6) 泾源县六盘山地区自2022年10以来修建的蓄水厂收集了水源地排泄的泉水，对当地地下水的补给有一定影响，该工程修建完工使用的时间虽与东山坡井水位异常时间有一定吻合，但考虑到引水量不大，对2024年7月22日东山坡井水位出现的上升影响不大，可排除该项目的影响。

3.2. 水温梯度实验

按照每3 m间隔对东山坡井进行了的水温梯度测试，结果显示(图2、图3)：1) 整体上随着井深的增加水温也增高，表现出明显的正梯度，且线性度也非常好。2) 井下25 m、60 m、90 m、125 m、170 m左右，井水温度随深度变化虽以正梯度为主，但井水温度梯度变化幅度相对较大。水温随深度的变化和水温梯度随深度的变化具有一定的同步性，虽然前者表现没有后者明显。3) 结合现场温度梯度测试结果及前述井孔剖面图看，井下25 m和60 m左右，由于套管止水效果(粘土球止水)和封闭性变差，井孔可能与外界有一定的水力联系；井下90 m、125 m和170 m左右，分别位于三个含水层中，该段护壁的套管可能由于长年受井水腐蚀，封闭性也有所变差，该深度段内可能与外界也有一定的水力联系所致。4) 由于水温仪线缆长度不够(小于井深)，井下182 m以下没有水温梯度测量结果。

Figure 2. Curve of water temperature changing with depth in Dongshanpo Well

图2. 东山坡井水温随深度变化曲线

Figure 3. Curve of water temperature gradient changing with depth in Dongshanpo Well

图3. 东山坡井水温梯度随深度变化曲线

3.3. 滞后时间与阶跃响应函数分析

从东山坡井2017~2024年时段的水位对气压的滞后时间(12 h)和水位对气压的阶跃响应函数的关系可以看出(图4)：二者间存在明显的以e为底的指数函数形式，即$A\left(i\right)=a{\text{e}}^{bi}+c$ 。1) 在第一象限内，其滞后时间i (定义域)的范围为0~12 h，值域阶跃响应函数A(i)的范围为0~1。2) 随着水位对气压的滞后时间的增大，该井水位对气压的阶跃响应函数则呈增加趋势。这表明底数e前的系数a < 0时，水位对气压的阶跃响应函数，随着水位对气压的滞后时间的增大而增大，该井井–含水层系统地下水类型为承压水[5]。

3.4. 井水位频谱分析

选取2020年以来东山坡井水位整点值数据，得到水位的频谱结果(图5)，通过频谱分析发现，引起东山坡井水位变化的主要潮汐分波主要有M₂波、S₂波、K₁波、O₁波。其中，S₂波和K₁波由气压引起。M₂波和O₁波由日月引潮力引起，更真实更稳定。另外，从地下水类型和潮汐波预期响应的关系及东山坡井原始水位的频谱结果判定来看(表1)，该井含水层系统地下水类型为承压水。

Figure 4. Relationship between the step response function of water level to air pressure and the lag time in Dongshanpo Well

图4. 东山坡水位对气压的阶跃响应函数与滞后时间的关系

Figure 5. Amplitude spectrum of main tidal components of water level in Dongshanpo Well

图5. 东山坡水位的主要潮汐分波振幅谱

Table 1. The relationship between groundwater types and the expected response of tidal waves, and the determination results of the Dongshanpo Well.

表1. 地下水类型和潮汐波预期响应的关系及东山坡井判定结果

序号	潮汐波分量	地下水类型和潮汐波预期响应			东山坡井结果
		承压水	半承压水	非承压水
1	O1	有	可能有	没有	有
2	K1	有	有	可能有	有，较显著
3	M2	有，且显著	有	没有	有，较显著
4	S2	有	有，且显著	可能有	有，较显著
5	N2	有	可能有	没有	有

3.5. 水化学组分分析

对东山坡井近几次水化学离子样品测试结果进行分析，根据舒卡列夫分类，东山坡井2018年7月与2024年4月2期水样都属于${\text{HCO}}_3^{-}-{\text{CO}}_3^{2-}-\text{Na}+\text{K}$ 型水，且井水的阴阳离子差异不大，说明今年与往年水化学类型变化不大(图6)。

Na-K-Mg三角图用于将地下水分为完全平衡，部分平衡和未成熟水三种类型，可以较好地用于解释水的起源。将样品数据点投到Na-K-Mg三角图中，结果表明，东山坡井2期数据均处于“部门平衡水”范围内(图7)，表明该井地下水除了大气降水的补给外，还有较深层地下水的混入，水–岩之间尚未达到离子平衡状态，水岩作用仍在进行。

Figure 6. Three-line diagram of hydrochemical ions in each period of Dongshanpo Well

图6. 东山坡井各期水化离子三线图

Figure 7. Trilinear diagram of hydrochemical ions in each period of Dongshanpo Well

图7. 东山坡井各期水化离子三角图

Figure 8. Test results of hydrogen and oxygen isotopes in Dongshanpo Well water in August 2018 and April 2024

图8. 2018年8月与2024年4月东山坡井水氢氧同位素测试结果

氢氧稳定同位素的变化特征能表明地下深部热流活动状态。从同位素测试结果来看(图8)，井水同位素靠近全国大气降水线且偏正下方，表明该井除受区域降雨影响外，还受碳氢化合物交换的影响。大气降雨成因，即主要接受大气降雨补给。东山坡井水氢氧同位素测值偏大气降水线右侧，呈δ¹⁸O正向漂移，表明地下水与围岩介质发生了水–岩反应。

3.6. 水位潮汐参数计算分析

潮汐因子变化反应的是介质物性的变化，通过对潮汐因子的研究发现，一旦介质物性发生变化，潮汐因子就会发生明显变化。即井水位固体潮潮汐变化可以在一定程度上能够反映周围区域构造应力应变和含水层的介质参数变化。在潮汐波波群中，M₂波相对来说占了整个波群中相当大一部分，而且其变化比较稳定，所受其他因素的干扰较小，所以分析潮汐因子变化时我们主要分析半日波群和M₂波的潮汐因子变化[5]。

依据前述频谱分析可知，该井水位的半日波中M₂波与S₂波的振幅最大，为此我们利用维尼迪柯夫调和分析程序获得了东山坡井水位M₂波和S₂波的潮汐因子和相位滞后等参数。结果表明：自2021年以来，除2023年底受人为干扰导致M₂潮汐因子有所下降外，其余时段没有出现明显的异常变化，表明今年含水层介质参数变化比较稳定(图9，图10)。

3.7. 基于图解法的部分含水层参数计算与分析

利用前述维尼迪科夫潮汐调和分析法得到的潮汐参数(相位滞后、潮汐因子和观测幅度)，通过解析计算和图解法同时求取出导水系数T与储水系数S [6]。具体公式如下：

在已知振幅A和相位$\eta$ 的情况下，可以利用以下公式求出E和F。

Figure 9. Time-series curves of the M₂ wave tidal factor (upper) and phase lag (lower) of the original water level in Dongshanpo Well since 2020

图9. 2020年以来，东山坡井原始水位的M₂波潮汐因子(上)和相位滞后(下)时序曲线

Figure 10. Time-series curves of the S₂ wave tidal factor (upper) and phase lag (lower) of the water level in Dongshanpo Well since 2020

图10. 2020年以来，东山坡井水位的S₂波潮汐因子(上)和相位滞后(下)时序曲线

$E=\sqrt{\frac{1}{A^2\left[1+{\tan }^2\left(-\eta \right)\right]}}$ (1)

$F=\tan \left(-\eta \right)\sqrt{\frac{1}{A^2\left[1+{\tan }^2\left(-\eta \right)\right]}}$ (2)

然后依据a_w和W(a_w)的曲线关系，使用以下函数反求a_w的数值。

$W\left(a_w\right)=-\frac{\psi Ker\left(a_w\right)+\varphi Kei\left(a_w\right)}{\varphi Ker\left(a_w\right)-\psi Kei\left(a_w\right)}=\frac{E-1}{F}$ (3)

接着，再利用a_w和J(a_w)的关系曲线及以下函数获得导水系数T。

$J\left(a_w\right)=-\left[\psi Ker\left(a_w\right)+\varphi Kei\left(a_w\right)\right]=\frac{2T\left(E-1\right)}{\omega r_c^2}$ (4)

$T=\frac{\omega r_c^2}{2\left(E-1\right)}J\left(a_w\right)$ (5)

进一步根据a_w的定义，得到储水系数S。

$S={\left[\frac{a_w}{r_w}\right]}^2\frac{T}{\omega }$ (6)

图解法计算的东山坡井2020年以来的导水系数T与储水系数S结果表明(图11、图12)：两者在2023年底分别出现了低值下降与高值凸跳变化，分析认为该变化与人为更换仪器有关。其余时段自2021年以来总体变化较为稳定，未见明显异常显示，由此表明近期地下含水层应力变化稳定，该结果与上述水位潮汐参数计算相一致，由此表明，此次出现的水位异常与含水层应力变化无关。

Figure 11. Time-series curve of the transmissivity of Dongshanpo Well since 2020

图11. 2020年以来，东山坡井导水系数时序曲线图

Figure 12. Time-series curve of the storage coefficient of Dongshanpo Well since 2020

图12. 2020年以来，东山坡井储水系数时序曲线

3.8. 卫星储水量分析

本报告获取了东山坡测点所在区域2018年6月至2024年4GRACE RL06 CSR mascon陆地等效水高网格月产品数据，时间分辨率为1个月，数据形式是陆地水储量异常(Terrestrial Water Storage Anolamy, TWSA)。结果显示，2018年至2022年6月区域水储量主要分布在0值以上，2022年6月以来至今，水储量呈亏损状态，2023年10月以来亏损状态有所缓解。东山坡井水位自2022年7月以来出现了雨季未上升的破年变异常，通过卫星数据计算结果显示该区域地下储水量也于2022年7月出现亏损，由此表明东山坡井2022年7月以来出现的水位破年变现象与区域地下水量整体下降有关，该现象与降雨量下降密切相关(图13)。

Figure 13. Variation diagram of satellite-measured water storage in Dongshanpo Well since June 2018

图13. 2018年6月以来，东山坡井卫星储水量变化图

3.9. 降雨荷载影响分析

多年观测经验表明强降雨会对东山坡井水位观测资料有一定的影响，从而导致水位形态异常。梳理近年资料发现，在2019年至2022年随着雨季降雨量增大，东山坡井水位也会随之发生不同程度的明显上升变化(图14)。从2020年以来东山坡井水位与降雨量对比资料来看，2024年7月份泾源县降雨较为明显，短期来看，今年以来固原东山坡井水位与降水量的对比图显示，单日降雨量明显偏大，与水位上升变化有较好的对应关系。因此初步推测，此次东山坡井7月22日水位快速上升变化与7月20日集中大量降雨有关。

为了消除降雨对水位的影响，本文采用卷积滤波法消除降雨的影响。卷积滤波可以用来处理一个系统对外来干扰的响应，尤其是时间滞后“记忆”影响的响应，它能较好地把干扰对系统的“记忆”影响消除。图15为采用采用卷积滤波法扣除降雨的水位月均值与原始水位月均值对比图(黑色为原始水位，蓝色为矫正后的水位)。从图中可以看出，2024年7月，东山坡井水位月均值出现快速上升，而扣除降雨后的拟合值明显转平，由此表明，2024年7月22日东山坡井水位快速上升一定程度受到降雨的影响。

Figure 14. Comparison chart between the daily average water level of Dongshanpo Well and monthly rainfall from 2017 to the present

图14. 2017年至今东山坡井水位日均值与月降雨量对比图

Figure 15. Monthly variation diagram of water level in Dongshanpo Well with rainfall effects eliminated by convolution filtering method

图15. 采用卷积滤波法消除降雨效应的东山坡井水位月变化图

大气降雨对井水位观测的影响比较复杂，主要通过降水渗入补给和地表荷载两种作用影响井水位的变化。降雨入渗补给是指降雨后水分子在重力作用下沿孔隙向下入渗，补给地下水，从而使地下水位上升。

对承压含水层而言，大气降雨的荷载作用主要是指，大气降雨过程中地表形成“雨被”，对地面施加了重量荷载，增加部分的重量荷载以附加应力的形式作用于承压含水层，使得含水层压缩，孔隙压力增大，井水位上升。降雨对井水位的影响比较灵敏，降雨量对含水层压力的影响总是要滞后一段时间，雨荷作用对井水位影响的时间远远要比降雨入渗补给的时间短得多[7]。

本文通过滞后时间与阶跃响应函数分析、井水位频谱分析等方法，综合确定东山坡井含水层系统地下水类型为承压水。另外，根据东山坡井孔柱状图来看，该井含水层深度较深，为古近系砂岩，岩性主要是泥质砂岩和砂质泥岩互层、半胶结细砂岩，含水层上部是较致密的砂质泥岩构成了隔水顶板，承压性较好。加之根据以往观测经验，强降雨后东山坡井水位在短时内(2~3 h)出现快速上升。因此分析认为，东山坡井水位主要受到降雨荷载影响。

为了进一步分析降雨荷载对东山坡井水位的影响程度，本报告下载与收集了东山坡井2017年1月以来水位月均值与月降雨量资料，统计了其中每一次集中降雨时段的降雨量、水位变幅，并根据降雨及影响特征，计算了月降雨量大于30 mm降雨影响系数，其中降雨影响系数为水位变幅与降雨量之比，即单位降雨量位的变化幅度。将降水系数大于0.5时段对应的月降雨与水位变幅列于表2中。

Figure 16. Fitting relationship diagram between water level and rainfall in Dongshanpo Well

图16. 东山坡井水位与降雨拟合关系图

通过分析发现(图16)，降雨量加载对东山坡井水位的影响呈明显的线性关系，降雨时段内降雨量越大，水位变幅越大，且降雨系数大于0.5时，东山坡井的水位上升较为明显。从表2可以发现，2021年10月至2024年6月期间，东山坡井的降雨系数普遍小于0.5，降雨荷载对井水位的影响有限，从而导致水位上升不明显，而当降雨系数普遍大于0.5时，水位上升明显，资料出现大幅上升变化，即东山坡井降雨影响系数大于0.5时，水位上升较为显著。从这一方面也能解释该井水位2022年、2023年雨季并未出现上升。

3.10. 地下水运移及井水位上升示意图

结合井孔剖面资料、水文地质资料、气象资料、温度梯度测量结果和环境干扰情况调查结果等分析

Table 2. Monthly rainfall and water level variation amplitude corresponding to the period when the rainfall influence coefficient of Dongshanpo Well is greater than 0.5

表2. 东山坡井降雨影响系数大于0.5时段对应的月降雨与水位变幅

年月	降雨(mm)	水位变幅(mm)	降雨影响系数
201708	233.6	144	0.62
201806	199.7	75	0.38
201807	231.9	268	1.16
201808	235.6	168	0.71
201907	129.3	80	0.62
201908	300.8	206	0.68
201909	171.6	152	0.89
202008	282.3	244	0.86
202009	111.9	108	0.97
202109	174	106	0.61
202407	218.9	114	0.52

认为：1) 东山坡井井下25 m、60 m、90 m、125 m、170 m左右，井水温度随深度变化虽以正梯度为主，但井水温度梯度变化幅度相对较大(这些部位井孔的封闭性变差，可能与外界有较强的水力联系)。2) 由于观测井位于大、小关山之间的断陷谷地内，较低的地形条件，成为地下径流汇集的有利地带，利于地下水向井水汇集。井水补给主要为东、西、南基岩山区的侧向径流补给和大气降水补给。该观测井东北的地势更低，地下水通过井区向东北方向流。3) 东山坡井水位主要受降雨荷载影响，雨季时，降雨在地表形成降雨荷载，这一荷载对含水层产生了垂直向应力变化，致使含水层发生压缩，孔隙水压增高从而使得水位上升(图17)。

Figure 17. Schematic diagram of groundwater migration and well water level rise around Dongshanpo Well

图17. 东山坡井周围地下水运移及井水位上升示意图

3.11. 区域应力背景分析

利用GNSS测站时间序列数据，计算了东山坡井附近GNSS基线变化，分析了单站和周边GNSS基线时间序列异常基线分布(图18，图19)。结果显示固原–彭阳站自2021年6月起N向转折上升，呈N向运动，E向转折下降，呈W向运动，即呈NW向运动，其余基线均无异常，表明六盘山断裂带附近短期内应力应变状态未发生改变。

Figure 18. Distribution map of GNSS continuous observation stations in Ningxia and its surrounding areas

图18. 宁夏及周边GNSS连续观测站分布图

Figure 19. Time-series diagram of the cross-fault GNSS baseline (Guyuan-Pengyang)

图19. 跨断层GNSS基线时序图(固原–彭阳)

4. 结论

通过井点历史资料、现场对观测系统工作状态检查、环境干扰情况调查、地下水类型定量诊断分析、同位素与水化学组分分析、同井水温资料对比分析、地下水运移及影响因素分析、含水层参数计算、降雨荷载影响因素分析、区域应力背景分析和区域其他前兆异常对比分析等，固原东山坡井水位2024年7月22日出现的快速上升变化与当年7月中旬出现的集中、雨量充沛的降雨活动有关，综合确认为干扰异常。后续需密切跟踪和做更深入的分析。

基金项目

宁夏自然科学基金项目(2023AAC03814)。