0 引言

水位是对地壳介质应力改变较敏感的地下流体测项，许多井泉的水位在震前有过异常变化。通过分析异常水位进行地震预测，特别是对地震进行短临预测，具有重要价值与意义(国家地震局监测预报司，1997)。中国地震部门进行水位观测的历史较悠久，经过“九五”“十五”项目的实施，我国大部分水位观测已由模拟化升级到数字化。同以往模拟水位观测相比，数字化水位观测具有数据采集信息量大、数据传输速度快、人为误差小等优势，水位高频短周期数据量加大，为捕捉地震短临异常信息提供了更加有利的条件(张素欣等，2002)。但是数字水位观测更容易受到干扰，部分数字化水位观测中的非震兆异常因素与模拟观测相似，例如地下水超采、观测井周边基建等人为因素对观测井的封闭性及承压性造成破坏，然而更多还是由数字水位仪自身原因造成的，例如数字水位仪主机故障或外壳漏电探头故障等，或者源于与仪器运行密切相关的供电系统故障及雷害，相比较而言，数字化水位异常的原因更复杂、更令人难以捉摸。

永安冷冻厂深井于2012年7月安装SWY-Ⅱ数字水位仪，该数字水位仪是中国地震局台站背景场项目选用的观测仪器，福建地区仅有一台(全建军等，2015)。永安井数字水位仪经过几年的运行，仪器和技术系统运行已基本稳定，记录了大量、连续、含有丰富地下水位信息的原始观测数据。目前仪器运行正常，能清晰记录到半日波、半月波固体潮形态，对国内外震级较大的远震也具有良好的映震能力。但仪器稳定运行的同时，永安井数字水位观测资料却受到各种因素干扰，例如人为因素、环境因素等，主要体现在日变曲线发生畸变，在某些时间段发生单点突跳、小凸起、台阶以及曲线大范围的毛刺、不光滑等，通过分析和总结各类干扰因素对观测资料造成的影响，可以更加迅速地找出畸变出现的原因，排除干扰因素，提高地震前兆数据质量，为准确识别地震前兆异常提供必要保障。

1 永安井地质构造概况

永安冷冻厂深井(以下简称永安井)于1978年5月—12月由福建省水文队施工完成，是中国东南沿海最深的地震地下水动态观测井，井深约1 000.44 m(陈小云等，2006)。永安井地处华南断块区以压性为主的NNE向政和—海丰断裂带以及以张扭性为主的NW向永安—晋江断裂带交汇处附近(图 1)。永安井井孔附近岩石不易透水，且地表是由无水份的砂砾粘土为主的坡积层形成，从而构成天然的优质顶板，具备良好的封闭效果。井孔地层结构为井深5.2—400 m是第三系—白垩系上统赤石群，岩性为紫红色砂岩；井深400—1 000 m是侏罗系上统南园组，岩性为凝灰岩层；含水层分布在井深70—552 m处，为混合承压水(图 2)。永安井的水位动态较为平稳，年变幅为1 m上下，能清晰记录地震波、固体潮以及气压等地壳应力—应变信息，是福建省为数不多的A类地震观测水井(黄跃进等，2007)。

2 永安井正常动态变化

永安井数字水位仪日常记录的应变曲线光滑，固体潮清晰，分钟值曲线噪声较低，日变规律明显，具有良好的周期特征。通过对井水位的潮汐变化进行分析，可以知道区域构造活动信息等，为地震预报及科学探索等工作提供基础资料。永安台数字水位仪2013年运行至今，仪器运行良好。永安井数字水位整点值同理论固体潮曲线见图 3，可知永安井全月测值波动平稳，具有显著的潮汐效应，记录的半日波与日波较为完整，且与理论固体潮较为吻合。

3 观测资料干扰分析

永安井数字水位仪自2012年7月观测以来，仪器工作平稳，可以清晰记录固体潮改变以及大震级的地震面波，每日的固体潮曲线较为平滑，毛刺突跳现象较少。但在平时观测资料会受到各种因素干扰，例如水位与降雨、气压之间具有明显的对应关系，受不同因素干扰的观测曲线也有不同表现，在观测资料出现异常时，台站工作人员会及时落实异常并填写相关工作日志。

3.1 气压突变干扰

短时气压的急剧变化可能对数字水位仪观测资料造成影响，具体体现在，气压日均值绝对变化量高于某个数值后引起水位值的突升或突降(邱永平，2011)，在以往观测中不乏此类现象。车用太等(1985)提出：“承压井水位对大气压力的响应，是由于大气压力对井孔水位面和承压含水层施加了附加压力，引起井孔中水所承受的大气压力增(减)量大于含水层中水的孔隙压力增(减)量，井含水层系统为达到力平衡而引起水的互相渗流，从而引起观测井孔中水位的动态改变”。相关研究也表明，在静水位观测井中，气压效应比较明显，表现为气压增大时，井孔水位下降；气压减小时，井孔水位上涨，即水位变化与气压变化之间呈负相关关系。永安井数字水位仪观测资料同样受到气压变化影响，如：2014年8月19日15时45分，永安井气压突然急速上升，至16时19分，气压从984.5 hPa上升到986.7 hPa，之后快速恢复到正常日变，见图 4。由图 4可见，此次气压突变对数字水位仪观测数据曲线造成显著影响，比气压变化滞后一段时间，水位观测数据16时47分开始下降，至17时20分从6.848 m下降至6.879 m，水位观测数据曲线出现明显畸变。

由图 4可知干扰特征为：由气压变化带来的影响在数字水位仪数据曲线上会有所体现，结合气压变化的情况，在其短时剧烈变化时，观测曲线呈现与气压相反的变化趋势，但数据变化时间段比气压变化滞后一段时间，滞后时间一般不超过3小时；且气压急速下降或上升，都会对应形成明显的“尖峰”或“尖谷”型畸变，水位仪观测曲线会在气压变化稳定之后恢复正常日变。

3.2 强降雨干扰

在地震地下水动态观测过程中，约90%的观测井水位会受到降雨干扰，进而对地震前兆信息的识别造成影响(车用太等，1993)，为此许多学者做了大量工作，研究降雨对井水位动态的影响是重要而迫切的任务。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以及地表荷载2种作用影响井水位的变化。张凤楼等(2001)研究得出，降雨对深、浅井水位的影响机理不同，浅井主要受降雨渗透作用影响，深井主要是降雨荷载起作用。

永安井为降雨渗入补给，但从水动力学理论分析，一个承压含水层往往上覆相当厚的岩层，其重量与含水层骨架对其反作用力及承压水作用在隔水顶板上的动水压力保持平衡。由于相互之间经历长期地质作用，在其上覆岩层重量未发生改变前，二者一般处于平衡状态，如果上覆岩层重量因其他原因发生变化，则这种平衡状态被破坏，并达到一个新的平衡。笔者用简化公式来表示，即

$\sum {P = p + W} $

式中，$\Sigma P$代表上覆岩层总压力，p代表承压水含水层流体压力，W代表岩层骨架承受力。当地面降雨较大，地面重量势必发生变化，假设因降雨地面重量增加量为Δp，则平衡式为

$\sum {P + \Delta p = \left( {p + W} \right) + \Delta p} $

因重量变化不大，其中加在岩层骨架上的Δp可忽略不计，因此上覆岩层所增加压力势必由含水层流体压力来承担，为了达到一个新的平衡，含水层流体压力由原来的P变为Δp + P，可见压力增加，水头势必抬升。这种观点从水动力学中的弹性贮存理论上也可以解释，即承压含水层减压时造成弹性释放，含水层水头降低，增压时造成弹性贮存，含水层水头上升。不难理解，地表降雨荷载加大，上覆岩层重量增加，引起承压含水层水头上升现象。

图 5给出永安井2015年7月静水位与降雨量的整点值曲线，可以看到，该井水位月最高值与最低值相差385 mm；上旬、下旬因降雨补给多，测值呈缓慢趋势性上升；中旬降雨补给少，测值呈缓慢趋势性下降。7月3日02:00永安开始普降暴雨，12小时内降雨量达59.5 mm，受到降雨滞后影响，当日13:10后永安井水位上升270 mm，使曲线产生一个阶跃，4日13:38恢复正常；22日00:00永安再次普降暴雨，10小时内降雨量达47.4 mm，受降雨滞后影响，永安井水位14:21至21:27升高100 mm，曲线再次出现一个小阶跃。由图 5可见，永安井2015年7月数字水位曲线出现2个阶跃异常，但幅度均不大。

降雨干扰表现为水位固体潮日变曲线出现畸变，呈压性上升变化。由于永安井封闭条件较好，观测井周围降雨后，水位观测数值并非马上随之变化，而是在1—3小时后开始变化，变化的持续时间与降雨量大小有关。降雨量越大，持续时间越长，反之，持续时间越短。井水位变化持续时间还受含水层渗透系数影响，基本呈正比例关系。

3.3 外壳漏电干扰

漏电主要是仪器外壳与市电火线间因某些因素接连后，与大地之间存在一定电位差导致，也可能是因为仪器电路板上分布电容漏电所致(中国地震局监测预报司，2002)。2013年7月5日至6日，永安台水位观测曲线出现大量高频成分干扰，致使分钟值曲线失去原有形态，观测曲线与平时相比极不光滑(图 6)。台站工作人员首先远程检查水位仪运行状态及内部参数，发现永安井水位仪工作状态正常，内部参数正确无误，排除仪器自身问题。对永安井周边环境进行全面巡查，未发现大功率用电干扰，排除电网干扰，最后确定为仪器漏电造成干扰。为避免仪器外壳漏电影响，数字化观测仪器均要求良好接地，永安井水位仪接地是将主机后面板上的黄色地线接线柱直接焊在地网上。工作人员对永安井接地情况仔细检查，发现主机地线接线柱导线到地网的连接处焊点脱落。根据笔者以往经验，可能因助焊剂含量偏小，焊接材料氧化造成。将地线接线柱导线重新焊接到地网上，次日收数时发现水位观测数据曲线恢复正常形态。为彻底排除水位仪外壳漏电影响，在数字水位仪已有接地方式基础上，添加用导线连接仪器外壳和井壁的接地方式。

仪器外壳漏电表现为水位分钟值曲线上有大量高频干扰叠加，持续时间不长，是正常仪器噪声的好几倍，固体潮曲线形态保持较好，只是变化幅度加大，数据曲线总体不光滑。以上干扰特征是仪器外壳漏电带来的高频波动叠加在潮汐曲线上的表现。

3.4 供电系统故障干扰

2014年11月29日19时04分由于市电停电，永安井观测点UPS不间断电源出现故障，未及时供电，造成仪器断电40 min，09时10分供电恢复，水位观测数据受到影响，出现缺数现象，供电恢复时水位曲线产生瞬时大幅尖峰，幅度高达210 mm(图 7)。

供电系统故障干扰表现为，断电期间数采单元不能正常工作，数据无法正常保存，断电时段数据缺数，恢复供电后曲线产生尖峰干扰，数值从大幅度突跳开始回落，直到恢复正常变化水平。由于断电期间缺数，供电恢复伴随的叠加电压脉冲一般表现为大幅度尖峰，故此类干扰较好辨认，数据处理时去除尖峰即可见正常日变幅度。

3.5 雷击干扰

强雷电发生时可能击坏仪器，如：2013年7月31日永安出现短时强对流天气，电闪雷鸣，数字水位观测数据曲线出现突跳和较大台阶。由于此次为感应雷击，直接造成数字水位仪网络接口板内存储数据CF卡烧毁，导致观测仪器无法正常收取数据，水位观测曲线出现异常变化。

2014年8月27日19时07分至36分永安出现雷暴雨天气，有强雷，水位观测曲线出现异常变化，雷击过后曲线恢复正常。图 8为永安台数字水位仪在雷击时的连续观测数据曲线，虽然此次仍为感应雷击，但未造成数字水位仪数据模块损坏。

雷击导致观测仪器电子元件损坏，影响表现为无正常固体潮日变曲线，变化幅度明显异常。其本质原因是，强雷电导致仪器主机内部芯片或存储数据的SD卡等电子元件模块损坏，仪器收取的数据失真、错误。

由雷击带来的电磁静电感应主要伤害弱电设备(仪器、电器)，根据目前科技水平，不论采取何种避雷措施都不能完全避免强雷电对数字化仪器观测数据造成的干扰。永安地震台在2013年9月对冷冻厂井水位房进行防雷改造(图 9)，工作人员在水位房的房顶上安装避雷针等避雷装置，当仪器房受到直接雷击时，巨大电流由避雷装置接收，通过接地导线引入地表，避免强雷电对建筑物造成破坏。由于观测井的井壁通常是铁器材质，所以将水位仪主机后面板上的黄色地线接线柱直接焊到井壁上，水位仪被雷电击中时，电流通过水井井壁向大地释放，避免水位传感器替代避雷地网的情况发生，可以较好地保护仪器。为防止电缆将感应浪涌电压波引至仪器内部，对芯片及接口造成破坏，应该在传感器和数据采集器之间加装信号浪涌保护器，且其耐压等级应小于保护对象，即24 V。由于仪器具有交直流供电自动切换功能，应在雷雨季节采用直流供电方式，防止雷电从交流电进入。2013年10月至2016年7月，永安台数字水位仪未出现因雷击造成的仪器故障，可见台站进行防雷改造可以提高仪器工作的安全性，进而提高观测资料质量。

3.6 人为干扰

2013—2016年，永安井数字水位观测资料因人为操作造成台阶、断记共17次，如：2014年2月14日，因SWY-Ⅱ型水位仪软件升级(V2014版)造成多次断记，升级完成后发现，当天数据断记68 min；2014年9月9日台站工作人员对水位仪工作参数进行重新设置，造成全天断记19 min；2014年11月3日台站检修电源，引起电压不稳造成数据突跳；2014年12月6日—7日，永安井水位房周边建筑物拆迁，供电电路被石块轧断，造成断记1 273 min(图 10)。

4 同震响应分析

地震引起地下水位的变化早已引起人们关注，现今仍是地震流体学科的研究热点，这种变化不仅存在距震中几百千米的近场，也存在距震中上千乃至几千千米的远场。针对井水位远场变化原因，Brodsky等(2003)分析认为，由于地震波引起部分地表振动，使破裂闭锁带的胶结物质松动，进而导致水压改变。井水位的近场变化也可能为局部应变所引起，其极限距离相当于预期出现10^-8应变量的距离。永安井SWY-Ⅱ数字水位仪高频特性佳、耐振动、采集的动态信息不失真，可以很好地感应到由应力触发引起的应变波动，进行水位动态监测时，具备良好的地震波记录能力，相当于“速度型”无摆地震计。

永安井水位观测记录的同震形态受震级大小、震中距离不同所影响，幅度、形态不一，主要表现为脉冲波和地震波。其中，近震、小震同震响应以脉冲波为主；远震、强震持续时间长，面波丰富，形态为完整的水震波，见图 11。

5 结束语

数字水位仪在运行过程中所受干扰多种多样，干扰原因各不相同，一定时段的观测记录受一种因素干扰，也可能同时受多种因素干扰。干扰表现在观测数据曲线上较为复杂，有全天多时段的连续毛刺突跳，也有特定时段的曲线畸变、数据缺数、不同幅度的台阶等。因此，归纳、总结观测数据曲线的不同干扰特征，对于台站工作人员及时识别干扰类型、落实干扰异常具有重要意义。