0 引言

地下水位观测是地震地球物理观测的重要手段之一，水位变化不仅可以直接反映由含水层受力状态变化所引起的孔隙压力变化，还可以反映含水层地下水径流的速度与流量等渗流场的变化，一定程度上也能反映地壳运动情况（张素欣等，2002；张昱等，2008a；陈小云等，2009）。一些研究者在井水位变化、井水位数据内在质量、固体潮效应、同震响应等方面开展了相关研究工作，并得到一些研究结果（车用太等，2003；张昱等，2010）。

衡水井自静水位观测以来产出了连续稳定的观测数据，从数据上看，日变化呈显著规律性，为双峰双谷型，固体潮效应明显。本文选取2017—2019年衡水冀16井静水位观测数据，对水位的完整率和稳定性、变化形态进行总结，采用Venedikov调和分析方法分析该井水位数据的观测精度、潮汐因子中误差等参数，检验井水位数据的内在质量，并分析其对全球7级以上地震的同震响应能力。

1 观测井概况

衡水冀16井（以下简称衡水井）位于衡水市深洲大屯乡陈家口村南，是华北油田于1979年打的勘探深井，井口终孔深度1 700.41 m，成井时为高温、高压自流井。该井所在地地势自西南向东北缓慢倾斜，海拔高度12—30 m。采水层位于下第三系孔店组的角砾岩破碎带中，上面多为泥岩，封闭良好，基底为震旦亚界碳酸岩系，上第三系1 339.5 m，第四系329 m，属岩溶裂隙承压水，非降雨、地表水直接渗入补给。构造上位于华北平原沉降带冀中新河凸起高点上，属邢台—河间地震带（罗娜等，2018）。

衡水井2016年3月井水断流，其后改造为静水位观测。观测仪器采用北京中科光大自动化技术有限公司生产的ZKGD3000地下流体监测系统，仪器分辨率小于1 mm，采样率为1次/min，迄今为止该仪器已连续3年多产出稳定的观测数据。

2 水位观测资料分析 2.1 观测数据完整率

衡水井静水位测项自观测以来观测数据日变稳定，选取2017—2019年水位观测数据进行分析（图 1）。由图 1可见，数据连续可靠，固体潮清晰，年变化呈下降趋势，年变幅度一般为4.5—5.1 m。

水位观测易受多种干扰因素的影响，这些因素对观测数据的连续率和完整率会产生不同程度的影响，如仪器故障、标定、人为干扰、错误数据等，特别是仪器故障会造成仪器死机，需要关机重启，容易造成数据丢失。衡水井静水位观测仪器运行以来稳定性较高，2017—2019年静水位分钟值数据完整率见表 1。由表 1可见，衡水井静水位观测资料完整率较高，均可达到99.9%以上。

2.2 潮汐效应及观测精度

井水位固体潮效应是体应变固体潮的次生效应，是由含水层体积变形引起的井水位有规律的周期性变化（张昱等，2008a）。衡水井水位观测仪器工作较稳定，观测数据日变形态正常，固体潮清晰。通过对2018年7月衡水井实际观测值和理论固体潮进行对比分析，可以观测到明显的全日波、半日波等周期成分（图 2）。

在判断观测资料的应用价值和内在质量时，通常通过对潮汐效应的分析计算获得潮汐响应函数的基本特征参数，即采用井水位中的M₂波潮汐因子、观测资料精度来分析井潮汐响应能力及内在质量，其中，水位数据的观测精度为中误差与潮汐因子之比，固体潮相对误差越小，表明数字化水位观测越稳定（王静等，2016；陈美梅等，2017）。对2017—2019年水位观测资料利用Venedikov调和分析方法逐月分析，M₂波潮汐因子、中误差及观测精度见表 2。

由表 2可见，2017—2019年衡水井潮汐因子年均值为2.1—2.2，符合水位观测资料潮汐因子的评分标准；2017—2019年观测精度年均值分别为0.011 2、0.010 2、0.010 9，其中，有16个月的观测精度小于0.01，占44.4%。虽然有50%多未达到不扣分的标准，但超出的范围并不大，且变化稳定，由此也表明，衡水井水位潮汐响应能力较强，观测资料精度相对较高，水位观测数据内在质量较高。

2.3 同震响应能力

由中国地震信息网地震目录可知，2017—2019年全球发生7级以上地震34次，衡水井水位出现同震响应的23次，响应率68%，水位记录的振幅与持续时间受震中距及震级的直接影响，说明该井对7级以上地震的映震能力较强。衡水井水位的同震效应均为水位振荡型，振荡过后，水位观测曲线仍按正常潮汐形态变化。衡水井水位同震响应见表 3。

由表 3可见，震级大的地震振荡持续时间一般较长，振幅也较大，如斐济群岛8.1级地震，衡水井水位出现大幅度振荡的同震效应，振荡持续时间达417 min，振荡幅度为83.7 mm。由表 3还可见，衡水井水位同震效应均为振荡型，远震一般也能记录到完整的水震波。图 3为衡水井数字水位仪记录到的2018年1月23日17时31分41秒阿拉斯加湾发生的8.0级远震水震波。由图 3可见，衡水井水位同震响应明显，水位仪于17时47分至21时36分记录到了振幅为69.1 mm的同震振荡，振荡持续时间长达229 min。

2.4 监测效能

车用太等（2006）在评估京津冀地区井水位监测效能时指出，水位中期异常一般以转折和破年变为主，短期与短临异常则以转折、阶变、脉冲为主。由图 1可见，衡水井水位呈趋势下降型变化，年变化有一定规律性，年变幅为5 m左右，较容易识别出破年变异常。统计2017—2019年衡水井水位观测资料可知，除少数月份变化趋势不太清晰外，其余月份变化趋势清晰，主要有渐降、平稳波动2种类型。图 4为2018年3月及2018年7月20日衡水井水位月、日变化。由图 4可见，衡水井水位月变化为渐降变化，日变化最显著的为固体潮效应，波峰波谷显著，表明井水位对地壳应力—应变的响应具有较高的灵敏度（车用太等，2006；苏小芸等，2017），因此，在地震地球物理观测中有助于识别出转折、阶变、脉冲等具有中短期预测意义的地球物理异常信号。但需要指出的是，由于衡水井数字化水位观测的时间还不够长，震例较少，故尚未记录到变化明显的地球物理异常信号。

3 水位主要影响因素

衡水井水位观测主要干扰源为每年冬季采暖期的地热开采。由图 1可见，自冬季采暖期开始，水位表现出趋势性快速下降变化，采暖期结束后开始缓慢上升，年下降幅度约5 m，这影响了井水位的观测精度。

自然环境也是影响衡水井水位观测的重要因素之一，主要体现在大气压强上，而降雨对衡水井水位观测的影响不明显。关于水位对气压的响应机理，前人已进行过相关研究，张昱等（2008b）、刘国俊等（2009）认为，气压变化引起的井孔水位变化是通过井孔和含水层间渗流来实现的，当大气压变化时，井孔中的水流向含水层或含水层中的水流向井孔，从而引起井水位的上升或下降变化。图 5为2018年6月衡水井水位的气压效应。由图 5可见，当气压增大时衡水井水位下降，气压变小时井水位上升，二者负相关明显。另外，衡水井水位观测数据的内在质量还受仪器自身故障导致的死机缺数、人为校测、电压不稳等的影响。

4 结论

通过对2017—2019年衡水井水位的观测情况进行分析，得出以下结论。

（1）衡水井水位观测仪器工作稳定，月平均完整率在99.9%以上，数据连续可靠，观测资料具有一定的研究价值。

（2）衡水井具有明显的固体潮效应，通过对固体潮调和分析得到M₂波月潮汐因子均值为2.1—2.2，潮汐因子值较高，且非常稳定，相对误差较小，表明该井潮汐响应能力较强。

（3）衡水井水位对远场大震较灵敏，对全球7级以上地震具有显著的同震响应，表现出的同震效应类型均为振荡型，是较理想的流体观测井。

（4）水位观测数据内在质量受冬季地下水开采的影响，年下降幅度5 m左右，影响了观测精度；水位的气压效应也较明显，整体呈负相关性。

（5）从井水位年变化来看，变化趋势稳定，呈趋势性下降，年变幅5 m左右，较容易识别出破年变异常。月变化趋势清晰，表现为渐降、平稳波动2种类型；日变化潮汐效应显著，相位清晰，可为识别短期和短临地球物理异常提供可靠的动态背景，并有助于在地球物理监测中记录到转折、破年变、阶变、脉冲等中期或中短期地球物理异常信号。但是，由于衡水井数字化水位观测的时间还不够长，震例较少，目前尚未记录到变化明显的地球物理异常信号。