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摘要：科技在不断发展，社会在不断进步，水文地质在我国发展十分迅速，对某县02号井水位和气压近9个月的观测数据采用小波变换进行长趋势变化和短周期变化的分离，然后利用Clark气压估计方法和固体潮估计方法，对其气压效应和固体潮效应进行深入探讨，分析该井水位微动态信息特征。主要结论如下：（1）井孔具有较高灵敏度，能够观测到井水位的微动态变化。（2）该井气压效率为14.898mm/hPa、固体潮影响系数为-0.1511mm/μGal。本研究计算处理方法对井水位、气压观测数据的长趋势变化和短周期变化的分离效果明显，而且与单纯采用Clark方法相比，可以将气压和固体潮影响系数计算精度提高10%左右，在实际操作性上优于传统回归分析方法。
关键词：井水位；气压；固体潮；小波分析；气压效率；固体潮影响系数
引言
井水位作为一种灵敏的体应变仪，是一种重要的前兆观测资料，有望用于提取地下应力和介质变化信息。目前我国已建成较为密集的地震地下水观测井网，积累了大量的波形记录，为建立地下水位变化模型、提取应力及介质变化信息和开展地震预测研究等提供了基础性平台。然而，由于井水位受多种因素影响，水位变化的信噪比很低，从水位中提取含水层物性和应力变化的模型、方法和规律都有待深入研究。
1井水位微动态观测的效能
井孔观测地层岩性、过水能力、结构、深度等方面均对其潮汐动力响应特征具有一定程度的影响，因此在进行井孔微动态研究前应对其进行效能评价，选取在记录微动态上有较高灵敏度的井孔。（1）井孔观测岩性。观测层岩性（本质是介质的力学性质）对观测灵敏度具有首要的影响。由坚硬致密岩石到半胶结岩石到松散岩石，井孔水位对含水层弹性形变的反应能力逐渐减弱，固体潮、气压在这一序列上也一致，其中碳酸盐岩、侵入岩反应能力最强。（2）井孔的过水能力。其物理意义是在压力差作用下，井与含水层之间水流通过的能力，一般采用井的单位涌水量表示。一切微动态的幅度最终取决于井的吞吐能力，这使得它与观测层岩性一样，对井孔反映能力具有首要的意义，对高频信息尤其如此。碳酸盐岩井孔的微动态反应能力普遍较强，尤其在岩溶发育的条件下，该能力会更加突出。（3）井孔结构。研究表明，井径越小反映灵敏度越高；反之反映的相位滞后越明显，振幅也衰减越大。井孔灵敏度主要取决于井孔观测地层岩性和井孔过水能力，其次是井孔结构。再者，井孔表层具有良好的隔水层将避免观测地层与降雨、地表水发生联系而造成的动态不稳定问题。根据上述原则，对诸井按上述条件进行评价后选取井孔灵敏度高的02井孔进行研究。
2水文地质井水位潮汐效应分析方法研究
2.1地震波使含水层裂隙疏通
含水层裂隙中含有多种胶体颗粒。胶体颗粒粒径很小，一般是1nm到1O}m之间，包括粘土矿物、风化物质、沉淀物和环境纳米粒子。在固体或液体物质表面上的胶体颗粒主要通过吸附和解析作用滞留在裂隙中；粒径较大或密度较大的胶体颗粒主要通过重力沉降作用滞留在裂隙中；颗粒较大的物质团主要通过机械过滤作用在孔隙和裂隙介质运移过程中被阻挡在孔隙和裂隙中，造成堵塞。地下水在天然运动过程中携带的胶体物质沉积在孔隙和裂隙内，导致含水层渗透系数降低。当地震发生，地震波作用于含水层时，含水层中孔压发生变化，在压力差作用下，含水层与井孔中的水流发生交换。在水动力剪切作用下，堵塞在孔隙和裂隙内的胶体颗粒会被清除，排泄到井孔中，裂隙得到疏通，含水层渗透系数增大。
2.2井水位微动态信息特征分析
对井水位观测数据进行潮汐分析的精度决定其所需数据的长短。为了提取半日潮和全日潮，最少需要2d的数据，可进行粗略的潮汐分析；为了区分半日潮和全日潮中的不同分波，则最少需要15d的数据，对于频域分析而言，最少需要28d的数据。因此，本文选取不受其他干扰因素（地震、地下水开采）影响的时间段进行井水位固体潮分析。该时间段井所在区域有过三次降雨过程，分别是2016年2月1日降雨14.00mm，2月22日降雨6.50mm，2月27日降雨8.5mm。
2.3潮汐混合流振幅系数和相位差的计算
选取潮汐响应较好的观测井水位数据，原始水位数据受观测仪器（如雷击、断电导致失效、数据传输网络中断）、人为活动（爆破、抽水等）以及地震等因素的影响，存在突跳、阶变等异常变化，为有效提高潮汐分析计算参数的精度，在用潮汐分析软件计算之前需对原始井水位数据进行预处理，具体处理步骤如下：（1）在不改变数据趋势性变化基础上，利用Mapsis手动剔除突跳、校正阶变，调整后保持与之前较一致的变化幅度范围。（2）利用Matlab进行滤波和频谱分析，使原始水位变化曲线更加光滑、变化趋势更加明显。基于上述原始水位数据，利用Baytap-G的潮汐分析软件可计算得到不同分波、不同时段的混合流振幅系数和相位差。
2.4井水位潮汐机理
井水位影响因素主要可以分为两种类型。第一种类型是含水层水量增减引起水位变化，如大气降水补给、地表水下渗、抽水、注水等引起的井水位变化均属此类。第二种类型是应力—应变引起的水位变化，应力—应变动态是影响井—含水层系统井水位变化的主要因素之一。地下水位观测值的变化体现了地质过程、固体潮、大气压力、降雨、地下水开采等主要因素的综合效应（汪成民，1988）。02号井在地下水位观测期间该区域未发生地震、地下水开采等活动，其观测值主要受降雨、大气压力、固体潮影响。（1）降雨对水位的影响。降雨主要通过降雨入渗补给和降雨荷载两方面影响地下水位。（2）气压对水位的影响。地下水位的连续观测表明，井水位对大气压力的响应普遍存在，我国井网观测中，54%的观测井有明显的气压效应。气压对地下水水位的影响的基本特征有：第一，气压变化与地下水位变化呈负相关关系；第二，气压影响下的地下水位有周期性和非周期性变化；第三，水位变化滞后于气压变化。大气压对承压含水层影响的偏微分方程：
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式中：H为含水层内的承压水头；K和n分别为含水层的渗透系数和孔隙度；ρ和β分别为含水层内水的密度和体积压缩系数；g为重力加速度常数；α为含水层固体骨架的体积压缩系数；P为大气压。
结语
对中游地区02号井水位、气压进行了为期近9个月的观测，利用小波变换分析方法对观测数据进行处理后再采用Clark气压效率估计法和固体潮影响系数估计法对其气压效应和固体潮汐效应进行深入分析，揭示了该井水位微动态信息特征，主要结论如下：（1）该井孔具有较高的微动态观测灵敏度；（2）基于小波变换分析方法的Clark气压效率估计法和固体潮影响系数估计法计算出02号井气压效率为14.898mm/hPa、固体潮影响系数为-0.1511mm/μGal。该套数学计算处理方法对井水位、气压观测数据长趋势变化、短周期变化的分离效果明显，与单纯采用Clark方法相比，该法可以将气压和固体潮影响系数计算精度提高10%左右，在实际操作性上优于传统回归分析方法。井水位微动态信息调和分析可以反演含水层的水文地质参数和弹性参数，这将是我们下一步研究的方向，也是进一步将井水位微动态信息特征分析应用于水文地质工程实践的现实需求。
参考文献：
[1]张昭栋，郑金涵，冯初刚.体膨胀固体潮对水井水位观测的影响[J].地震研究，1986，9：468-474.
[2]王金维.由井水位的固体潮效应反演含水层参数[D].北京：中国地质大学（北京），2013.