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首都圈深层地下水位动态周期特征分析1 引言地下水动态是指表征地下水数量与质量的各要素（如水位、泉流量、开采量、溶质成分与含量、温度及其他物理特征等）随时间而变化的规律。苏联学者卡明斯基根据地下水动态的形成机理，将地下水位动态影响因素划分为两大类：由于水量增减引起地下水位变化的宏观动态和由于含水层所受应力应变状态改变引起地下水位变化的微观动态10。2008年王仕琴、宋献方等人在宏观上对2004年-2006年华北平原浅层地下水水位动态变化作了研究，阐明了该区域地下水位年内及多年动态变化的特点，比较了不同类型地区地下水动态所受影响因素不同。2014年王仕琴、宋献方等人又在微观上利用频谱分析方法分析了华北平原地下水微观动态，确定了周期变化特征。上述王仕琴、宋献方等人对地下水位动态的研究主要基于浅层含水层，而深层地下水位动态受到的影响因素相对较少，对于岩层应力应变状态改变的响应也更明显。本文以首都圈深层地下水位为研究对象，研究其动态周期变化特征，探究引起这些变化的原因，利用国家地震前兆中心高频率（其地下水位监测频率为1min）的地下水位数据对2002年-2014年首都圈深层地下水位动态变化特征及影响因素展开深入讨论与分析。掌握首都圈深层地下水为动态的正常动态特征，有利于识别地下水位异常动态，并且可以为预测地下水位变化趋势提供科学依据。2 研究区概况首都圈地区，一般指（38.5-40N，114-120E）的范围，包括北京与天津两个直辖市，河北省的唐山、廊坊两个地区及张家口、承德、保定、沧州、石家庄的部分地区，总面积约15万km2【1】。该地区以地下水作为主要供水水源，可以说地下水是首都圈地区的生命线，因此，地下水的研究工作对首都圈经济发展意义重大。首都圈地区发育有多种类型的含水岩层与地下水类型。主要类型有松散砂砾层孔隙水、碳酸盐岩岩溶裂隙水、碳酸盐岩夹碎屑岩裂隙-岩溶水、碎屑岩裂隙孔隙水、岩浆岩裂隙孔隙水与变质岩裂隙孔隙水。首都圈地区第四纪断层发育，构造活动强烈，具有发生强烈地震和频发有感地震的构造条件。表1 首都圈观测井详细数据资料表名称经纬度地理位置井深/m水位埋深/m水文地质条件地质条件含水层埋藏条件辛庄井117.3638.938天津市津南区白塘口辛庄中学648.12构造部位位于沧县隆起上的白塘口凹陷内，含水层受工业开采有一定的影响，地下水补给区较远，径流途径长。地层岩性为砂质粘土夹薄层细砂、中砂，地下水埋藏类型为承压水宝坻井117.3139.72宝坻区城关镇圣人庄村427.177-9构造部位位于燕山山前沉降带唐山隆起上的宝坻凸起，聚宝地深大断裂5km，燕山褶皱带。地下水埋藏类型为承压水张道口井117.0139.14天津市西青区大寺镇门道口村1038.2264构造部位位于沧县隆起上双窑凸起与白塘口凹陷交界的白塘口西断裂带上升盘周围有农田，西青开发区新兴企业，地下水埋藏类型为承压水桑梓井117.4140.05蓟县桑梓乡桑梓信用社楼房内30019地下水埋藏类型为承压水昌平井116.4240.09昌平县北七家乡东三旗村221.8630构造部位位于北东向黄庄-高丽营断裂带与北西向南口-孙河断裂带附近，裂隙溶洞比较发育，富水性较好，地下水埋藏类型为承压水顺义井116.5240.21顺义区原板桥乡政府院内283.6125.7观测含水层系震旦系硅质石灰岩，结构致密，上覆隔水性能较好的第三系红色黏土层井口结构合理，封闭性较好。属基岩裂隙承压水平谷井117.0840.13平谷区城关镇赵各庄村内556.8120.6地处华北平原蓟县断裂、夏垫-程各庄断裂西侧，位于平谷盆地中部地势平坦的平原区。第四系厚度556米，下伏蓟县群砂岩为第四系潜水通州井116.739.95位于通州区城北12.5km处29.5地处通州-南苑断裂与南口-孙河断裂交汇附近。观测井井孔周围地势平坦，境内有小中河，温榆河流过，井口观测段属第三、四系混合水。房山井116.1439.73位于房山区良乡办事处昊天温泉家园院内258.3180地处良乡-前门断裂附近，南苑断裂西端，该断裂长100km，是北京凹陷内发育的次一级断裂。观测含水层系震旦系硅质石灰岩，裂隙、岩溶发育好，属灰岩熔体承压水张家口114.9140.83张家口市桥东区鱼儿山63.220井孔位于上侏罗纪火山岩中井水为基岩裂隙水，与地表潜水不相通，静水位-20m左右，成井后多年观测，水位不受表层潜水的影响3 材料与方法 地下水位数据来自国家地震前兆台网中心十五数据，自2001年起，各观测井水位检测仪器开始统一采用中国地震局分析预报中心生产的LN-3型水位仪，其地下水位监测频率为1min，连续监测地下水位的变化。十口观测井的详细数据资料来自北京市、天津市以及河北省地震监测志。降雨量数据来自中国气象数据网。 地下水位过程线具有周期波动的特征，可认为是由许多不同频率、不同振幅的谐成分合成的。频谱分析可以显著识别周期性影响因素，在地下水位的微动态分析中是一种有效的分析方法，可以把一个复杂的地下水位变化过程分解为具有固定周期的一系列谐波，利用该谐波的特征确定地下水位的微观影响因素12。回归分析是一种处理两个或两个以上变量间依存关系的统计方法，并用于说明变量间依存变化程度的定量关系10。4 讨论与分析4.1 首都圈地下水位宏观动态特征分析地下水动态是一个复杂的自然过程在某一特定环境中、在多种因素作用下的外观表现3，因此地下水位动态特征在一定程度上反映了研究区地下水所处的环境状况。2008年王仕琴、宋献方等人在宏观上分析了华北平原浅层地下水的动态特征，其主要受到水文气象、地质、水文地质以及人类活动等多方面因素的影响，下面我们将对首都圈深层地下水宏观动态特征及影响因素做如下讨论与分析： 首都圈多年地下水位动态曲线 2009年首都圈地下水位动态曲线 2010年首都圈地下水位动态曲线 2011年首都圈地下水位动态曲线通过对地下水多年动态曲线和年动态曲线分析发现：近10年来这十口观测井的地下水位均呈不同幅度的上升趋势。其中天津张道口井在近10年来的上升幅度最大，上升了大约70米，而河北张家口井的上升幅度最小，上升了大约1.55米。北京房山、昌平和天津张道口地下水位周期特征较为相似，即在每年3月份地下水位最高，之后水位开始下降，直到10月份水位降到最低，随后水位开始再次升高直至来年的3月份；北京顺义、平谷、通州以及天津桑梓地下水位波动周期较为相似，即在每年的2-3月份水位开始上升，在6月份水位达到最高，之后开始下降，直至在来年的2月份水位才开始再次升高；天津宝坻、辛庄以及河北张家口地下水位在一年之中水位变幅均在2米之内，相对较为平稳，从图中未表现出明显的周期特征，需要对其进一步做频谱分析。首都圈地下水位宏观动态特征详细数据见表2。表2 首都圈地下水位宏观动态特征数据表名称多年上升幅度年内最高水位年内最低水位年内波动幅度年内平均水位顺义井29.52 37.90 35.08 2.82 36.73 昌平井47.21 69.58 61.55 8.03 65.30 平谷井28.57 37.14 32.64 4.49 34.31 通州井28.51 40.65 34.99 5.66 37.03 宝坻井7.95 13.08 11.61 1.47 12.38 张家口井1.55 20.86 20.32 0.53 20.77 桑梓井14.04 21.65 16.83 4.82 18.69 房山井24.15 94.37 91.62 2.75 93.06 辛庄井23.58 101.17 99.48 1.69 100.44 张道口井70.72 111.76 100.05 11.72 105.47 由观测井详细数据资料显示，10口观测井的地下水位埋深均大于4米，因此与浅层地下水位动态相比，首都圈深层地下水位动态不受蒸发因素的影响。利用软件MATLAB R2010b对首都圈10口观测井地下水位多年动态数据做频谱分析发现，辛庄井与张家口井没有显著的周期，昌平井与张道口井存在1个波动周期，大致为356天，其余6口观测井存在两个波动周期，大致为365天和180天。 平谷多年动态频谱分析 桑梓多年动态频谱分析将首都圈多年平均降雨量与各观测井地下水位数据做相关性分析发现，北京平谷、通州、顺义和天津桑梓的相关系数相对其余6口观测井较高，且地下水位动态曲线特征较为相似，其相关系数并不高，说明这4口观测井的地下水位主要受降雨的影响。北京房山、昌平和天津张道口井的相关系数为负值，且地下水位动态曲线较为相似，说明这3口观测井基本不受降雨的影响。而查阅这3口观测井的详细数据资料可知，它们均位于农田附近，地下水位主要受到人工抽水的影响。再将相关系数与水位埋深做相关性分析发现，随着水位埋深越深相关系数越小。可见水位埋深越深，含水层的封闭性通常来讲也越好，受降雨量的影响越小。这也证实了前面的分析结果。当然，如张家口井虽然水位埋深相对较浅，但根据其水文地质资料显示该井所处的含水层封闭性好，水位不受地表潜水的影响，因此相关系数也不高。表4 首都圈2011年地下水位与降雨量相关性确定系数及水位埋深一览表名称辛庄井宝坻井张道口井桑梓井昌平井顺义井平谷井通州井房山井张家口确定系数（R2）0.0650.291-0.1310.393-0.2660.2360.4260.33-0.0720.094水位埋深/m864193025.720.629.58020 平谷降雨量与地下水位相关性分析 地下水位埋深与相关系数相关性分析4.2 首都圈地下水位微观动态特征分析由于地理位置、地下水埋深、含水层的封闭条件、岩性等方面的不同，地下水微观动态特征会受到太阳和月亮潮汐变化、地球固体潮、蒸散发、大气压力以及其他外部荷载的影响13。2014年王仕琴、宋献方等人又在微观上利用频谱分析的方法分析了华北平原地下水位小于10米的浅层地下水位的微观动态，发现在近海地区地下水位主要受到海潮潮汐的影响，当地下水位小于5米时还会受到蒸发作用的影响；内陆地区多数观测孔含水层岩性弹性条件好或含水层封闭性较好，其地下水位具有与天体潮汐一致的周期变化，只有个别观测孔为体现出类似的周期波动。下面将在宏观动态的基础上利用这10口观测井水位数据，针对首都圈深层地下水微观动态进行分析研究：利用软件MATLAB R2010b对首都圈深层地下水位2014年各月动态和日动态数据消除趋势项后发现：10口观测井的月动态波动幅度在0.2米左右，而日动态的波动幅度在0.1米左右。在波动周期方面，北京昌平、房山和通州观测井月动态周期特征不明显，而其余7口观测井表现出单峰单谷的形态，即在每月的月初或月末水位达到最高值，在每月的中旬水位达到最低值。通过频谱分析图可以明显看出其周期大致为12小时和24小时。日动态周期北京通州井表现为单峰单谷的形态，即在9点左右水位为波谷，在24点左右为波峰；其余9口井则表现为双峰双谷的形态，即在每日0和12点左右为两个波峰，在6点和18点左右为两个波谷，由频谱分析图也可以得到其周期大致为12小时和24小时。图5 张道口地下水位月动态特征曲线图图6 张道口地下水位频谱分析图表5 首都圈地下水位月动态特征数据表名称月最大值(m)出现时间月最小值(m)出现时间月均值(m)昌平68.17 15日65.98 31日67.24 桑梓17.09 30日16.64 16日16.83 顺义36.53 5日35.55 14日36.04 辛庄100.51 1日100.04 16日100.25 平谷37.73 7日36.68 1日37.13 房山93.21 1日92.30 8日92.65 张道口103.54 2日101.43 14日102.40 宝坻13.03 1日12.84 15日12.92 通州48.44 24日35.33 9日35.72 图7 顺义地下水位日动态特征曲线图图8 顺义地下水位日动态频谱分析图表6 首都圈地下水位日动态特征数据表名称日最大值(m)出现时间日最小值(m)出现时间日均值(m)昌平65.71 23点65.48 6点65.55 桑梓17.19 23点17.16 17点17.17 顺义39.74 23点39.57 6点39.62 辛庄102.61 24点102.55 16点102.57 平谷26.71 24点26.60 7点26.65 房山88.45 24点88.35 15点88.38 张道口122.91 24点122.61 6点122.72 宝坻13.91 23点13.86 16点13.88 通州39.53 23点39.45 9点39.47 由于10口观测井均位于内陆地区，水位埋深均大于5米，且从上述水位动态表现出来的周期特征来看，首都圈地下水微观动态主要固体潮因素影响，受海潮潮汐和蒸发作用不明显。同时，各口观测井受对固体潮的响应也不尽相同，这主要由含水层的承压性决定。通过对10口观测井做频谱分析发现，北京平谷井、天津宝坻、桑梓井以及河北张家口井对固体潮响应较好。北京昌平、房山和通州井对固体潮的响应不明显，根据着口观测井详细数据资料显示，昌平井和房山井所在含水层岩溶裂隙较为发育，通州井所在含水层属于第三、第四系混合水，其承压性相对较差，因此对固体潮响应不明显。选择首都圈平谷、桑梓、张家口和宝坻4口对固体潮响应较好的观测井来进一步研究地下水微动态对汶川8.0级地震、印尼苏门答腊7.7级地震、日本9.0级地震以及智利8.8级地震的同震响应情况。通过Baytap软件可以得到潮汐因子及震前与震后相位，再利用公式=H/就可以计算出体应变。计算结果如下：表7 井水位同震响应的数据表井号发震时间参考地点震级/Ms同震水位变化/m潮汐因子/(mm/10-9体应变）震前相位（）震后相位（）相位变化（）体应变桑梓2008-2-20印尼苏门答腊7.70.0669580.01913-17.706-18.825-1.1193.5010-62008-5-12四川汶川县80.053050.01999-9.463-11.61-2.1472.6510-62010-2-27智利8.80.0221270.01807-17.644-24.533-6.8891.2210-62011-3-11日本本州东海岸附近海域90.013910.0202317.331-9.459-26.796.8710-7平谷2008-2-20印尼苏门答腊7.70.0515290.054598.2562.279-5.9779.4410-72008-5-12四川汶川县80.2005750.03414.2-26.433-30.6335.8810-62010-2-27智利8.80.0077850.037647.3470.89-6.4572.0710-7张家口2008-2-20印尼苏门答腊7.70.0031110.0003684.46687.42.9348.6410-62008-5-12四川汶川县80.002890.0016975.30173.697-1.6041.7110-62010-2-27智利8.80.0013780.00038-65.125-73.41-8.2853.6210-62011-3-11日本本州东海岸附近海域90.009880.001034.47632.51828.0429.5910-6宝坻2008-2-20印尼苏门答腊7.70.0398090.051611.2130.435-0.7787.7110-72008-5-12四川汶川县80.02950.05918-9.565-10.331-0.7664.9810-72010-2-27智利8.80.0075650.0561.25-1.319-2.5691.3510-72011-3-11日本本州东海岸附近海域90.007130.06232-11.625-9.9341.691 1.1410-7 根据以前的研究表明，相位滞后增大表明含水层渗透性增加，而减小则表明渗透性减小，相位滞后无变化则表示含水层渗透性没有发生变化。计算结果显示，在这4次地震之后，多数井表现出含水层渗透性减小现象，只有张家口井对印尼苏门答腊地震和日本地震以及宝坻井对日本地震表现出含水层渗透性增大现象。我们通过对体应变与地下水位变幅做散点图分析发现，含水层体应变变化越大，地下水位变幅越大。 根据以前的研究，水位和水位的响应振幅与地震、震中距之间可以用如下公式拟合（Roeloffs,1998):式中w1，w2，w3为常数，Ms为面波震级，D为震中距，h为水位变化幅度。对于首都圈这四口观测井井对4次地震的响应情况，我们采用多元线性回归法来拟合震级、震中距和水位变幅之间的关系式如下：模型汇总模型RR 方调整 R 方标准 估计的误差1.498a.248.122.55610052a. 预测变量: (常量), 井震距, 震级。Anovab模型平方和df均方FSig.1回归1.2212.6101.974.182a残差3.71112.309总计4.93214a. 预测变量: (常量), 井震距, 震级。b. 因变量: 水位变幅系数a模型非标准化系数标准系数tSig.B标准 误差试用版1(常量)2.5982.2991.130.281震级-.390.288-.362-1.355.201井震距-.319.359-.237-.886.393a. 因变量: 水位变幅该式的相关系数为0.248，从中可以看出水位变幅与震级、震中距之间没有很强的相关性。5 结论（1） 首都圈深层地下水位宏观动态周期主要有两个，周期大致为360天和180天。其中，北京房山、昌平和天津张道口地下水位在每年3月份地下水位最高，之后水位开始下降，直到10月份水位降到最低，随后水位开始再次升高直至来年的3月份；北京顺义、平谷、通州以及天津桑梓地下水位在每年的2-3月份水位开始上升，在6月份水位达到最高，之后开始下降，直至在来年的2月份水位才开始再次升高。与浅层地下水相比，地下水位动态主要受到人工开采和降雨的影响。受降雨影响的程度主要与地下水位埋深和含水层封闭性的好坏有关。含水层水位埋深越深，封闭性越好则受降雨影响越不明显，反之则越明显。（2） 首都圈深层地下水位微观动态周期主要有两个，周期大致为24小时和12小时。月动态特征呈现单峰单谷的形态，而日动态特征呈现双峰双