韩文英，梁丽环，尹宏伟，郭学增

（1.深州地震台，河北 深州 053800；2.兴济地震台，河北 沧州 061721）

一次气压扰动引起的水位变化

韩文英1，梁丽环1，尹宏伟1，郭学增2

（1.深州地震台，河北 深州 053800；2.兴济地震台，河北 沧州 061721）

气压变化可引起井水位同步变化，这是水位观测的一种微动态，称为水位的气压效应，其量值用气压效率表示，即单位气压变化量引起井水位的变化量。2016年5月12日河北省多地普遍降温，降温幅度达5～11℃，降温的同时，气压大幅度上升，引起河北省地震地下流体观测井网多数井水位同步下降。利用这次气压快速上升及其相应的水位下降，计算了井网内12口观测井的气压效率。计算结果显示，多数井的气压效率与已有的研究结果基本相符，个别井孔的计算结果不符合井孔本身实际的气压效率。结果表明，应用气压扰动进行水位气压效率计算也是方法之一，但仅利用一次气压扰动，会造成计算结果的偶然性。

气压；水位；气压扰动；气压效率；地震观测井网

P315.723

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.04.011

1674-8565（2017）04-0059-07

2017-07-26

2017-09-30

韩文英（1971-），女，河北省衡水市人，毕业于防灾科技学院，大专，工程师，现主要从事地下流体观测方面的研究工作。E-mail: szhanwy@126.com

0 引言

气压变化具有较稳定的周期，一般是年周期和日周期，其周期性与气温的周期性具有同步性变化特征。除上述周期变化外，气压在各种气象条件下又具有随机性。在某些天气过程中气压会发生大幅度波动，如冷锋过境时，冷空气入侵，温度下降，气压上升，有时气压变化幅度可达10hPa[1]。气压的升降可引起井水位同步反向变化，这种同步响应称为水位的气压效应，其量值一般用气压效率或气压系数表示[2-3]。

气压效率与气压系数的区别是，气压效率的单位是mm/hPa，而气压系数无量纲，气压效率比气压系数大一个量级。计算气压系数时需要将气压变化量换算成等效水柱高，即一个标准大气压等效水柱高为104mm[4]。气压效率的解算，一般利用水位日均值一阶差分和气压日均值一阶差分，应用线性回归方法计算。吴伯等[5]、刘裕生等[6]和卜凡泉等[7]等此前曾对气压系数的求解进行了理论研究。张子广等[8]利用气压扰动求解了不同井孔的气压效率。

2016年5月12日河北省大部地区降温，多地日最低气温降幅达8～9oC，保定降温11oC，北京、承德降温10oC，张家口和天津降温幅度较小，为6oC和5oC。随着气温的急剧下降，气压大幅度快速上升，河北省境内气压在十多个小时内平均上升约14 hPa。本文利用2016年5月12日气压大幅度上升及其引起的水位同步下降，计算了河北省地震观测井网内部分井水位的气压效率，选取了水位和气压观测资料完整、气压效应较为显著的12口井，进行气压效率计算。

1 气压变化特征

2016年5月12日01时左右，气压开始快速上升，至16时左右上升速率减缓，之后持续上升至13日09时左右。河北省地震观测井网各井的气象三要素测项，记录了这次气压的变化过程。经统计，5月12日至13日气压上升幅度平均值达27.1hPa，其中，快速上升段平均上升幅度为13.9hPa。表1列出了河北省地震观测井网部分井点的气压变化过程。图1是部分井孔2016年5月的气压曲线，图2是本次即5月12-13日的气压变化过程。图2中的1-3是气压上升的全过程，1-2是气压快速上升过程。

图1和图2显示，气压变化曲线在不同时间尺度和不同地点均表现出高度一致，但变化幅度略有不同，这是大气压力的变化特征。

表1 2016年5月12日河北省地震观测井网部分井点气压变化统计表

图1 2016年5月气压观测曲线Fig.1 Pressure observation curves in May, 2016

图2 2016年5月12日气压观测曲线Fig.2 Pressure observation curves on May 12，2016

2 水位变化特征

2.1 井孔基本概况

表2列出了河北省地震观测井网内具有气压效应井孔的基本条件，这些井都是深井，含水层承压性较好，因此地下水类型均为承压水[9]。唐山的林西井入网时间较晚，除井深外其它参数不详。

表2 河北省地震观测井网部分井孔基本概况

2.2 水位变化特征

2016年5月12日气压大幅度波动上升，引起河北省地震观测井网大部分井水位同步下降。经统计，有12口井的水位，同步于气压变化的观测资料完整而且明显，水位下降幅度如表3所示。图3给出了上述12口井水位在5月12日前后的气压变化分钟值曲线。综合图3和表3可以看出，井水位随气压快速上升而同步下降，各井的水位下降幅度不同，下降幅度最大的是黄骅井水位，下降幅度最小的是河间井水位。

表3 2016年5月12日河北省地震观测井网部分井水位下降幅度统计表

图3 水位与气压分钟值曲线Fig.3 Water level and pressure minute value curves

水位下降幅度最小的河间井是高温自流井，水位测值噪声带较宽，本文利用水位拟合值统计了对应于5月12日气压快速上升的水位下降幅度（图4）,图4中的红色曲线即拟合值,由此求得河间井水位下降幅度为6mm。

图5是沧县井水位、气压变化曲线，显示水位具有气压效应，但水位、气压不同步。图6是图5的放大图像，图6显示，气压上升4个多小时后，水位才开始下降，即图6中气压曲线标记1与水位曲线标记（1），在时间轴上相差4个多小时；气压快速上升结束后5个小时，水位的下降趋势才略有改变，即图6气压曲线标记2与水位曲线标记（2）的时间差。沧县井水位滞后气压的时间比其它井大很多，与井孔自身条件有关。取相应于气压快速变化时间段是水位变幅，即水位下降幅度为13mm。

图7是永清井水位和气压观测曲线。永清井受地下热水开采影响，水位在每年9月至次年3月呈下降趋势，3月中旬停止地下热水开采后，水位呈上升趋势。水位的趋势动态掩盖了其气压效应，经过趋势拟合处理后，水位与气压的同步反向变化形态即能显现出来，计算永清井水位去除趋势上升后下降幅度为100mm（图7、表3）。

图4 2016年5月12日河间井原始水位、拟合水位分钟值曲线Fig.4 The minute value curve of the original Hejian well water level and the fitting water level

图5 沧县井水位、气压分钟值曲线Fig.5 Cangxian minute value curves of the water level and pressure

图6 沧县井水位、气压分钟值曲线（20160510）Fig.6 Cangxian minutes value curve of the water level and pressure

图7 永清井原始水位、趋势拟合水位、气压分钟值曲线Fig.7 Original Yongqing well water level and trend fitting minute value curves of the water level and pressure

3 气压效率

气压效率是指单位气压变化量引起的井水位变化量，即：

b为气压效率（mm/hPa）；∆h为水位变化量（mm）；∆p为气压变化量（hPa）。

利用表3的水位下降幅度和表1中气压的上升幅度，进行各个井孔水位的气压效率计算，计算结果见表4。表4还列出了盛艳蕊等[10]和张子广等[8]的气压效率计算结果。

由表4可以看出，唐山、河间、沧县、无极、宁晋、永年、峰峰等井水位的气压效率与盛艳蕊等[10]的计算结果基本一致；永清的气压效率与盛艳蕊等[10]的计算结果有较大偏差，黄骅、深州井水位的气压效率与张子广等[8]和盛艳蕊等[10]的计算结果偏差较大，其中黄骅井的气压效率与已有的研究结果相差约1倍。

4 讨论

利用2016年5月12日的一次气压扰动，计算了河北省地震观测井网部分井孔的气压效率。计算结果表明，气压扰动引起的水位同步变化基本符合井水位的气压效率，但亦有偏差较大的井孔。对气压效率偏差较大的可能原因进行简要分析：

表4 气压效率（mm/hPa）

唐山井：张子广等[8]利用水位、气压日均值一阶差分，然后将差分结果再进行线性回归计算。本文是利用某一时间段水位、气压分钟值的变化幅度计算气压效率。前者具有平均性，后者具有随机性。

林西井：气压效率与同样深度的承压井相比，气压效率很低。因该井成井基础资料不详，气压效率偏小的原因有待日后研究。

永清井：本文计算得到气压效率小于盛艳蕊等①的计算结果，盛艳蕊等①是采用一阶差分和滑动滤波两种方法计算结果的平均值，具有平均性；再者，该井受地下热水开采影响，水位呈多年波动性趋势下降，其波动周期为年周期，每年5月份处于快速上升期。气压扰动上升引起的水位下降掩埋于显著的趋势上升中，影响水位的实际变化幅度。因此，采用原始水位趋势拟合后的拟合值进行计算，其气压效率为7.407mm/hPa，符合永清井的气压效率。

河间井：因该井自流，所以气压效率较低。

沧县井：该井有淤塞现象，水位对于潮汐、气压或人为影响，反应缓慢②丁志华，等. 异常核实—2015年01月19日河北沧13#水温.河北石家庄：河北省地震局，2015.。由于水位的滞后原因，本文所选取下降阶段的结束时间，截至到12日的21:55，比其它井都晚。

黄骅井：该井水位经常出现不明原因快速上升与下降[10]。5月12日08:04—12:40有一个144mm的下降，与气压引起下降有重合，所以本文计算的气压效率偏离黄骅井实际的气压效率。

深州井：本文的气压效率小于盛艳蕊等①和张子广等[8]的计算结果，原因可能是该井水面上浮有一层石油，当掏油后，浮油少时水位变化曲线光滑；浮油多了后，水位在上升转下降或下降转上升时记录曲线经常走直线；水面上的油层对气压短时间大幅度扰动的响应，比不存在浮油响应幅度要小。再者，盛艳蕊等①和张子广等[8]的计算结果具有平均性，本文的计算结果有随机性。

气压效率解算常用的方法是：利用水位和气压的日均值一阶差分进行线性回归计算。张子广等[8]既采用了线性回归方法，也利用气压扰动进行了井水位的气压效率计算（表4中列出的是日均值一阶差分线性回归计算结果）。盛艳蕊等①采用了3种方法进行气压效率计算，一是利用水位和气压日均值线性回归；二是水位和气压日均值一阶差分线性回归；三是水位和气压时值序列以5天窗长1天步长进行别尔采夫滑动滤波，然后再一阶差分线性回归（表4中列出的是气压效率平均值）。比较这些方法的计算结果，认为还是利用日均值一阶差分线性回归计算得出的气压效率更符合井孔的实际气压效率。

5 结论

本文利用一次气压扰动，进行井孔的气压效率计算，计算结果表明，多数井孔的气压效率与已有的研究结果基本相符，说明利用气压扰动进行井孔气压效率计算有一定的可取之处。但个别井孔由于种种原因得出的结果不符合井孔本身实际的气压效率；还有利用一次气压扰动计算井水位的气压效率，会有偶然性。所以，选用多次气压扰动进行计算，取其平均值，可能结果更准确。

[1]周家斌．自然界的芭蕾：锋与锋面[J]．百科知识，2005，（5下）：24．

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[4]汪成民，车用太，万迪堃，等．气地下水微动态研究[M]．北京：地震出版社，1988，29-30．

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[6]刘裕生，杨林根．井孔静水位的优选气压系数[J].地震学刊，1994，（3）：27-29．

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[9]汪成民，李宣瑚，王铁城，等．中国地震地下水位动态观测网[M]．北京：地震出版社，1990，298-300．

[10]张素欣，张子广，丁志华，等．2013年12月18日河北黄骅井水位异常核实报告．2014年度前兆学科异常核实优秀报告[C]．北京：地震出版社，2014，316-325.

A Pressure Disturbance Caused by the Water Level Change

HAN Wen-ying1，LIANG Li-huan1，YIN Hong-wei1，GUO Xue-zeng2，

（1. Shenzhou Seismic Station，Hebei Shenzhou 053800，China；2. Xingji Seismic Station，Hebei Cangzhou 061721，China）

Pressure change can cause changes of level, this is a micro dynamic water level observation is called water pressure effect, its value in barometric efficiency, namely content of quantity of unit pressure change caused the change of the level.In hebei province on May 12, 2016 more widespread cooling, cooling by 5～11 ℃ , the cooling at the same time, the sharp rise in pressure, cause seismic subsurface fluid observation well network in hebei province level most synchronous decline.This paper, by using the pressure rising fast and corresponding water level drops, calculated the pattern within 12 observation Wells barometric efficiency.Calculation results show that most Wells barometric efficiency consistent with the existing research results,the calculation results of individual hole is not in conformity with the efficiency of the actual pressure hole itself.Results show that the application of air pressure disturbance on water efficiency calculation is one of the methods, but only use a pressure disturbance, the calculation results of contingency.

air pressure；the water level；air pressure disturbance；barometric efficiency；seismic observation well network