在花蓮地震發生的同時，地下水位觀測井也記錄下地震前後地下水位變化的完整紀錄。透過經濟部水利署即時的地下水位資料服務，位於花蓮市花崗山氣象站（圖一）及北埔國小（圖二）的地下水位分別記錄下2024/4/3 7:58前後地下水位的劇烈變化。
圖一、花蓮市花崗山地下水位變化歷線（資料來源：經濟部水利署）
圖二、新城鄉北埔國小地下水位變化歷線（資料來源：經濟部水利署）
地震引致地下水位變化的成因
地震所引起的地下水位變化，歸納歷年來的觀測結果在同震反應部分，可區分成3種典型的類型：階梯狀變化反應、振盪反應及階梯狀變化與振盪反應等三種類型：
一、階梯狀變化反應
階梯狀變化反應的特徵是地震前後，地下水位的基準會在甚短的時間內（一般均在數分鐘內即變化，部分受地下水流影響的井位則需數小時才得以完成）產生明顯的變化（圖三），比較地震前後地下水位的氣壓及潮汐反應振幅均相同，但變化的基準水位（趨勢項）則與地震前相比上升或下降一定的幅度（數公釐~數十公分）。這樣的變化可以是永久的變化，但具有聯通性之部分井位，亦可能在數週或數個月後恢復地震前的地下水位基準。
圖三、地下水位同震階梯狀變化反應變化案例（花蓮站，2004/5/1太魯閣地震）
地下水位地震後產生的階梯狀變化反應，反應的是地下含水層承壓狀態的基準變化，這樣的變化有可能來自高程基準變化、含水層承壓狀態、封閉層或含水層地下水文參數改變。
第一項高程基準變化，原因可能來自水文或地質構造因素，在水文因素上，例如補注源或表面水荷重的高程變化，海水面或湖水的上升或下降、河道或補注區位置的改變、地下水流動的改變、其他水體的混染等都有可能改變地下水位高程基準的變化；在地質構造因素方面，地殼抬升可能會造成地下水高程基準的相對變化，在日本1946年南海地震四國沿海地區的淺井，就因為地殼抬升造成地下水與海水面界面位置的改變，造成地震前地下水位降低的前兆變化。
第二項原因則較為複雜，主要強調的是含水層狀態的變化。較常討論的機制為地震後因為地殼應力調整後的改變，一則可能造成含水層的體積應變以致於造成水壓變化（可能有彈性或破壞性變化），再則作用於該含水層的靜態水壓力或圍壓，也有可能在未造成含水層體積應變的狀態下，改變該處壓力水頭的基準。
上述兩種原因，除了第一種原因或如九二一集集地震中斷層錯移造成11公尺的地表抬升外等極端事件外，由於一般地震所造成的地層體積應變量均約在10-6以下，一般遠離斷層帶數公里以上的距離並不易造成足以產生永久改變的破壞性變形，地下水位變化反應的應該是屬於當地地殼應力調整變化所引致的體積應變，這樣的反應也就可與地震斷層錯移造成的體積變化來進行比對。
二、振盪反應
振盪的水位反應可從高頻的水位紀錄中暸解其變化的特徵（圖四），水位在地震發生時間後劇烈的上下振盪，高頻紀錄中的水位歷線與震波圖相似，反應著具有阻尼效應的自由振盪現象。
圖四、同震振盪反應的高頻水位紀錄（花蓮站，2004/5/19臺東地震）
一般而言，地下水位的振盪現象應與地表震盪相似，但有別於地表振盪，僅維持1~2分鐘的變化時間，較大地震造成的地下水位震盪可能長達數10分鐘。在高精度水位紀錄中的震盪水位反應，受限於取樣時間較疏，無法連續記錄水位振盪的實際波譜，而容易記錄呈現脈衝（impulse）後迅速恢復的特徵，與階梯狀變化反應最大的不同，在於振盪反應在地震前後水位變化的基準（趨勢項）不會產生變動（圖五），而氣壓及潮汐反應等反應含水層材料特性的特徵反應振幅，在地震前後亦不受影響而維持相同變化幅度。
圖五、同震振盪反應的長期紀錄（花蓮站，2004/11/8花蓮外海地震）
三、階梯狀變化及振盪反應
階梯狀變化及振盪反應為上述兩種典型地下水同震變化的綜合表現，從地下水位變化歷線的表現上，除了在地震發生時間的數秒鐘至2分鐘內，水位呈現劇烈震盪外，比對地震發生前後的地下水位變化基準（趨勢項）亦有明顯變化（圖六）。
圖六、地下水位同震階梯狀變化及振盪反應變化案例（宜蘭壯圍站，2004/11/8花蓮外海地震、2004/11/11南澳外海地震）
一般而言，在一定規模以上與一定距離內（此一規模與距離關係將於稍後討論），測得的同震或震後水位通常均以階梯狀變化及振盪反應一起表現，但由於振盪反應出現的時間較短，在較小的地震中，可能因為地震發生的時間與資料取樣的間距關係，而未記錄到水位的振盪反應。
花蓮地震引致地下水位變化的觀測與應用
由於地震－地表觀測水井的連動關係可用一單純的震源（來源：Source）、地層（介質：Media）、水井（感測端：Receiver）來表示，而不同來源含水層內造成的水位改變，就是藉由大尺度的自然界刺激源，所引發的反應及水壓間的耦合過程（Coupled Processes）。
利用地下水對於不同波源訊號（氣壓、潮汐及地震）的反應，求取現場的地下水流性質及含水層參數，這些求得的現場參數並可運用在不同時間、空間尺度作用下地下水的反應分析，進行地下水流行為於不同空間尺度及時間尺度上的應用。
由於地下水觀測井大都裝設於沖積層或第四紀地層中，地震波傳遞於這些鬆軟的地層中振幅及波長都會逐漸加大，造成有效孔隙率減少或增加，使水位上升或下降。地震波傳遞產生急劇的地表位移，也可能造成含水層的壓密，使孔隙水壓驟增，進而在觀測井中觀察到地下水位上升。
透過蒐集各單位觀測水位資料，針對近期重大地震引起的地下水位變化案例，比對不同水文地質區地下水位變化是否會有不同反應，並推估在不同地區及不同季節間，地下水位變化的幅度與型態，據以選擇適當的地下水位分析與重現方法，可以補強現行地震工程或土壤液化潛勢評估中，所選取的地下水位代表性與重現率不足的問題。
參考資料
經濟部水利署（2001~2005），地震發生前後地下水水位異常變化分析研究（1/5~5/5），執行單位：國立成功大學防災研究中心。
經濟部中央地質調查所（2020~2023），全臺土壤液化地下水因子建立與受震行為分析（1/4~4/4），執行單位：國立成功大學防災研究中心。
作者資訊
賴文基 國立成功大學防災研究中心副主任