安徽鉆孔體應變與降雨、地下水位關系的研究

劉川琴　李　發　金　艷　李軍輝　裴紅云　王燚坤

1　安徽省地震局合肥地震臺，合肥市長江西路558號，230031 2　安徽省地震局，合肥市長江西路558號， 230031

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安徽鉆孔體應變與降雨、地下水位關系的研究

劉川琴1李發2金艷2李軍輝2裴紅云2王燚坤1

1安徽省地震局合肥地震臺，合肥市長江西路558號，230031 2安徽省地震局，合肥市長江西路558號， 230031

利用合肥臺、黃山臺鉆孔體應變2013～2015年觀測資料日均值與降雨引起的地下水位變化進行相關分析，同時考慮體應變變化的滯后性，使用Matlab計算水位和體應變不同滯后時間的相關系數，確定滯后天數；扣除滯后天數，再進行回歸擬合分析，消除水位干擾。鑒于水位對體應變干擾的復雜性，在運用長周期數據時，以月為窗長進行回歸分析，能較好地消除水位對體應變的干擾，利于體應變的趨勢性判斷。

鉆孔體應變；降水；地下水位；相關分析；回歸

鉆孔應力-應變觀測是在地表下數十m的基巖(或土層)中安裝儀器探頭，對地震應力-應變的前兆變化進行觀測,但仍存在環境因素(如降雨)的影響。因此，應通過地下水位觀測來消除鉆孔體應變中降雨的影響，主要是通過研究降雨引起的地下水位變化來予以消除[1]。目前，國內較多學者針對區域臺站進行降雨、水位的相關性分析，認為體應變受降雨和水位干擾較為嚴重[2-6]。安徽省內臺站(除嘉山臺外)安裝的TJ-Ⅱ型鉆孔體應變儀器均輔助以水位觀測。本文主要針對省內受降雨影響顯著的合肥臺和黃山臺鉆孔資料進行研究，分析降雨引起的水位動態變化與鉆孔體應變變化的相關性，計算降雨干擾系數，并通過回歸擬合分析消除降雨引起的水位變化對體應變的影響。

1　臺站基本情況及資料選取

1.1臺站基本情況

為進一步加強短臨跟蹤，2009年以來安徽省地震局陸續在郯廬斷裂帶中南段的嘉山、蚌埠、合肥、六安、黃山成功安裝了TJ-Ⅱ體積式鉆孔應變儀(表1)，鉆孔探頭安裝深度在60～80 m。該儀器可進行體應變、氣壓、溫度、水位觀測，體應變觀測精度達10-9。其中蚌埠臺因鉆孔應變存在抽水干擾嚴重的情況，目前已停止觀測；其他臺站觀測質量較好，儀器工作較為穩定，體應變固體潮清晰。圖1為合肥臺體應變日常觀測及輔助測項曲線。可以看出，體應變主要受到水位干擾，兩者年變形態基本一致。

表1　安徽省TJ-Ⅱ鉆孔體應變臺站概況

圖1　合肥臺體應變及輔助測項日值曲線Fig.1　Daily curves of body strain and auxiliary observation data at Hefei seismic station

1.2資料選取

以合肥臺、黃山臺鉆孔體應變資料為基礎，收集整理臺站附近地區的降雨、水位等多年資料，分析降雨引起的體應變日干擾、月干擾及年干擾情況，計算水位與鉆孔體應變的相關性，并進行回歸分析，消除水位干擾。考慮到資料可能受其他干擾而影響結果的真實性，本文剔除干擾較大的時間段(如儀器故障等)的資料。

2　干擾分析

體應變數據普遍受到降雨影響。降雨對體中應變的干擾主要表現為兩種情況:一是強降雨天氣中，體應變出現快速階躍變化。強降雨帶來大地負荷效應，降雨結束后體應變數據隨著水位的降低而恢復正常，體應變和水位高值時間存在1～2 h的滯后。二是連續降雨天氣中，雨水逐漸滲入巖體孔隙，孔隙壓力增加，水位上升，使巖體體應變產生壓縮變形。體應變數據和水位數據上升趨勢總體一致，根據降雨天數一般會持續數日，后隨著水位下降體應變恢復正常。

2.1體應變日變干擾

合肥臺量雨器誤差較大，本文未采用其數據，而以當地氣象局降雨數據日值為準。從圖2可以看出，合肥臺體應變受水位影響明顯。大暴雨時，體應變即時效應顯著，水位和體應變數據瞬間升高，時間上體應變滯后水位1 h左右。黃山臺體應變在大暴雨天氣中受降雨影響明顯，時間上基本同步于水位變化。

圖2　2015-07-24合肥臺水位、體應變分鐘值曲線Fig.2　The relationship between the water level and volume strain curves of Hefei seismic station on July 24,2015

通過以上分析可知，強降雨時，合肥臺、黃山臺體應變會出現快速上升的階躍變化。根據地質條件和降雨效率的不同，體應變的表現形式存在差異，一般合肥臺體應變驅動降雨量約為30 mm，黃山臺體應變驅動降雨量約為50 mm。表2統計了幾次比較典型的降雨情況和干擾系數。可以看出，合肥臺體應變井孔水位對降雨的放大倍率[2]最大為115.0，降雨干擾系數最大約為0.63×10-8/cm；黃山臺體應變水位對降雨的放大倍率比合肥臺小很多，降雨干擾系數變化較大，可能和井孔地質條件、降雨效率不同有關。從圖3可以看出，合肥臺體應變受大暴雨影響的瞬間效應更加明顯，說明合肥臺鉆孔地質結構對降雨響應及時，黃山臺降雨響應要小于合肥臺。

表2　合肥臺、黃山臺降雨情況及干擾系數

圖3　2013-06-26～28黃山臺水位、體應變分鐘值、降雨量小時值Fig.3　The water level and volume strain’s minutes data and rainfall hours data at Huangshan seismic station on June 26 to 28,2013

2.2體應變月變干擾

連續降雨期間，水位持續上升，體應變和水位同步保持上升變化。如圖4所示，2014-01～05黃山臺為降雨天氣，水位一直處于上升變化，體應變和水位基本保持同步變化。選擇其他干擾較小的時段，以月為窗長計算體應變與水位的相關系數。表3列出了2013-10～12合肥臺和黃山臺的體應變、水位相關系數和干擾系數。體應變和水位相關性達到0.857以上，說明兩個臺站體應變和水位顯著相關。

圖4　2014-01～05黃山臺體應變、水位、降雨量曲線Fig.4　The hour value of body strain, water level and rainfall curves at Huangshan seismic station from January to May，2014

合肥臺黃山臺時間相關系數回歸系數/10-8·cm-1時間相關系數回歸系數/10-8·cm-12013-100.9670.682013-120.8572.072013-110.9861.312014-010.8582.982013-120.9661.082014-020.9041.71

3　體應變年變干擾及其消除

合肥臺數據連續率、完整率較高，除氣象干擾外，其他環境干擾較少，數據完整，曲線光滑。本文對合肥臺2012～2015年數據進行分析。從圖5可以看出，體應變年變形態和水位年變形態一致，一般為夏秋季節高、冬春季節低，變化規律和當地季節性降雨基本一致，但水位變化引起的體應變變化具有滯后性。基于體應變和水位顯著相關的性質，我們可以通過計算最大相關系數確定滯后天數，再用回歸擬合方法消除水位干擾。

圖5　合肥臺體應變、水位日均值曲線Fig.5　Daily curves of body strain and the water level data at Hefei seismic station

為了消除水位觀測值的隨機干擾，突出參量的周期變化和趨勢變化，運用日均值計算體應變與水位的相關程度。考慮到水位干擾引起的體應變變化具有時間上的滯后效應，對數據進行相關處理，消除滯后效應。選取2013-01-01～2014-12-31合肥臺體應變數據進行處理，計算結果如圖6所示。體應變變化滯后水位變化5 d時，兩者相關性最大為0.92。

圖6　滯后天數對應的相關系數Fig.6　Behind the number of days of the correlation coefficient

將要檢驗的體應變觀測值的水位參量代人回歸方程，考慮時間上的滯后性，得出該時段的體應變擬合值。將實測值與擬合值相比較，計算出它們之間的差值。實測值和擬合值作歸一化處理，即為消除水位因素引起的年周期變化后的體應變曲線，但長周期水位的趨勢性消除不是特別理想(圖7)。鑒于降雨引起的水位變化對體應變影響的復雜性，以月為窗長對數據進行回歸分析，結果如圖8所示。可以看出，基本消除了水位引起的體應變年變化趨勢，殘差曲線容易識別。但由于還存在同震效應、氣壓干擾、降雨影響等復雜情況，將二者進行單一回歸計算的殘差值有超過2倍的均方差存在，但不影響體應變趨勢性變化的判斷。

圖7　體應變、水位原始值、回歸值歸一化曲線Fig.7　The curves of the body strain’s fitting,residuals and normalized

圖8　體應變、水位日均值回歸殘差值曲線Fig.8　The residual value of body strain and water’s daily data

4　結　語

綜合分析認為，合肥臺、黃山臺體應變和降雨、地下水位存在明顯的相關性，其日變和月變干擾變化既有即時效應又存在滯后效應；體應變觀測值在無地殼應力作用時，其年變形態特征與水位變化形態基本一致，重復性較好，水位變化形態和當地季節性氣候特別是降雨情況影響顯著。鑒于目前體應變年變化和水位年變化顯著相關且具有滯后性，在分析體應變曲線時，計算最大相關系數，確定滯后天數，再用回歸方法建立水位和體應變模型，從而消除體應變觀測中的年周期變化；而降雨對水位和體應變的影響較為復雜，在分析長時間數據時，以月為窗長進行回歸分析，殘差值曲線能有效地消除水位對體應變的干擾形態，對提取真實可靠的前兆數據是一種較好的方法。

不過，體應變滯后水位變化的影響因子較多，不同降雨情況的滯后時間也存在一定差異，通過Matlab計算水位和體應變不同滯后時間的相關系數以確定滯后天數，存在一定的誤差。而體應變受到的干擾因素較多，計算模型還有待進一步完善。目前近場地震較少，對消除水位影響的殘差曲線還沒有明確的地震實例進行驗證，計算模型及映震結果需要進一步驗證。

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Preliminary Studies of Relation between Bore-Hole Body Strain,Rainfall and Underground Water

LIUChuanqin1LIFa2JINYan2LIJunhui2PEIHongyun2WANGYikun1

1Hefei Seismostation of Earthquake Administration of Anhui Province,558 West-Changjiang Road,Heifei 230031,China 2Earthquake Administration of Anhui Province,558 West-Changjiang Road,Heifei 230031,China

The interrelation analysis is used in the daily mean values of 2013-2014 bore-hole body strain and underground water from Hefei and Huangshan seismic station. Considering the body strain change lagged the change of water level,this article uses the cross correlation coefficient analysis.Determine the maximum correlation coefficient appeared in the number of days .Through analysis the regression fitting to eliminate underwater interference.The results reflect the real variation of bore-hole to extract seismic anomaly purpose.

bore-hole body strain; rainfull; underground water;correlation analysis; linear regression

Combination Project with Monitoring,Prediction and Scientific Research of Earthquake Technology,CEA,No.20151202;Youth Fund of Earthquake Administration of Anhui Province,No.20160613.

LI Fa,senior engineer,majors in precursor management of earthquake,E-mail:uuujerry@sina.cn.

2016-01-08

劉川琴，碩士，工程師，主要從事體應變監測及研究，E-mail:liuchuanqin1026@sina.com。

李發，碩士，高級工程師，主要從事地震前兆管理工作，E-mail:uuujerry@sina.cn。

10.14075/j.jgg.2016.10.020

1671-5942(2016)010-0933-03

P315

A

項目來源：中國地震局三結合課題(20151202)；安徽省地震局青年基金(20160613)。

About the first author:LIU Chuanqin,postgraduate,engineer,majors in body strain monitoring,E-mail:liuchuanqin1026@sina.com.