銀川臺(tái)DSQ水管傾斜儀的干擾分析

李自芮，李國(guó)斌，沈 寧，王建亮

（1.寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001；2.銀川基準(zhǔn)臺(tái)，寧夏 銀川 750001）

0　引言

水管傾斜儀是測(cè)量地殼形變水平傾斜變化的一種儀器，能為地球固體潮汐、地殼巖石性質(zhì)及地球參數(shù)等提供科學(xué)數(shù)據(jù)。本文從臺(tái)站觀(guān)測(cè)的第一手資料入手，對(duì)影響銀川臺(tái)DSQ水管傾斜儀（以下簡(jiǎn)稱(chēng)DSQ水管儀）觀(guān)測(cè)的常見(jiàn)干擾因素進(jìn)行了具體分析，并總結(jié)了典型干擾因素的變化特征。

1　銀川臺(tái)水管傾斜儀的觀(guān)測(cè)條件和運(yùn)行情況

1.1　臺(tái)站觀(guān)測(cè)環(huán)境

銀川臺(tái)小口子測(cè)點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)銀川臺(tái)）位于賀蘭山東麓斷裂西側(cè)，海拔1545m。形變觀(guān)測(cè)山洞基礎(chǔ)巖性為前震旦系花崗片麻巖，呈“之”字形，主洞長(zhǎng)90余米，寬1.6m，洞體、側(cè)室均采用中空雙層拱形磚石被覆，中間隔層厚0.42米，山洞頂部基巖厚約50m，覆蓋層厚度約100m。洞內(nèi)年溫差≤0.2℃，相對(duì)濕度60～70%，銀川臺(tái)觀(guān)測(cè)環(huán)境條件符合地震行業(yè)規(guī)范（中國(guó)地震局，2003）要求。距山洞西偏南150m溝谷中有一深井，井深112.58m。每年3—11月抽水，對(duì)形變觀(guān)測(cè)資料造成不同程度的影響，尤其對(duì)各套儀器EW向資料影響較大。

1.2　儀器性能參數(shù)與運(yùn)行情況

銀川臺(tái)DSQ水管儀架設(shè)在小口子形變觀(guān)測(cè)山洞里，2001年7—8月按照“九五”臺(tái)站改造項(xiàng)目要求，將原FSQ型水管儀拆卸，在原位置上組裝架設(shè)新研制的DSQ型水管儀，以正NS向和EW向分布在主洞室中，NS向基線(xiàn)長(zhǎng)30.32米，EW向基線(xiàn)長(zhǎng)30.39米；觀(guān)測(cè)條件符合規(guī)范要求，于9月1日開(kāi)始試記，于2002年1月1日正式投入觀(guān)測(cè)。2015年11月將DSA-2數(shù)采更換為“十五”EP-3型數(shù)采。銀川臺(tái)小口子測(cè)點(diǎn)地下水為非封閉的基巖裂隙水，補(bǔ)給完全靠大氣降水。銀川臺(tái)DSQ型水管儀的性能參數(shù)詳見(jiàn)表1，山洞儀器布設(shè)情況見(jiàn)圖1。

圖1　銀川臺(tái)山洞儀器布設(shè)平面圖Fig.1　 The cave instrument layout plan of Yinchuan Seismic Station

表2　銀川臺(tái)DSQ水管儀性能參數(shù)

2　影響銀川臺(tái)DSQ水管儀觀(guān)測(cè)的常見(jiàn)干擾因素分析

2.1　銀川臺(tái)DSQ水管儀正常動(dòng)態(tài)識(shí)別

要識(shí)別DSQ水管儀觀(guān)測(cè)中的干擾和異常變化，首先要了解數(shù)據(jù)的正常動(dòng)態(tài)變化。水管儀的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度不同，表現(xiàn)形態(tài)也不同。按照年、月和日這三類(lèi)時(shí)間尺度可對(duì)銀川臺(tái)DSQ水管儀觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的正常動(dòng)態(tài)進(jìn)行識(shí)別。

（1）年正常動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形態(tài)：銀川臺(tái)DSQ水管儀觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的年動(dòng)態(tài)變化表現(xiàn)為近正弦曲線(xiàn)的變化規(guī)律（受年變化溫度較大），年正常動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形態(tài)如圖2所示。

圖2　銀川臺(tái)DSQ水管儀年正常動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形態(tài)Fig.2　 The annual normal dynamic performance of Yinchuan Seismic Station

（2）月正常動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形態(tài)：銀川臺(tái)DSQ水管儀的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)去除趨勢(shì)變化后，可見(jiàn)清晰的固體潮變化，趨勢(shì)變化多以線(xiàn)性或二次拋物線(xiàn)型變化為主，月正常動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形態(tài)如圖3所示。

圖3　銀川臺(tái)DSQ水管儀月正常動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形態(tài)Fig.3　 The monthly normal dynamic performance of Yinchuan Seismic Station

（3）日正常動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形態(tài)：銀川臺(tái)DSQ水管儀可以記錄到清晰的固體潮日變化，一般每天有兩個(gè)波峰和兩個(gè)波谷，日正常動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形態(tài)如圖4所示。

圖4　銀川臺(tái)DSQ水管儀日正常動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形態(tài)Fig.4　 The daily normal dynamic expression of Yinchuan Seismic Station

2.2　銀川臺(tái)DSQ水管儀常見(jiàn)干擾因素分析

DSQ水管儀觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的非正常變化形式主要表現(xiàn)為高頻變化、臺(tái)階、突跳、數(shù)據(jù)出錯(cuò)和數(shù)據(jù)缺失等。造成以上非正常變化的因素主要有觀(guān)測(cè)系統(tǒng)故障、自然環(huán)境影響、場(chǎng)地環(huán)境影響、人為干擾和地球物理事件影響。本文統(tǒng)計(jì)了銀川臺(tái)DSQ水管儀從2016年1月1日至2017年12月31日的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，共統(tǒng)計(jì)了171例有干擾影響的事件，經(jīng)分析得出：對(duì)銀川臺(tái)DSQ水管儀的觀(guān)測(cè)影響最大的干擾因素是地球物理事件，比重可以占到50%，其次是人為干擾、自然環(huán)境干擾和場(chǎng)地環(huán)境干擾，比重分別為27%、13%和9%，觀(guān)測(cè)系統(tǒng)故障影響最小，僅有1例。鑒于地球物理事件的影響隨機(jī)性較高，及觀(guān)測(cè)系統(tǒng)故障對(duì)銀川臺(tái)DSQ水管儀的干擾影響較小， 故本文只詳細(xì)分析自然環(huán)境、場(chǎng)地環(huán)境和人為干擾對(duì)水管儀的影響。銀川臺(tái)DSQ水管儀影響因素占比如圖5所示。

圖5　銀川臺(tái)DSQ水管儀干擾因素占比Fig.5　 The interference factor of DSQ water pipe in Yinchuan Seismic Station

2.2.1自然環(huán)境影響分析

刮風(fēng)會(huì)使地殼的負(fù)載加大，造成地面短時(shí)間形變，會(huì)對(duì)觀(guān)測(cè)資料造成干擾。此種影響多造成觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)起毛、變粗或出現(xiàn)鋸齒狀。在銀川臺(tái)DSQ水管儀的日常觀(guān)測(cè)中，自然環(huán)境影響的主要因素是風(fēng)擾。本文統(tǒng)計(jì)了23例受自然環(huán)境影響的事件，只有1例為降雨干擾，其他均為刮風(fēng)干擾。風(fēng)擾幾乎為全年干擾。影響時(shí)長(zhǎng)從幾小時(shí)可達(dá)數(shù)十小時(shí)，數(shù)據(jù)的變化幅度一般在十幾個(gè)毫秒以上，對(duì)銀川臺(tái)的DSQ水管儀觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量影響非常大。銀川臺(tái)DSQ水管儀受刮風(fēng)干擾的影響如圖6所示。

圖6　銀川臺(tái)DSQ水管儀受刮風(fēng)干擾的影響時(shí)長(zhǎng)與變化幅度關(guān)系Fig.6　 he relationship between the influence length and the change amplitude of the DSQ water pipe is influenced by the wind in Yinchuan station

銀川臺(tái)DSQ水管儀2017年3月23日06：30至16：50數(shù)據(jù)受刮風(fēng)干擾，風(fēng)力約4級(jí)，受干擾曲線(xiàn)呈毛刺狀，南北向最大變化幅度為1.96（ms），東西向最大變化幅度為2.02（ms），其他時(shí)段數(shù)據(jù)曲線(xiàn)變化正常。刮風(fēng)因素影響產(chǎn)生的干擾如圖6所示。

圖7　受刮風(fēng)因素影響產(chǎn)生的干擾Fig.7　 The influence of wind-blowing factors

2.2.2場(chǎng)地環(huán)境影響分析

本文共統(tǒng)計(jì)了15個(gè)受場(chǎng)地環(huán)境影響的事件，場(chǎng)地環(huán)境影響的主要因素是抽水。距離觀(guān)測(cè)山洞約150米處有一機(jī)井，每日08時(shí)至18時(shí)，間歇性抽水，對(duì)數(shù)據(jù)造成固體潮畸變，北南向受干擾小，東西向受干擾較大。除每日固體潮發(fā)生畸變外，抽水時(shí)段北南向趨勢(shì)向上，東西向趨勢(shì)向下。該抽水機(jī)井為當(dāng)?shù)厣睢⒐喔壬a(chǎn)用水井，與用水方多次溝通無(wú)果。抽水事件繼續(xù)持續(xù)，無(wú)后續(xù)正常背景時(shí)間。本文統(tǒng)計(jì)了抽水干擾的影響時(shí)長(zhǎng)與變化幅度的關(guān)系，經(jīng)計(jì)算兩者的相關(guān)系數(shù)為R=0.923566，影響時(shí)長(zhǎng)與變化幅度有很好的相關(guān)性，基本呈正相關(guān)，再次證明了抽水對(duì)水管儀觀(guān)測(cè)的影響。銀川臺(tái)DSQ水管儀受抽水干擾的影響時(shí)長(zhǎng)與變化幅度的關(guān)系如圖8所示。

圖8　銀川臺(tái)DSQ水管儀受抽水干擾的影響時(shí)長(zhǎng)與變化幅度的關(guān)系Fig.8　 The relationship between the duration and range of the pumping interference of the DSQ water pipe in Yinchuan Seismic Station

銀川小口子（64002）DSQ水管儀（6）2016年10月16日至10月29日，東西分量數(shù)據(jù)受距離觀(guān)測(cè)點(diǎn)150米機(jī)井抽水干擾，抽水對(duì)數(shù)據(jù)造成固體潮畸形，抽水時(shí)段最大變化幅度約為266.16ms。該抽水機(jī)井為當(dāng)?shù)厣钌a(chǎn)用水井，規(guī)律為長(zhǎng)期間斷性抽水，與當(dāng)?shù)毓芾聿块T(mén)多次溝通無(wú)果。 北南分量數(shù)據(jù)變化正常，未受到明顯干擾， 最大變化幅度79.74ms。

圖9　受抽水因素影響產(chǎn)生的干擾Fig.9　 The influence of pumping factors

2.2.3人為干擾影響分析

本文共統(tǒng)計(jì)人為干擾事件47例，主要是儀器標(biāo)定、調(diào)零或在日常觀(guān)測(cè)中，人員進(jìn)洞對(duì)儀器進(jìn)行檢修、維護(hù)或架設(shè)新儀器時(shí)造成的干擾，此種影響會(huì)造成觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)呈尖峰突跳、缺數(shù)、臺(tái)階和毛刺。水管儀受人為干擾的影響時(shí)長(zhǎng)以20分鐘為隔斷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出：人為干擾影響銀川臺(tái)DSQ水管儀觀(guān)測(cè)的時(shí)間一般為40分鐘以下，主要因素為儀器標(biāo)定、調(diào)零或檢修；影響時(shí)間超過(guò)100分鐘以上的，主要因素是架設(shè)新儀器或者更換故障儀器元器件。銀川臺(tái)DSQ水管儀受人為干擾影響時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)如圖10所示。

圖10　銀川臺(tái)DSQ水管儀受人為干擾影響時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)Fig.10　 The time statistics of the influence of human disturbance on the DSQ water pipe instrument of Yinchuan Seismic Station

（1）人為進(jìn)洞干擾

人為進(jìn)洞開(kāi)門(mén)時(shí)形成了空氣對(duì)流，人進(jìn)入洞室后，由于人體溫通常高于洞室溫度，因而會(huì)很快產(chǎn)生熱擴(kuò)散，隨著進(jìn)洞時(shí)間增長(zhǎng)，溫度亦逐漸升高，空氣對(duì)流也加快，從而影響到儀器各部分和基墩的不均勻變形[2]。銀川臺(tái)DSQ水管儀2017年7月20日15:17至17:58，因中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所來(lái)臺(tái)進(jìn)行絕對(duì)重力測(cè)量，進(jìn)入山洞架設(shè)儀器，進(jìn)洞期間對(duì)水管儀造成干擾，觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)出現(xiàn)大幅度脈動(dòng)現(xiàn)象，作缺數(shù)處理。人為進(jìn)洞因素影響產(chǎn)生的干擾如圖11所示。

圖11　人為進(jìn)洞影響產(chǎn)生的干擾Fig.11　 Interference caused by artificial entrance

（2）儀器調(diào)零

2016年12月4日12：13至12：41對(duì)銀川臺(tái)DSQ水管儀北南向和東西向進(jìn)行加水調(diào)零，造成此時(shí)段內(nèi)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)北南向和東西向受到影響，出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)以及臺(tái)階，按缺數(shù)和臺(tái)階處理，北南向變化幅度為147（ms），東西向變化幅度為420（ms）。儀器調(diào)零因素影響產(chǎn)生的干擾如圖12所示。

圖12　儀器調(diào)零影響產(chǎn)生的干擾Fig.12　 The interference caused by zero influence of instrument

（3）儀器標(biāo)定

銀川臺(tái)DSQ水管儀2017年6月29日15：45至17：46，對(duì)水管儀進(jìn)行了兩次標(biāo)定，第二次標(biāo)定結(jié)果合格。干擾數(shù)據(jù)呈毛刺和臺(tái)階狀，用缺數(shù)和臺(tái)階方法處理；最大變化幅度約為9.85（ms）。儀器標(biāo)定因素影響產(chǎn)生的干擾如圖13所示。

圖13　儀器標(biāo)定影響產(chǎn)生的干擾Fig.13　 The interference caused by the calibration of the instrument

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)銀川臺(tái)DSQ水管儀兩年的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，認(rèn)為水管儀可以清晰的記錄到固體潮的變化與地震，儀器在日常觀(guān)測(cè)中受自然環(huán)境、場(chǎng)地環(huán)境與人為干擾的影響較多，平時(shí)應(yīng)做好防范和消除工作。對(duì)于自然環(huán)境的影響在觀(guān)測(cè)中我們無(wú)法避免，所以在日常值班中應(yīng)多注意天氣的變化，收集氣象三要素，做好值班記錄，加強(qiáng)對(duì)自然環(huán)境干擾的各種因素進(jìn)行特征總結(jié)，可以為觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的跟蹤分析提供依據(jù)。對(duì)于人為干擾，應(yīng)盡可能做到對(duì)儀器故障的快速和準(zhǔn)確的處理，盡可能縮短人為干擾時(shí)間，平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)儀器的維護(hù)，多總結(jié)儀器多發(fā)故障的解決辦法。在今后的日常觀(guān)測(cè)中，我們要不斷積累經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出典型干擾的特點(diǎn)，捕捉地殼內(nèi)真實(shí)的異常變化信息，提高地震預(yù)報(bào)資料的準(zhǔn)確度。

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