形變觀測受降雨干擾的數據對比分析

徐誠　姜海　鄭世祿　胡雪琪

【摘 要】在考察了薊縣臺新山洞及小辛莊山洞地質構造、局部地形特征及覆蓋層厚度等自然環境的基礎上，對比分析薊縣臺新山洞及小辛莊山洞水管傾斜儀觀測資料受2018年7月臺風“安比”所帶來的降雨響應特征，進而判斷受降雨干擾觀測數據曲線變化趨勢不一致的原因及觀測數據質量。本次所分析的兩套設備同為2017年后安裝的DSQ型水管傾斜儀，所產出的形變觀測資料對華北地區中強以上地震具有較好的應震效能，在多種干擾因素中，降雨影響較為顯著。

【關鍵詞】形變觀測；降雨干擾；水管傾斜儀；對比分析

中圖分類號： P315.723 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0153-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.068

【Abstract】Based on the investigation of the geological structure， local topographic features and the thickness of overlying layer of New Cave and Xiaoxinzhuang Cave in Jixian County， the response characteristics of water pipe tiltmeter observation data of New Cave and Xiaoxinzhuang Cave in Jixian County to rainfall caused by typhoon "Ambi" in July 2018 are compared and analyzed， and then the view of rainfall disturbance is judged. The reasons for the inconsistent trend of measured data curve and the quality of observation data are also discussed. The two sets of equipment analyzed in this paper are the DSQ water pipe tiltmeter installed after 2017. The deformation observation data produced in this paper have better seismic response to earthquakes above moderate intensity in North China. Among various interference factors， rainfall has a significant impact.

【Key words】Deformation observation；Rainfall interference；Water tube tiltmeter；Comparative analysis

1 臺站概況

天津薊縣地震臺是天津地區唯一的地形變綜合觀測臺，也是首都圈中東部地區稀少的定點形變臺站之一，屬于國家基本臺網序列，該臺地形變觀測歷史較長，始于1978年，該臺形變觀測資料對華北地區中強以上地震具有較好的應震效能[1]。現階段薊縣臺所管轄的形變觀測山洞有薊縣臺新山洞及小辛莊山洞。

薊縣臺小辛莊山洞地理坐標為（40.086'N，117.53'E），海拔高程約100m，觀測洞深240m，平均覆蓋厚度約80m，室內日溫差小于0.03℃，年溫差小于0.05"C。測點所在的附近山體屬于陰山緯向構造體系東部、燕山山脈東端，華北古地臺的震且亞界沉積蓋層，主要巖性為白云巖及白云質灰巖。在中厚層巖石內可見有石灰巖的壓熔構造，說明已經過輕微的變質作用。山洞附近巖層比較連續，沒有明顯的斷層發育，直到洞口兩邊的山溝也沒有錯斷。巖層屬于單斜構造，主要由中厚層的白云巖和薄層的泥質灰巖構成，各薄層間劈理都很發育，巖石破碎。

薊縣臺新山洞位于主臺院內，位于小辛莊山洞以西約5km處，地理坐標為（40.075'N，117.49'E），海拔高程約65m。山洞位于“燕山沉降帶”的“京東臺凹”的北部。震旦系地層在本區分布廣泛，厚度大，山洞即位于震旦系石灰巖上。臺站及附近地區在地質史上經歷了多次構造運動，斷裂構造較為復雜，存在一系列斷裂和褶皺，跟臺站關系較密切的有薊縣山前斷裂和黃崖關斷裂。

兩山洞附近地下水豐富，山洞以南2km處有庫容2-3m3的于橋水庫。受山勢的影響，山洞附近地下水流向是從東北向西南，當地每年6-8月份為雨季，有時也會在4月、5月或9月出現較大量的降雨[2]。

2017年天津市地震局通過京津冀地震臺網更新改造項目及“十二五”地震監測技術系統完善與建設項目對小辛莊山洞及薊縣臺新山洞形變觀測設備進行了更新建設。現階段同時在網運行著多套同型號傾斜、應變設備，保障數據質量的同時為對比分析提供便利條件，本文所分析的觀測數據來自于兩個山洞同時期安裝的同型號DSQ型水管傾斜儀。

2 觀測資料的降雨響應特征分析

2.1 降雨響應特征分析

洞體形變觀測受降雨影響主要通過降雨入滲和載荷變化兩種方式。當降雨速率小于入滲率時，降雨主要以入滲的方式使地表局部產生不規則形變，通過應力的傳遞進而影響儀器觀測墩。從理論上分析，該方式對洞體形變觀測的影響具有滯后時間長、影響周期久等特征；當降雨速率大于入滲率時，降雨的一部分沿著地表流向積水區，給積水區域額外施加載荷，進而影響觀測墩的傾斜變化。該方式對洞體形變觀測的影響具有滯后時間短、影響周期短的特征[3]。

2018年7月進入雨季，天津地區降雨持續，從7月24日凌晨開始，臺風“安比”的中心已經來到了華北北部，這是自1972年以來首個進入天津的臺風，同時天津迎來1984年以來最為正宗的臺風雨，據薊縣臺氣象三要素觀測儀統計，24日降雨量達到114.2mm。26日21時至27日02時5個小時降雨量達到54.8mm，由于降雨量大，加之雨季降雨持續，造成山區土壤雨水飽和。

2.2 觀測數據特征分析

在薊縣臺水管傾斜儀觀測資料的多種干擾因素中，降雨影響較為顯著，幅度大且影響時間久[4]，每年雨季有強降雨出現觀測數據均會出現階變。由于24日以來的降雨速率大且持續時間長，從觀測數據曲線上反映的更為明顯。（見圖1）表1是2018年01月、02月、07月份降雨總量和同時期各測項零漂量的對比統計，從表中可以看出，降雨是形變觀測的主要影響因素，形變量和降雨量相關性較好。

從圖1中可以看到雖然形變量與降雨量存在相關性，但對比兩套水管儀變化趨勢卻發現存在方向不一致的情況，受降雨影響薊縣臺新山洞水管儀三個分量同時呈現向正方向零漂的趨勢，小辛莊山洞水管儀兩個分量同時呈現向負方向零漂的趨勢。由于兩個山洞地理位置接近，且均在于橋水庫以北方向，筆者起初認為兩套儀器通過載荷的變化觀測數據曲線應該同時呈現向負方向零漂的趨勢。通過與本局分析預報人員會商并查閱相關文獻發現，受降雨速率、降雨時長及山洞周邊局部地勢地貌的影響會導致不同的載荷效應，使水管傾斜儀產生不同幅度、不同方向的傾斜變化。

從圖2中可以清晰的看到薊縣臺新山洞水管儀安裝位置在山體東北側，小辛莊山洞水管儀安裝位置在山體西南側，因此更加驗證了受局部地形的影響導致不同載荷效應的結論。

在持續關注受降雨干擾觀測數據變化趨勢的同時，筆者會定期對兩山洞周邊觀測環境進行巡查，由于小辛莊山洞內部為毛洞，未經過防水及內部裝修處理，巡查人員可以清晰的看到滲入山體的雨水沿著巖石縫隙流進洞內，截至8月31日小辛莊山洞洞內依然存在雨水滲入的現象，這也說明了現階段山體依然處于接近飽和的狀態。從兩套儀器觀測數據曲線中也可以發現，在近期無降雨的情況下并未出現趨勢轉折的現象，這種強降雨使得觀測資料年變形態和趨勢發生很大改變，且持續幾個月不能恢復，受地質構造等條件的影響薊縣臺新山洞水管儀較小辛莊山洞水管儀零漂幅度更大、持續時間更久。（見圖3）

3 小結與討論

薊縣臺水管傾斜儀在眾多干擾因素中，受降雨影響最為明顯，變化幅度較為顯著。不同的降雨方式及降雨持續時間決定了對觀測數據曲線的影響形態及變化幅度，多樣化的降雨方式及復雜的地形地貌使水管傾斜儀觀測數據資料的響應特征復雜。

通過對觀測數據曲線的對比分析認為，小辛莊山洞水管傾斜儀在受降雨干擾期間所獲得的觀測數據資料零漂幅度更小、持續時間更短，數據質量較薊縣臺新山洞水管傾斜儀更加良好。

【參考文獻】

[1]汪翠枝，陳嵩，田山，等.薊縣臺地形變觀測資料映震效能研究[J].地震，2009，29（3）：99-108.

[2]汪翠枝，張磊，劉雙慶，等.定點形變觀測的降雨干擾及排除方法研究[J].華北地震科學，2010，28（1）：42-47.

[3]李宏偉，劉瑞春，王霞，等.山西昔陽地震臺水平擺觀測受降雨影響的數值分析[J].山西地震，2016，166（2）：2-4.

[4]丁建國，陸德明，狄梁，等.常熟臺傾斜儀降雨干擾定量分析[J].華南地震，2015，31（2）：297-307.