施工干擾對(duì)宜昌臺(tái)水管儀數(shù)據(jù)影響的分析

龍宇云 安一凡 曾智輝 涂先新

（1、中國(guó)地震局地震研究所（地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），湖北 武漢 430071 2、湖北省地震局，湖北 武漢 430071 3、湖北省地震局宜昌地震監(jiān)測(cè)中心站，湖北 宜昌 443100）

現(xiàn)今我國(guó)的地震形變觀測(cè)臺(tái)站，大多具備各種類型形變監(jiān)測(cè)儀器，在監(jiān)測(cè)地殼活動(dòng)變化時(shí)，儀器會(huì)受到各種各樣的干擾。宜昌臺(tái)的DSQ 型水管儀是一種測(cè)量地傾斜變化的精密儀器，能夠測(cè)量地殼傾斜變化、捕捉地震前兆信息[1]。宜昌臺(tái)水管儀多年來(lái)儀器運(yùn)行穩(wěn)定，觀測(cè)數(shù)據(jù)較少出現(xiàn)持續(xù)性的數(shù)據(jù)畸變情況。2018 年水管儀持續(xù)多天觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)毛刺增多的畸變現(xiàn)象，且畸變基本集中在白天時(shí)間，夜晚畸變基本消失。經(jīng)過臺(tái)站人員調(diào)查核實(shí)后，發(fā)現(xiàn)畸變現(xiàn)象與臺(tái)站觀測(cè)洞室周邊的工程施工具有密切聯(lián)系。

1 儀器觀測(cè)概況

宜昌地震臺(tái)位于湖北省宜昌市，屬于國(guó)家基本形變臺(tái)，臺(tái)站的形變觀測(cè)儀器安裝在山洞的觀測(cè)洞室內(nèi)。山洞門口位于臺(tái)站后院，從山洞門口到形變儀器所在的觀測(cè)洞室設(shè)置了多道隔溫門，使得山洞內(nèi)觀測(cè)室的溫度始終保持在18 攝氏度左右，年變化量不超過0.2 攝氏度，可以滿足各種形變儀器對(duì)觀測(cè)環(huán)境的溫度要求。穿過多道隔溫門進(jìn)入山洞約100 米，到達(dá)觀測(cè)洞室門口，觀測(cè)洞室呈南北、東西兩方向90°正交的“L”型連通分布，需要走過北南方向約40 米長(zhǎng)的觀測(cè)洞室，才能進(jìn)入東西方向的觀測(cè)洞室。觀測(cè)室內(nèi)的形變觀測(cè)儀器有DSQ 型水管儀、VP 型寬頻帶傾斜儀、SSY 型伸縮儀等。水管儀的北南、東西分量安裝在觀測(cè)室的巖石基墩上。

DSQ 型水管儀工作基本原理是根據(jù)連通管內(nèi)水面保持自然水平的原理。儀器臺(tái)基出現(xiàn)相對(duì)垂直位移時(shí)，兩端液面便會(huì)相對(duì)儀器缽體發(fā)生變化，通過浮子、位移傳感器等轉(zhuǎn)變成電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄[2]。宜昌臺(tái)水管儀每天不間斷地記錄地傾斜變化數(shù)據(jù)，因山洞觀測(cè)洞室內(nèi)環(huán)境較穩(wěn)定，儀器產(chǎn)出的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，極少出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾現(xiàn)象，具有穩(wěn)定的月變化、年變化趨勢(shì)。

2 數(shù)據(jù)畸變現(xiàn)象的分析

2018 年3 月上旬至5 月水管儀觀北南分量數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)變粗的數(shù)據(jù)畸變現(xiàn)象，東西分量數(shù)據(jù)未出現(xiàn)類似的畸變現(xiàn)象。選取3 月8 日至10 日水管儀數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)北南分量數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯的毛刺畸變現(xiàn)象，數(shù)據(jù)畸變出現(xiàn)的時(shí)間集中在早上7:30 至晚上21:00，東西分量基本正常，如圖1 所示。數(shù)據(jù)畸變具有變幅較小的特征，3 月8 日最大變幅僅1.81ms，達(dá)不到水管儀北南分量數(shù)據(jù)正常日變幅的十分之一。

圖1 水管儀3 月8 日-10 日觀測(cè)數(shù)據(jù)

再對(duì)比水管儀與處于相同觀測(cè)洞室的SSY 型伸縮儀、VP 寬頻帶傾斜儀，兩套儀器運(yùn)行穩(wěn)定觀測(cè)數(shù)據(jù)正常，均未出現(xiàn)類似水管儀的數(shù)據(jù)畸變現(xiàn)象，如圖2、圖3 所示。3 月9 日為了檢測(cè)儀器的穩(wěn)定性，對(duì)三套儀器進(jìn)行了標(biāo)定工作，標(biāo)定結(jié)果均合格，說(shuō)明儀器均處于正常工作狀態(tài)。

圖2 VP 儀3 月8 日-10 日觀測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 SSY 儀3 月8 日-10 日觀測(cè)數(shù)據(jù)

最后將水管儀北南分量2018 年的數(shù)據(jù)與2017 年進(jìn)行對(duì)比，如圖4 所示。可以看到2018 年數(shù)據(jù)月變化、年變化趨勢(shì)與2017 年基本一致，說(shuō)明儀器數(shù)據(jù)長(zhǎng)趨勢(shì)變化正常。可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)畸變現(xiàn)象幅度較小，對(duì)于數(shù)據(jù)的長(zhǎng)趨勢(shì)變化影響較小。因此初步判斷水管儀出現(xiàn)的數(shù)據(jù)畸變現(xiàn)象，并非打破數(shù)據(jù)年變化趨勢(shì)的地震前兆異常，可能是短期干擾因素造成的數(shù)據(jù)畸變，干擾的具體原因需進(jìn)一步核實(shí)。

圖4 水管儀2017-2018 年觀測(cè)數(shù)據(jù)

2.1 儀器觀測(cè)系統(tǒng)檢查

由于和水管儀處在同一觀測(cè)洞室的VP 寬頻帶傾斜儀、SSY型伸縮儀均未出現(xiàn)數(shù)據(jù)畸變現(xiàn)象，且水管儀數(shù)據(jù)月、年變化趨勢(shì)未發(fā)現(xiàn)異常，需要查明儀器觀測(cè)系統(tǒng)是否存在未知的干擾因素。臺(tái)站人員首先對(duì)觀測(cè)洞室外的儀器部分進(jìn)行排查。對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的水管儀的主機(jī)和數(shù)采進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，其次對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的儀器供電電源、備用的UPS 電源進(jìn)行檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常。接著對(duì)儀器的供電線路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸線路、防雷設(shè)施等進(jìn)行檢查，均處于正常工作狀態(tài)。最后對(duì)山洞觀測(cè)洞室內(nèi)的儀器部件進(jìn)行檢查：水管儀北南、東西分量的傳感器與缽體均處于正常工作狀態(tài)；水管內(nèi)部通道、浮子及內(nèi)部純凈水未出現(xiàn)破損污染現(xiàn)象，均處于正常工作狀態(tài)。同時(shí)檢查了儀器外部的隔離板、儀器下方的觀測(cè)墩、觀測(cè)洞室內(nèi)部環(huán)境，均未發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)過以上詳細(xì)的檢查后，證明儀器觀測(cè)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，未出現(xiàn)異常，說(shuō)明儀器觀測(cè)系統(tǒng)與水管儀數(shù)據(jù)畸變現(xiàn)象沒有關(guān)系。

2.2 道路工程施工的影響

在排除儀器觀測(cè)系統(tǒng)自身因素干擾后，臺(tái)站人員開始對(duì)臺(tái)站周邊環(huán)境進(jìn)行調(diào)查。發(fā)現(xiàn)距離臺(tái)站觀測(cè)山洞正南方向600 米處，一條老舊公路自3 月8 日起開始道路工程的施工，這與儀器開始出現(xiàn)畸變現(xiàn)象的日期一致。

工程施工期間，施工現(xiàn)場(chǎng)有路面破碎機(jī)、挖掘機(jī)、攪拌機(jī)、運(yùn)輸車等重型施工機(jī)械進(jìn)行施工作業(yè)。施工作業(yè)的時(shí)間通常為早上07:30 至晚上21:00，與每天數(shù)據(jù)畸變出現(xiàn)的時(shí)間段吻合，晚上施工停止后，數(shù)據(jù)畸變現(xiàn)象隨之消失。

在對(duì)后續(xù)的工程施工和數(shù)據(jù)進(jìn)行追蹤分析，發(fā)現(xiàn)工程施工與數(shù)據(jù)畸變有非常好的相關(guān)性。例如4 月4 日至5 日受降雨影響停止施工，水管儀南北分量數(shù)據(jù)畸變消失恢復(fù)正常，4 月6 日至8 日天氣轉(zhuǎn)好施工恢復(fù)，畸變現(xiàn)象再次出現(xiàn)，如圖5 所示。在3-5 月施工的日期，水管儀北南分量均會(huì)出數(shù)據(jù)畸變，可以確定畸變現(xiàn)象是由道路工程施工干擾導(dǎo)致的。

圖5 水管儀4 月4 日-8 日觀測(cè)數(shù)據(jù)

2.3 翻新工程施工干擾

2018 年10-11 月宜昌地震臺(tái)進(jìn)行臺(tái)站觀測(cè)洞室優(yōu)化改造項(xiàng)目工程，對(duì)山洞內(nèi)老舊的電線線路、照明電燈、隔溫門進(jìn)行更換，并重新粉刷山洞內(nèi)部墻體。山洞洞室內(nèi)的施工再次導(dǎo)致水管儀數(shù)據(jù)畸變，11 月1 日至4 日施工時(shí)間段為07:00-22:00，同時(shí)段內(nèi)水管儀北南分量出現(xiàn)數(shù)據(jù)畸變，夜間施工停止后儀器數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。11 月5 日觀測(cè)洞室內(nèi)施工結(jié)束，水管儀數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

3 結(jié)論

通過對(duì)宜昌臺(tái)水管儀數(shù)據(jù)畸變現(xiàn)象的分析，對(duì)儀器受施工干擾的影響有了比較清晰的認(rèn)知，臺(tái)站人員在處理異常觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，要準(zhǔn)確地分辨出施工干擾與其他因素干擾，才能避免將各類干擾因素當(dāng)作地震前兆信息。由于水管儀極易受臺(tái)站周邊工程施工的干擾，在儀器日常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量避免在臺(tái)站周邊進(jìn)行大型工程施工，保持觀測(cè)環(huán)境穩(wěn)定，才能獲得更高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。