外裝置系統改造前后嘉山臺地電阻率數據質量對比探究

尹天杰 張明明 孫亮亮 趙桂寶

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2103-5042-8585

摘? 要：該文簡要介紹了嘉山臺地電阻率外裝置系統改造工作。通過整理歸納改造前后的觀測數據，采取對比日變化曲線特征、月精度值大小等方式方法，分析改造后的數據質量是否得到優化，以此來對改造效能進行評價。對比分析發現，嘉山臺在外裝置系統改造后，日變特征并無顯著差異，但是通過計算，月觀測精度相對于改造前數值變小。并發現改造后兩測道均方差值在某些特定時段差異性較大，推斷出該臺地電阻率觀測受南京地鐵3號線干擾。通過以上探究，得知此次改造觀測數據質量相對有所提升，但是受到相關不可控因素的制約，數據質量還有較大的提升空間。

關鍵詞：地電阻率? 裝置系統? 精度? 對比分析

中圖分類號：P315? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）03（b）-0066-03

Comparative Study on the Quality of Resistivity Data of Jiashan Station before and after the External Device

System Transformation

YIN Tianjie1? ?ZHANG Mingming2? SUN Liangliang1? ZHAO Guibao1

（1.Jiashan Seismic Station of Anhui Earthquake Agency， chuzhou， Anhui Province， 239400 China;

2. Mengcheng Seismic Station of Anhui Earthquake Agency， bozhou， Anhui Province， 233500? China）

Abstract： The paper introduces the reconstruction of the external device system of the ground resistivity of Jiashan station. After the transformation， the observation data are summarized and compared with the characteristics of daily variation curve and the size of monthly accuracy value. The data quality after the transformation is optimized is analyzed to evaluate the efficiency of the transformation. The comparison analysis shows that the characteristics of daily variation are not significantly different after the external device system is reformed. However， through calculation， the monthly observation accuracy is smaller than that before the transformation. It is found that the mean square deviation of the two channels is different in some specific periods after the transformation. It is concluded that the earth resistivity observation of our station is disturbed by Nanjing Metro Line 3. Through the above research， we know that the quality of the reconstructed observation data has been improved relatively， but restricted by the relevant uncontrollable factors， the data quality still has a larger space to improve.

Key Words： Earth resistivity; Device system; Accuracy; Comparative analysis

嘉山臺地電阻率自2000年開始數字化觀測以來，外裝置系統已有20年沒有進行大規模改造，由于該臺外場地環境復雜，受到電極老化和線桿線纜破損等因素影響，觀測數據質量近幾年下降明顯。該臺經過前期方案設計，報上級部門審批，于2020年10月開展外裝置系統改造工作，在11月中旬改造完成，開始試運行，并于11月26日投入正式觀測。

1? 地電阻率觀測簡述

嘉山臺地電阻率于1973年投入觀測，第一代儀器為DDC—2A地電儀，1991年和2000年分別更換PZ40數字地電儀和ZD8B地電儀。2013年，數字化地電儀ZD8M投入觀測并使用至今。地電外線路采用架空方式，外場地布設在村莊及農田里，測區內有廠房、水渠和養殖場分布，環境較為復雜。布極方式采用四極對稱法，共有EW、NS兩個測向，供電電極和測量電極各4個。

2? 外裝置系統改造

2.1 線路改造

該臺地電阻率外場地布設于村莊和農田，局部有層次不齊的樹木樹枝貼靠在線桿周圍，一遇強風天氣，樹枝就有可能與線纜產生摩擦，再加上雨水長此以往對絕緣外皮的侵蝕，線纜出現了嚴重的磨損。也有部分線桿靠近鄉道邊，且線桿高度較低。農忙時期容易受到收割機等農用機械的剮蹭，從而造成損壞。

該次線路改造，新線纜采用多股銅芯線，對測區線纜和瓷壺進行整體更換，為了解決電纜線接頭過多的問題。該次改造還采用了電纜線從配線盤至電極引線處無接頭處理。對于靠近路邊的線桿進行了遷移，或者用高程更高的水泥桿在原位置替代舊線桿。且為了防止漏電及地下水對觀測造成影響，施工人員將EW測向向東平移了150 m以達到避開鋼架結構廠房和水渠的目的[1]。

2.2 電極埋設

此次更換的電極是1 m×1 m×0.001 m的鉛板電極。在電極埋設之前，對引線和鉛板的連接處采用電焊的方式進行加固;對電極表面進行清潔，保證其入土前的穩定性。埋設過程中，為避免受地表水下滲影響及保證同測向高差恒定[2]，基坑深度均達到3 m以下。由于臺站駐地土質土壤類型復雜多樣，有部分基坑內含有大量巖石和白色粘土，為保證電極周圍物理環境穩定，此類基坑內原有土壤和雜質均被清理，且采用大量優質黃土回填。

改造過程中，對電纜線進行絕緣和漏電測試、對新埋電極的接地電阻進行檢查，試運行期間對觀測主機進行數次標定。結果均符合規范要求。

3? 觀測數據質量對比

3.1 日變化特征對比

由于改造后觀測時間較短，暫時無法根據年變化特征進行對比探究。為了使數據時間對等，特選取了改造前后最近一個月的NS向整點值數據，通過MATLAB小波去噪分析，對數據進行消噪處理[3]，繪制出消噪后單月日變化曲線（見圖1）。雖然消噪后對隨機波動的抗干擾能力增強，但兩個月份并不能完全呈現出有周期規律性的日變化形態。且每日極大極小值的時間也并不固定。對比9月與12月這兩月份的曲線變化形態，不難發現改造前后并無明顯差異。

3.2 月觀測精度數值對比

地電阻率的觀測精度是恒量數據變化幅度大小的一個重要指標。觀測精度越小，離散能力越弱，數據越穩定。反之數據波動性越大。精度可通過均方根誤差來表現其特征，用均方根誤差σn-1來表示均方根誤差表征測量值在均值附近波動大小，公式（1）中，n為觀測次數，為第i次的觀測值，為的算數平均值[4]。

通過地電數據處理軟件計算，對2020年8月到2021年2月這7個月的月觀測精度進行統計。因兩測向場地環境的差異，從表1中可以發現，改造前NS向精度明顯優于EW向，從外裝置系統改造完成（2020.11）開始，兩測向月精度值較前期數值都有一定幅度下降，其中由于此次改造基于EW向地理位置與電極地下結構的特殊性，對該測向改動投入較大，其變化幅度較EW向也更為顯著。根據平均精度計算得出：較改造前提升約29%[5]。

3.3 改造后特定時段的均方差值對比

改造后，值班人員經過多天觀察，發現夜間0時到清晨5時兩側向地電阻率數據變化幅度很小。均方差反映的是數據的離散程度，所以對應時段的均方差值也很小，相反，在其余時段，均方差高于夜間0時到清晨5時時段數值且浮動較大（見圖2）[6]。通過查閱查詢相關文獻和相關地電阻率臺站數據，得知數據穩定時段和離臺站距離最近的南京地鐵三號線停運時段剛好吻合（南京地鐵三號線林場站距離臺站直線距離為80 km）。調取改造前多日均方差數據，發現并無相似于與當前變化的特定時段。

4? 結論

通過前期實地考察以及對相關數據的測定，該臺設計了精細可靠的改造方案，通過近一個月的施工，對線纜、線桿、電極等進行更換;并對測量、供電極距和電極基坑做了調整。通過對比日變化曲線、月精度值以及改造后特定時段的均方差值，得出以下結論。

（1）消噪后的日變化曲線在改造后并無顯著變化，日變不清晰，周期規律性不明顯。背景噪聲多源于場地環境內各種固定干擾源，由于此次改造受經費制約，未對觀測環境進行大范圍的整改。

（2）兩測向數據精度較改造前都有所提升，其中NS向較好，EW向變化較前期更為明顯，但EW向平均精度值仍徘徊在0.4（>0.3）左右，與全國先進地電臺站的還存在一定的差距。NS向場地環境基礎差是精度值不理想的原因。

（3）改造后夜間0時到清晨5時均方差較其余時段數值小，經類比分析：其余時段受南京地鐵三號線干擾影響，但改造前數據變化并無此特征。該臺初步分析是由于此地鐵干擾源距離臺站相對較遠，干擾程度有限，且改造后，外裝置系統得到了優化，規避過濾掉了部分其他干擾因素，使得此數據變化特征較改造前更容易顯現出來。

綜上所述，此次外裝置系統改造后，觀測數據質量相對有所提升，但是受到場地環境基礎差、經費有限等不可控因素的制約，并未達到理想預期。后期該臺將對改造后影響數據穩定性的干擾因素開展進一步研究分析，嘗試消除或減少各類干擾因素，最大限度地提升地電數據觀測質量。

參考文獻

[1] 孫亮亮，袁勇，尹天杰，等.嘉山臺地電阻率裝置系統改造方案設計[J].科技資訊，2020（29）：71-73.

[2] 樊曉春，李偉，葉青，等.江寧臺井下地電阻率電極接地電阻分析[J].中國地震，2020（6）：126-135.

[3] 解滔，盧軍，閆偉.地電阻率日變化成因分析[J].地震地質，2019（6）：1464-1480.

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[6] 王燚坤，何康，李軍輝，等.合肥中心臺地電阻率地鐵干擾分析與抑制處理[J].華北地震科學，2019（3）：67-74.