银川台DSQ水管倾斜仪的干扰分析

李自芮，李国斌，沈 宁，王建亮

（1.宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001；2.银川基准台，宁夏 银川 750001）

0　引言

水管倾斜仪是测量地壳形变水平倾斜变化的一种仪器，能为地球固体潮汐、地壳岩石性质及地球参数等提供科学数据。本文从台站观测的第一手资料入手，对影响银川台DSQ水管倾斜仪（以下简称DSQ水管仪）观测的常见干扰因素进行了具体分析，并总结了典型干扰因素的变化特征。

1　银川台水管倾斜仪的观测条件和运行情况

1.1　台站观测环境

银川台小口子测点（以下简称银川台）位于贺兰山东麓断裂西侧，海拔1545m。形变观测山洞基础岩性为前震旦系花岗片麻岩，呈“之”字形，主洞长90余米，宽1.6m，洞体、侧室均采用中空双层拱形砖石被覆，中间隔层厚0.42米，山洞顶部基岩厚约50m，覆盖层厚度约100m。洞内年温差≤0.2℃，相对湿度60～70%，银川台观测环境条件符合地震行业规范（中国地震局，2003）要求。距山洞西偏南150m沟谷中有一深井，井深112.58m。每年3—11月抽水，对形变观测资料造成不同程度的影响，尤其对各套仪器EW向资料影响较大。

1.2　仪器性能参数与运行情况

银川台DSQ水管仪架设在小口子形变观测山洞里，2001年7—8月按照“九五”台站改造项目要求，将原FSQ型水管仪拆卸，在原位置上组装架设新研制的DSQ型水管仪，以正NS向和EW向分布在主洞室中，NS向基线长30.32米，EW向基线长30.39米；观测条件符合规范要求，于9月1日开始试记，于2002年1月1日正式投入观测。2015年11月将DSA-2数采更换为“十五”EP-3型数采。银川台小口子测点地下水为非封闭的基岩裂隙水，补给完全靠大气降水。银川台DSQ型水管仪的性能参数详见表1，山洞仪器布设情况见图1。

图1　银川台山洞仪器布设平面图Fig.1　 The cave instrument layout plan of Yinchuan Seismic Station

表2　银川台DSQ水管仪性能参数

2　影响银川台DSQ水管仪观测的常见干扰因素分析

2.1　银川台DSQ水管仪正常动态识别

要识别DSQ水管仪观测中的干扰和异常变化，首先要了解数据的正常动态变化。水管仪的观测数据根据时间长度不同，表现形态也不同。按照年、月和日这三类时间尺度可对银川台DSQ水管仪观测数据的正常动态进行识别。

（1）年正常动态表现形态：银川台DSQ水管仪观测数据的年动态变化表现为近正弦曲线的变化规律（受年变化温度较大），年正常动态表现形态如图2所示。

图2　银川台DSQ水管仪年正常动态表现形态Fig.2　 The annual normal dynamic performance of Yinchuan Seismic Station

（2）月正常动态表现形态：银川台DSQ水管仪的观测数据去除趋势变化后，可见清晰的固体潮变化，趋势变化多以线性或二次抛物线型变化为主，月正常动态表现形态如图3所示。

图3　银川台DSQ水管仪月正常动态表现形态Fig.3　 The monthly normal dynamic performance of Yinchuan Seismic Station

（3）日正常动态表现形态：银川台DSQ水管仪可以记录到清晰的固体潮日变化，一般每天有两个波峰和两个波谷，日正常动态表现形态如图4所示。

图4　银川台DSQ水管仪日正常动态表现形态Fig.4　 The daily normal dynamic expression of Yinchuan Seismic Station

2.2　银川台DSQ水管仪常见干扰因素分析

DSQ水管仪观测数据的非正常变化形式主要表现为高频变化、台阶、突跳、数据出错和数据缺失等。造成以上非正常变化的因素主要有观测系统故障、自然环境影响、场地环境影响、人为干扰和地球物理事件影响。本文统计了银川台DSQ水管仪从2016年1月1日至2017年12月31日的观测数据，共统计了171例有干扰影响的事件，经分析得出：对银川台DSQ水管仪的观测影响最大的干扰因素是地球物理事件，比重可以占到50%，其次是人为干扰、自然环境干扰和场地环境干扰，比重分别为27%、13%和9%，观测系统故障影响最小，仅有1例。鉴于地球物理事件的影响随机性较高，及观测系统故障对银川台DSQ水管仪的干扰影响较小， 故本文只详细分析自然环境、场地环境和人为干扰对水管仪的影响。银川台DSQ水管仪影响因素占比如图5所示。

图5　银川台DSQ水管仪干扰因素占比Fig.5　 The interference factor of DSQ water pipe in Yinchuan Seismic Station

2.2.1自然环境影响分析

刮风会使地壳的负载加大，造成地面短时间形变，会对观测资料造成干扰。此种影响多造成观测曲线起毛、变粗或出现锯齿状。在银川台DSQ水管仪的日常观测中，自然环境影响的主要因素是风扰。本文统计了23例受自然环境影响的事件，只有1例为降雨干扰，其他均为刮风干扰。风扰几乎为全年干扰。影响时长从几小时可达数十小时，数据的变化幅度一般在十几个毫秒以上，对银川台的DSQ水管仪观测数据的质量影响非常大。银川台DSQ水管仪受刮风干扰的影响如图6所示。

图6　银川台DSQ水管仪受刮风干扰的影响时长与变化幅度关系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

银川台DSQ水管仪2017年3月23日06：30至16：50数据受刮风干扰，风力约4级，受干扰曲线呈毛刺状，南北向最大变化幅度为1.96（ms），东西向最大变化幅度为2.02（ms），其他时段数据曲线变化正常。刮风因素影响产生的干扰如图6所示。

图7　受刮风因素影响产生的干扰Fig.7　 The influence of wind-blowing factors

2.2.2场地环境影响分析

本文共统计了15个受场地环境影响的事件，场地环境影响的主要因素是抽水。距离观测山洞约150米处有一机井，每日08时至18时，间歇性抽水，对数据造成固体潮畸变，北南向受干扰小，东西向受干扰较大。除每日固体潮发生畸变外，抽水时段北南向趋势向上，东西向趋势向下。该抽水机井为当地生活、灌溉生产用水井，与用水方多次沟通无果。抽水事件继续持续，无后续正常背景时间。本文统计了抽水干扰的影响时长与变化幅度的关系，经计算两者的相关系数为R=0.923566，影响时长与变化幅度有很好的相关性，基本呈正相关，再次证明了抽水对水管仪观测的影响。银川台DSQ水管仪受抽水干扰的影响时长与变化幅度的关系如图8所示。

图8　银川台DSQ水管仪受抽水干扰的影响时长与变化幅度的关系Fig.8　 The relationship between the duration and range of the pumping interference of the DSQ water pipe in Yinchuan Seismic Station

银川小口子（64002）DSQ水管仪（6）2016年10月16日至10月29日，东西分量数据受距离观测点150米机井抽水干扰，抽水对数据造成固体潮畸形，抽水时段最大变化幅度约为266.16ms。该抽水机井为当地生活生产用水井，规律为长期间断性抽水，与当地管理部门多次沟通无果。 北南分量数据变化正常，未受到明显干扰， 最大变化幅度79.74ms。

图9　受抽水因素影响产生的干扰Fig.9　 The influence of pumping factors

2.2.3人为干扰影响分析

本文共统计人为干扰事件47例，主要是仪器标定、调零或在日常观测中，人员进洞对仪器进行检修、维护或架设新仪器时造成的干扰，此种影响会造成观测曲线呈尖峰突跳、缺数、台阶和毛刺。水管仪受人为干扰的影响时长以20分钟为隔断进行统计，得出：人为干扰影响银川台DSQ水管仪观测的时间一般为40分钟以下，主要因素为仪器标定、调零或检修；影响时间超过100分钟以上的，主要因素是架设新仪器或者更换故障仪器元器件。银川台DSQ水管仪受人为干扰影响时长统计如图10所示。

图10　银川台DSQ水管仪受人为干扰影响时长统计Fig.10　 The time statistics of the influence of human disturbance on the DSQ water pipe instrument of Yinchuan Seismic Station

（1）人为进洞干扰

人为进洞开门时形成了空气对流，人进入洞室后，由于人体温通常高于洞室温度，因而会很快产生热扩散，随着进洞时间增长，温度亦逐渐升高，空气对流也加快，从而影响到仪器各部分和基墩的不均匀变形[2]。银川台DSQ水管仪2017年7月20日15:17至17:58，因中国科学院测量与地球物理研究所来台进行绝对重力测量，进入山洞架设仪器，进洞期间对水管仪造成干扰，观测曲线出现大幅度脉动现象，作缺数处理。人为进洞因素影响产生的干扰如图11所示。

图11　人为进洞影响产生的干扰Fig.11　 Interference caused by artificial entrance

（2）仪器调零

2016年12月4日12：13至12：41对银川台DSQ水管仪北南向和东西向进行加水调零，造成此时段内观测数据北南向和东西向受到影响，出现错误数据以及台阶，按缺数和台阶处理，北南向变化幅度为147（ms），东西向变化幅度为420（ms）。仪器调零因素影响产生的干扰如图12所示。

图12　仪器调零影响产生的干扰Fig.12　 The interference caused by zero influence of instrument

（3）仪器标定

银川台DSQ水管仪2017年6月29日15：45至17：46，对水管仪进行了两次标定，第二次标定结果合格。干扰数据呈毛刺和台阶状，用缺数和台阶方法处理；最大变化幅度约为9.85（ms）。仪器标定因素影响产生的干扰如图13所示。

图13　仪器标定影响产生的干扰Fig.13　 The interference caused by the calibration of the instrument

3　结论

通过对银川台DSQ水管仪两年的观测数据进行初步分析，认为水管仪可以清晰的记录到固体潮的变化与地震，仪器在日常观测中受自然环境、场地环境与人为干扰的影响较多，平时应做好防范和消除工作。对于自然环境的影响在观测中我们无法避免，所以在日常值班中应多注意天气的变化，收集气象三要素，做好值班记录，加强对自然环境干扰的各种因素进行特征总结，可以为观测数据的跟踪分析提供依据。对于人为干扰，应尽可能做到对仪器故障的快速和准确的处理，尽可能缩短人为干扰时间，平时应加强对仪器的维护，多总结仪器多发故障的解决办法。在今后的日常观测中，我们要不断积累经验，总结出典型干扰的特点，捕捉地壳内真实的异常变化信息，提高地震预报资料的准确度。

参考文献:

[1]狄樑.常熟地震台DSQ水管倾斜仪干扰分析[J].地震地磁观测与研究,2012,33（1）：57-60.

[2]金克俭.地倾斜干扰因素的典型图像分类与说明[J].地壳形变与地震,1986,6（2）：131-136.

[3]张楠,王利波,吴迪.石嘴山地震台DSQ水管倾斜仪干扰因素概括分析[J].防灾减灾学报,2013,29（3）：54-59.