形变观测受降雨干扰的数据对比分析

徐诚　姜海　郑世禄　胡雪琪

【摘 要】在考察了蓟县台新山洞及小辛庄山洞地质构造、局部地形特征及覆盖层厚度等自然环境的基础上，对比分析蓟县台新山洞及小辛庄山洞水管倾斜仪观测资料受2018年7月台风“安比”所带来的降雨响应特征，进而判断受降雨干扰观测数据曲线变化趋势不一致的原因及观测数据质量。本次所分析的两套设备同为2017年后安装的DSQ型水管倾斜仪，所产出的形变观测资料对华北地区中强以上地震具有较好的应震效能，在多种干扰因素中，降雨影响较为显著。

【关键词】形变观测；降雨干扰；水管倾斜仪；对比分析

中图分类号： P315.723 文献标识码： A 文章编号： 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 臺站概况

天津蓟县地震台是天津地区唯一的地形变综合观测台，也是首都圈中东部地区稀少的定点形变台站之一，属于国家基本台网序列，该台地形变观测历史较长，始于1978年，该台形变观测资料对华北地区中强以上地震具有较好的应震效能[1]。现阶段蓟县台所管辖的形变观测山洞有蓟县台新山洞及小辛庄山洞。

蓟县台小辛庄山洞地理坐标为（40.086'N，117.53'E），海拔高程约100m，观测洞深240m，平均覆盖厚度约80m，室内日温差小于0.03℃，年温差小于0.05"C。测点所在的附近山体属于阴山纬向构造体系东部、燕山山脉东端，华北古地台的震且亚界沉积盖层，主要岩性为白云岩及白云质灰岩。在中厚层岩石内可见有石灰岩的压熔构造，说明已经过轻微的变质作用。山洞附近岩层比较连续，没有明显的断层发育，直到洞口两边的山沟也没有错断。岩层属于单斜构造，主要由中厚层的白云岩和薄层的泥质灰岩构成，各薄层间劈理都很发育，岩石破碎。

蓟县台新山洞位于主台院内，位于小辛庄山洞以西约5km处，地理坐标为（40.075'N，117.49'E），海拔高程约65m。山洞位于“燕山沉降带”的“京东台凹”的北部。震旦系地层在本区分布广泛，厚度大，山洞即位于震旦系石灰岩上。台站及附近地区在地质史上经历了多次构造运动，断裂构造较为复杂，存在一系列断裂和褶皱，跟台站关系较密切的有蓟县山前断裂和黄崖关断裂。

两山洞附近地下水丰富，山洞以南2km处有库容2-3m3的于桥水库。受山势的影响，山洞附近地下水流向是从东北向西南，当地每年6-8月份为雨季，有时也会在4月、5月或9月出现较大量的降雨[2]。

2017年天津市地震局通过京津冀地震台网更新改造项目及“十二五”地震监测技术系统完善与建设项目对小辛庄山洞及蓟县台新山洞形变观测设备进行了更新建设。现阶段同时在网运行着多套同型号倾斜、应变设备，保障数据质量的同时为对比分析提供便利条件，本文所分析的观测数据来自于两个山洞同时期安装的同型号DSQ型水管倾斜仪。

2 观测资料的降雨响应特征分析

2.1 降雨响应特征分析

洞体形变观测受降雨影响主要通过降雨入渗和载荷变化两种方式。当降雨速率小于入渗率时，降雨主要以入渗的方式使地表局部产生不规则形变，通过应力的传递进而影响仪器观测墩。从理论上分析，该方式对洞体形变观测的影响具有滞后时间长、影响周期久等特征；当降雨速率大于入渗率时，降雨的一部分沿着地表流向积水区，给积水区域额外施加载荷，进而影响观测墩的倾斜变化。该方式对洞体形变观测的影响具有滞后时间短、影响周期短的特征[3]。

2018年7月进入雨季，天津地区降雨持续，从7月24日凌晨开始，台风“安比”的中心已经来到了华北北部，这是自1972年以来首个进入天津的台风，同时天津迎来1984年以来最为正宗的台风雨，据蓟县台气象三要素观测仪统计，24日降雨量达到114.2mm。26日21时至27日02时5个小时降雨量达到54.8mm，由于降雨量大，加之雨季降雨持续，造成山区土壤雨水饱和。

2.2 观测数据特征分析

在蓟县台水管倾斜仪观测资料的多种干扰因素中，降雨影响较为显著，幅度大且影响时间久[4]，每年雨季有强降雨出现观测数据均会出现阶变。由于24日以来的降雨速率大且持续时间长，从观测数据曲线上反映的更为明显。（见图1）表1是2018年01月、02月、07月份降雨总量和同时期各测项零漂量的对比统计，从表中可以看出，降雨是形变观测的主要影响因素，形变量和降雨量相关性较好。

从图1中可以看到虽然形变量与降雨量存在相关性，但对比两套水管仪变化趋势却发现存在方向不一致的情况，受降雨影响蓟县台新山洞水管仪三个分量同时呈现向正方向零漂的趋势，小辛庄山洞水管仪两个分量同时呈现向负方向零漂的趋势。由于两个山洞地理位置接近，且均在于桥水库以北方向，笔者起初认为两套仪器通过载荷的变化观测数据曲线应该同时呈现向负方向零漂的趋势。通过与本局分析预报人员会商并查阅相关文献发现，受降雨速率、降雨时长及山洞周边局部地势地貌的影响会导致不同的载荷效应，使水管倾斜仪产生不同幅度、不同方向的倾斜变化。

从图2中可以清晰的看到蓟县台新山洞水管仪安装位置在山体东北侧，小辛庄山洞水管仪安装位置在山体西南侧，因此更加验证了受局部地形的影响导致不同载荷效应的结论。

在持续关注受降雨干扰观测数据变化趋势的同时，笔者会定期对两山洞周边观测环境进行巡查，由于小辛庄山洞内部为毛洞，未经过防水及内部装修处理，巡查人员可以清晰的看到渗入山体的雨水沿着岩石缝隙流进洞内，截至8月31日小辛庄山洞洞内依然存在雨水渗入的现象，这也说明了现阶段山体依然处于接近饱和的状态。从两套仪器观测数据曲线中也可以发现，在近期无降雨的情况下并未出现趋势转折的现象，这种强降雨使得观测资料年变形态和趋势发生很大改变，且持续几个月不能恢复，受地质构造等条件的影响蓟县台新山洞水管仪较小辛庄山洞水管仪零漂幅度更大、持续时间更久。（见图3）

3 小结与讨论

蓟县台水管倾斜仪在众多干扰因素中，受降雨影响最为明显，变化幅度较为显著。不同的降雨方式及降雨持续时间决定了对观测数据曲线的影响形态及变化幅度，多样化的降雨方式及复杂的地形地貌使水管倾斜仪观测数据资料的响应特征复杂。

通过对观测数据曲线的对比分析认为，小辛庄山洞水管倾斜仪在受降雨干扰期间所获得的观测数据资料零漂幅度更小、持续时间更短，数据质量较蓟县台新山洞水管倾斜仪更加良好。

【参考文献】

[1]汪翠枝，陈嵩，田山，等.蓟县台地形变观测资料映震效能研究[J].地震，2009，29（3）：99-108.

[2]汪翠枝，张磊，刘双庆，等.定点形变观測的降雨干扰及排除方法研究[J].华北地震科学，2010，28（1）：42-47.

[3]李宏伟，刘瑞春，王霞，等.山西昔阳地震台水平摆观测受降雨影响的数值分析[J].山西地震，2016，166（2）：2-4.

[4]丁建国，陆德明，狄梁，等.常熟台倾斜仪降雨干扰定量分析[J].华南地震，2015，31（2）：297-307.