云南区域DSQ型水管倾斜仪观测质量分析及改进措施

方 伟，起卫罗，杨 祺，杨 星，汤长江

(1.云南省地震局，云南 昆明 650224；2.云南省地震局永胜地震台，云南 永胜 674200)

DSQ型水管倾斜仪是自动测量地壳倾斜变化的一种精密仪器，用于测定地壳长期缓慢倾斜变化、倾斜固体潮以及捕捉临震前兆信息(中国地震局，2012)，在地震前兆观测和地球动力学研究领域发挥着不可替代的作用，水管倾斜观测数据质量直接制约着地震事件预报水平。结合观测山洞基础信息，通过对水管倾斜观测质量分析判定，对进一步了解云南区域观测环境的详细情况，提高水管倾斜仪运行质量、观测数据可靠性以及研究地震孕育的倾斜变化规律等方面有着重要意义。

1 台站及观测山洞基本情况

云南省区域地震前兆台网经过几十年的建设以及逐步调整和优化，特别是经过“九五”和“十五”项目建设，基本建成了综合性、数字化、网络化、标准化和现代化的地震前兆观测台网。本文主要涉及5个DSQ型水管倾斜仪观测台站，其基本情况如下：(1)云龙地震台属国家形变观测基本台，地处于龙陵、保山地震带及中甸、丽江地震带之间，在距云龙县城边100 m左右的南山半山坡上，台站北西面距澜沧江支流沘江约500 m，北面距狮尾河(季节河)约80 m；北面60 m山脚下有一条(非主要)公路通过；西面(距山洞约70 m处)有一山箐沟，旱季时无水，雨季时山洪顺沟而流。云龙台山洞引洞设隔离门7道(不含9个观测硐室门)，船舱门2道，仪器观测墩均为洞体原生细砂岩墩。结合数十年观测研究，该台除偶尔受气候(如强风、暴雨等)轻微干扰外，无明显干扰源。(2)永胜地震台属国家形变观测基本台，地处于程海断裂北段，距永胜县城3 km左右，观测洞西面有一条防洪排水沟渠(宽约1.5 m，水泥砼浇筑，流量不大)，旱季时无水，雨季时山洪顺沟而流。永胜地震台拥有210 m专用观测山洞，引洞约61 m，山洞引洞设隔离门7道，船舱门2道，仪器观测墩为完整坚硬的石英砂岩粘接块墩(完整的砂岩石块与洞体原生基岩用水泥粘接而成)，经数十年的观测研究，该台除偶尔受气候(如暴雨、气压等)轻微干扰外，无明显干扰源。(3)云县地震台属全国形变观测基本台，位于云县县城边，与祥临公路(车流量较大)相距约200 m，台站处在澜沧江西部与青藏断块地区的川滇隆起部，该地区常年受多重应力的作用导致地质构造和动力特征十分复杂。云县台观测山洞全长240 m，引洞约120 m，平均覆盖层厚度约50 m，山洞引洞设隔离门6道，船舱门2道，仪器观测墩为完整坚硬的花岗岩粘接块墩，经40多年观测研究发现，该台受降雨干扰、人为干扰、雷击影响较大(曹白伦等，2017)。(4)丽江地震台属全国形变观测基本台，位于丽江市黑龙潭公园旁的象山脚下，台站处在川滇“页”字形与云南“山”字形西翼(红河断裂北端)构造带复合部位。丽江台观测山洞全长约150 m，引洞约97 m，山洞引洞设隔离门5道，船舱门2道，仪器观测墩为坚硬完整的灰岩粘接块墩(东端、西端、南端)和经打磨的原生基岩墩(北端)，平均覆盖厚度约106 m，覆盖面为天然灌木植被夹杂出露的灰岩岩体，坑道洞口位置下陡75°左右、上缓45°左右，山坡下部背阳坡。经多年观测研究发现，该台受雷击、潮湿、人为干扰等因素影响较大。(5)昭通地震台属全国形变观测基本台，位于昭通市昭阳区圆宝山脚下的二环路边，观测山洞山体东西两侧被大量开挖建设房地产，台站处于小江断裂西边，东临马边—彝良断裂，是地震活动频繁的地区，台基属晚生代二叠纪玄武岩。昭通台观测山洞全长110 m，引洞长97 m，山洞覆盖层厚度约40 m，山洞引洞设隔离门4道，船舱门1道，仪器观测墩均为完整坚硬的粘接块墩。该台站观测环境受到严重破坏，常年受周边基建、降雨、道路车辆行驶等因素干扰。云南区域5个观测山洞的洞体信息及水管倾斜记录参数信息见表1。

表1 地震观测山洞洞体信息及水管倾斜记录参数

注：洞温年变为2015～2017年SSY型伸缩仪洞温传感器记录的洞温年变的算术平均值，其中丽江台洞温仪器常出现故障，其数据为非故障时段的洞温仪器观测数据的算术平均值。

表2 2015～2017年云南区域DSQ型水管倾斜观测数据完整率统计

注：完整率均采用学科组的月评结果统计计算所得。

2 观测资料质量分析

2.1 数据完整性分析评价

数据完整性是观测数据质量的基础评价指标，它反映了观测系统运行状态及产出数据的可用情况。完整率为仪器产出的有用数据总数与仪器应产出数据总数的百分比(刘春国等，2017)，其中，有用数据为原始观测数据按照形变学科预处理标准预处理后的剩余数据(简称为预处理数据)。在全国数字化形变资料评比中，当观测数据完整率大于(或等于)99.5%不扣分(中国地震局，2012)。云南区域5个地震台2015～2017年的水管倾斜观测数据完整率见表2。结合数据缺数预处理情况汇总表(见表3)分析可知，2015～2017年云龙台3个分量、云县NS向、昭通NS向的完整率较高，说明云龙、云县、昭通3个台的DSQ型水管观测系统的洞外部分的主机和数采部分工作较为稳定。云县EW向、昭通EW向数据完整性相对不理想的原因是其洞内传感器模块故障较多、标定困难所致。丽江DSQ型观测系统故障率较高，仪器工作不稳定，观测数据完整性较低。

表3 2016～2017年云南区域DSQ型水管倾斜观测数据缺数预处理情况汇总

注：缺数预处理范围包括仪器故障检修缺数处理、调零标定缺数预处理、明显干扰缺数预处理等。

2.2 观测系统稳定性分析评价

观测系统的稳定性直接影响着观测数据的完整性。观测系统稳定性除了与仪器设备本身质量有关外，最重要的影响因素是各观测系统的运行环境，如设备的供电稳定水平、观测山洞温度变化、观测山洞湿度、观测区周边生态环境等。结合云南区域5个观测山洞的洞体信息及水管倾斜记录参数信息(见表1)，利用年零漂、年变幅以及相对噪声水平等指标来分析5套水管倾斜观测系统的稳定性。

(1)年零漂和年变幅

年零漂主要是用来衡量观测仪器及其基墩稳定程度或地壳继承性的新构造运动(中国地震局监测预报局，2008)。零漂一般受元器件老化导致仪器本身漂移、地球内部密度变化或物质迁移、外界干扰(包括温度、气压、电压、湿度等变化)影响(吴雪芳等，1984)。根据《地震及前兆数字观测技术规范》要求，地倾斜观测年零漂小于2 000 ms。本文中的年零漂采用潮汐值法(中国地震局，2012)，用每年的12月31日23时整点值减去同年1月1日零点值所得(见图1)。年变幅是一年中观测数据的最大值减去观测数据的最小值所得，统计结果见图2，年变幅的大小可以用来表征观测山洞热弹形变大小。

图1 DSQ型水管倾斜仪各测向观测数据年零漂统计

图2 DSQ型水管倾斜仪各测向观测数据年变幅统计

结合表1中的观测山洞洞体信息，综合分析图1、图2可知：①年零漂、年变幅参数能较好的表征观测山洞抗气象干扰的优劣程度；其中年零漂、年变幅参数较优的分别是云龙台、永胜台、丽江台。②5个台站中，只有昭通台水管仪EW向年零漂大于 2 000 ms，不达标，这主要是由于昭通台观测山洞所处的圆宝山东西两侧山体在近两年来被大量开挖建设房地产，受环境干扰所致。③云县台3分量年零漂较小而年变幅较大，这主要是因为云县观测山洞覆盖厚度较薄，形变观测山洞所在山体疑为滑坡体，易受天气(降水、雷电)干扰，一年雨旱两季中，云县观测山洞受天气影响导致热弹形变量较大(曹白伦等，2017)。

(2)相对噪声水平

长周期拟合相对噪声水平M1是表征地倾斜潮汐观测资料的1年长期稳定性精度的重要的定量指标，本文中的相对噪声水平M1是采用契比雪夫多项式与1年度观测资料73个五日均值作30阶拟合而得(周克昌等，2011)，各台站观测数据的相对噪声水平见图3。根据《地震及前兆数字观测技术规范》要求，相对噪声水平需小于0.02″(中国地震局，2012)。从图3可看出云南区域5个台站的相对噪声水平均小于0.02″，其中相对噪声水平较好的为云龙台、永胜台、丽江台3个台站。

注：2015年丽江台2分量因仪器故障缺数较多导致M1无法计算；2016年昭通台EW向因仪器故障导致M1>0.02″。图3 DSQ型水管倾斜仪各测向观测数据相对噪声水平统计

2.3 固体潮汐参数分析

本文中的固体潮汐参数主要是观测数据M2波潮汐因子相对中误差Mr(简称内精度)和观测数据潮汐因子标准差(简称外精度)(刘春国等，2017)。其中，M2波潮汐因子相对中误差Mr是衡量倾斜观测资料内精度的一项最重要的指标，观测数据潮汐因子标准差是衡量倾斜观测资料外精度的一项重要指标。本文中M2波潮汐因子相对中误差是按地震行业标准《地震地壳形变观测方法 地倾斜观测》(DB/T 45-2012)中的Venedikov调和分析方法，选取每个测向1个月长度的倾斜观测数据分别进行Venedikov调和分析，图4中的计算结果为Mr的年平均值。按照《地震及前兆数字观测技术规范》要求，M2波潮汐因子相对中误差Mr需小于0.02″。云南区域5个台站的水管倾斜观测系统观测数据M2波潮汐因子标准差(简称外精度)如图5所示。外精度表征了各测向观测数据M2波潮汐因子序列的离散程度(杨绍富等，2017)，其测值越小，观测精度越高。

图4 DSQ型水管倾斜仪各测向观测数据M2波潮汐因子相对中误差统计

图5 DSQ型水管倾斜仪各测向观测数据M2潮汐因子标准差统计

从图4、图5中可看出：①云南区域5个台站的水管仪观测资料内精度Mr均小于0.02″，云南区域5个形变观测台站均达到国家I类台标准。其中Mr内精度较好的台站分别是云龙台、永胜台、丽江台。②云南区域5个台站的水管仪观测资料外精度较好的台站为云龙台、永胜台、云县台。其中丽江台外精度较差的主要原因是系统故障较多，供电系统不稳定，山洞密封性较差使观测系统受外界干扰较大(主要指洞温年变大、洞内气压变化大等)，从而导致观测数据突跳、台阶异常情况较多。

3 结论及改进措施

通过对云南区域5套水管倾斜观测系统的分析发现：①水管倾斜仪基线长度、观测系统信号放大倍数是影响DSQ型水管倾斜观测系统内精度的重要指标(曹白伦等，2017)；②观测山洞密封性和相对湿度指标是影响洞内装置系统是否稳定运行的重要指标，在新建、改造观测山洞时，应将观测山洞密封性与相对湿度指标放在最首要位置。为提高山洞内观测系统的质量，观测山洞应尽量满足以下定量指标：山洞覆盖厚度应大于80 m且山体植被茂盛为宜；山洞基岩应完整且以细砂岩和花岗岩为最佳；观测墩基线长度大于30 m；洞温年变应小于0.08 ℃且相对湿度小于85%；洞内照明线路应将交流供电方式改成48 V直流供电方式，观测区与引洞之间设防水开关。综合考虑各台站的观测山洞信息以及观测质量指标分析结果，提出相应的改进措施，从而提高云南区域各台站DSQ型水管倾斜观测质量。

(1)丽江水管倾斜观测系统除数据完整率、观测数据外精度质量指标较差外，其M2波潮汐因子相对中误差、M1相对噪声水平、年零漂、年变幅度等各项质量指标相对较好，总体来看，丽江台观测山洞硬件条件较好，适宜开展地震前兆观测。此外，丽江水管倾斜观测系统存在装置系统故障率高、洞体密封性差、湿度大等问题。为提高观测质量，提出如下改进措施：①现山洞内的测量线路是从山洞房房顶布设至二楼机房，线路布设方式在雷雨天气受干扰较大，最好应将水管仪观测主机放在山洞房内，以减少雷雨天气的干扰；②丽江台常出现因UPS负载功率较大导致电压不稳的情况，建议架设监测设备专用供电线路，减少 UPS负载，配备参数稳压器；③从表1中可看出，丽江台洞温年变较大(大于0.44℃)，相对湿度较大，山洞密封性不佳，建议封堵洞内线槽孔、更换密封门、更换仪器保温泡沫等(赵长红等，2009)；④丽江台观测日志描述不清晰，月报中预处理原因不详细，数据预处理中存在过处理情况，应加强日常预处理的规范性管理。

(2)云县观测山洞相对湿度最大，洞体温度最高，洞体覆盖厚度较薄，整个山体在降水、雷电天气影响下热弹形变量较大，水管仪NS分量观测基线长度较短，总体来看，云县观测山洞硬件条件不是很理想。从各项观测数据质量指标来看，除数据完整率指标相对较好外，年零漂、年变幅、M2波潮汐因子相对中误差、M1相对噪声水平等指标均不理想，尤其是云县水管仪NS分量因基线较短，导致该分量M2波潮汐因子相对中误差值较大，内精度较低。为提高观测质量，提出以下改进措施：①建议在资金允许的条件下，重新选点新建观测山洞；②尝试调整水管NS分量放大倍数，找出适合该分量的最佳放大倍数；③因山洞较为潮湿，洞内信号线易腐蚀、标定齿轮易卡死、传感器易受潮，建议更换防潮性能较好的信号线缆，将洞内基线部分重新加盖防潮保温泡沫，并铺设防水塑料膜(杨绍富等，2018)。

(3)昭通水管倾斜观测系统运行稳定，日常预处理工作详细，但观测山洞硬件条件不足，具体表现为观测分量基线较短(均有12 m)、山洞覆土厚度较薄，观测山体受房地产开发干扰严重。在资金充足的条件下，建议选点重建观测山洞。

(4)永胜水管倾斜观测系统运行稳定，各项质量指标较优秀，时有雷雨干扰、人为干扰。结合各分量的质量指标分析情况，提出几点改进措施：①结合故障统计情况与各分量数据完整率情况，永胜台应加强日常预处理工作，避免过处理情况发生；②装置运行方面，应注重雨季防雷，注重标定装置养护，尽量减小因进洞调零、标定、检修养护造成的人为干扰；③永胜水管NS分量观测数据M2波潮汐因子相对中误差相对EW分量较大，建议调整NS分量信号放大倍数，找到适合该分量的最佳放大倍数。

(5)云龙水管倾斜观测系统运行稳定，观测山洞硬件条件较为理想，各项质量指标较优秀，应减小观测人员进洞调零、标定、检修的人为干扰，加强台站观测数据成果产出方面的工作。