深井抽水對(duì)地傾斜觀測(cè)影響的實(shí)驗(yàn)研究*

褚金學(xué)，方　偉，蘇有錦，趙　昆，王永安，楊玲英，李正春

(1.云南省地震局 彌渡地震臺(tái)，云南 彌渡 675600；2.云南省地震局，云南 昆明 650224)

深井抽水對(duì)地傾斜觀測(cè)影響的實(shí)驗(yàn)研究*

褚金學(xué)1，方偉1，蘇有錦2，趙昆2，王永安2，楊玲英2，李正春1

(1.云南省地震局 彌渡地震臺(tái)，云南 彌渡 675600；2.云南省地震局，云南 昆明 650224)

摘要：采用抽水、放水實(shí)驗(yàn)方法，研究地傾斜的變化量與地下水抽取量之間的關(guān)系、蓄水池池水變化量與地傾斜變化量之間的關(guān)系。通過對(duì)抽水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析研究可知：在放水速率(V放水<9 m3/h)、總放水量(T<82 m3)有限的前提下，彌渡地震臺(tái)觀測(cè)山洞正上方30 m處的蓄水池水量變化不會(huì)引起地傾斜觀測(cè)資料的明顯變化；而地下水抽取是造成地傾斜異常變化的主要原因，且地傾斜異常變化在時(shí)間上與抽水作業(yè)(起止時(shí)間)保持高度同步性；抽水活動(dòng)持續(xù)時(shí)間與地傾斜變化量是成非線性關(guān)系：隨抽水時(shí)間延長(zhǎng)，地傾斜變化速率開始較快，隨后減小。但在開始抽水2小時(shí)時(shí)段內(nèi)表現(xiàn)為近似線性關(guān)系，即NS測(cè)向VNS=-0.045 53 ms/min，EW測(cè)向VEW=-0.079 71 ms/min。通過頻域分析可知：彌渡地傾斜觀測(cè)受抽水干擾的異常信號(hào)的頻率在0.001 8～0.003 Hz之間。由此，筆者設(shè)計(jì)了帶阻濾波處理軟件對(duì)抽水干擾信號(hào)頻段進(jìn)行處理，降低了抽水作業(yè)對(duì)彌渡地傾斜觀測(cè)的影響。

關(guān)鍵詞：抽水實(shí)驗(yàn)；地傾斜；抽水干擾；帶阻濾波處理軟件

0引言

地殼在地球內(nèi)力和外力作用下不斷運(yùn)動(dòng)，由于地球的非均勻性，這種運(yùn)動(dòng)必然會(huì)在某些地區(qū)引起較大的地殼形變，在一定條件下導(dǎo)致地殼的突然破裂(地震發(fā)生)。地震與地殼形變關(guān)系最為直接，故而受到國(guó)內(nèi)外地震預(yù)報(bào)探索者的普遍重視(國(guó)家地震局，1986)。地殼形變是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，形變量的大小不僅與地殼內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)特征有關(guān)，而且與許多外界因素，如氣溫、氣壓、降雨量、蒸發(fā)量、地下水位、地表溫度以及地下不同深度的地溫等有關(guān)(劉權(quán)威，1996)。因抽水產(chǎn)生的地下水水位的動(dòng)態(tài)變化會(huì)造成所在區(qū)域局部地表形變(中國(guó)地震局科技司，1995)。作為觀測(cè)精度很高(10-8～10-10)的定點(diǎn)形變觀測(cè)在采集形變前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)常會(huì)記錄到由于臺(tái)站附近水井抽水而引起的異?，F(xiàn)象(陳鵬等，2004)。深井抽水會(huì)產(chǎn)生一定的地傾斜變化，其變化的幅度和持續(xù)時(shí)間由抽水點(diǎn)至觀測(cè)儀器的方位、距離、抽水量以及地下水降深等因素決定(陳德福等，1993；陰朝民，2003；國(guó)家地震局預(yù)測(cè)預(yù)防司，1998)。地震前兆觀測(cè)的精度直接影響了地震前兆的分析，從而影響了地震分析預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。而抽水干擾就是影響地震前兆觀測(cè)精度較大的因素之一(裴曉峰，1995)。

傾斜觀測(cè)儀主要包括水管傾斜儀、石英擺傾斜儀和鉆孔垂直擺傾斜儀等。目前這些傾斜儀器的觀測(cè)精度可達(dá)10-9，且連續(xù)性和穩(wěn)定性較好(牛安福，2003)。彌渡地震臺(tái)地傾斜觀測(cè)儀器為FSQ型水管傾斜儀，該觀測(cè)于2013年12月在模擬觀測(cè)基礎(chǔ)上升級(jí)改造成DSQ型數(shù)字化觀測(cè)。從2004年起，在彌渡地震臺(tái)觀測(cè)山洞旁的彌渡一中校園內(nèi)挖了一口深層抽水井，并在山洞的頂上方修建了一個(gè)蓄水池，每天把井水抽到蓄水池供給彌渡一中使用。該學(xué)校的抽水、蓄水作業(yè)導(dǎo)致水管傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)大幅變化，造成了觀測(cè)質(zhì)量下降以及地震前兆異常信號(hào)識(shí)別困難的問題。

彌渡地震臺(tái)這樣的觀測(cè)環(huán)境無意中營(yíng)造了一個(gè)天然的地傾斜受地下卸載與地面增壓的小實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，這樣的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)在全國(guó)同類觀測(cè)中，并不多見。本文利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，深入了解困擾彌渡地震臺(tái)形變觀測(cè)受抽水干擾的問題，了解其影響機(jī)制。進(jìn)一步研究地下水抽取、蓄水池池水變化量與地傾斜變化之間的關(guān)系，為類似抽水、蓄水使觀測(cè)場(chǎng)地增壓、卸壓，從而導(dǎo)致地傾斜觀測(cè)量變化的相關(guān)研究提供參考。

1臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境概況

彌渡地震臺(tái)位于彌渡沖擊傾斜盆地東南部邊沿近山地帶，處在金沙江—紅河斷裂系上，位于紅河斷裂與程海斷裂及楚雄—建水?dāng)嗔训慕粎R點(diǎn)處(圖1)。臺(tái)站海拔1 680 m，地貌多為侵蝕低山地貌。

形變觀測(cè)山洞是1985年在防空洞基礎(chǔ)上改造而成的地震專用觀測(cè)山洞。其中，各儀器室和引道總長(zhǎng)288 m，寬3 m，高3 m。北洞口至東西儀器室西端的進(jìn)深為20 m，西洞口至北東、南西儀器室的南西端進(jìn)深為65 m。平均覆蓋厚度約為40 m。山洞巖性以輕度風(fēng)化玄武巖為主，較破碎。洞內(nèi)日溫差小于0.01 ℃，年溫差小于0.4 ℃，相對(duì)濕度約為89%。經(jīng)過多年觀測(cè)使用，該山洞對(duì)天氣變化的抗干擾能力較好。

2抽水、放水實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)相關(guān)資料

2.1.1抽水井及其附近水文地質(zhì)資料

根據(jù)《彌渡縣第一完全中學(xué)供水井竣工報(bào)告》*西南有色306勘察工程有限公司.2004.彌渡縣第一完全中學(xué)供水井竣工報(bào)告.的鉆探揭露：本區(qū)范圍內(nèi)巖石種類單一，厚度大，地層主要由第四系浮土(主要為粉土、粉質(zhì)粘土)及玄武巖層組成。其中粉土、粉質(zhì)粘土層為相對(duì)隔水層，含水層主要為破碎的玄武巖層。玄武巖為中等風(fēng)化，上部巖芯較完整，多為長(zhǎng)柱狀，含水性相對(duì)較差。中下部巖芯較為破碎，裂隙發(fā)育，地下水水蝕明顯。其中64.1～72.0 m為層間斷層破碎帶，可見黑色斷層泥及滑動(dòng)面。含水較為豐富，地下水類型為裂隙性地下水(圖2)。

2.1.2蓄水池設(shè)計(jì)資料

根據(jù)蓄水池設(shè)計(jì)圖(圖3)可知，蓄水池形狀近似于長(zhǎng)方體(19.5 m×5.5 m×1.62 m)。距池底1.15 m、1.41 m處的池壁上分別安裝有水位傳感器a和b，當(dāng)自動(dòng)控制閥檢測(cè)到蓄水池水位下降至a傳感器位置時(shí)，水泵開始抽水作業(yè)；當(dāng)水位超過b傳感器位置時(shí)，水泵停止抽水作業(yè)。通過計(jì)算可知，在抽水實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较拢钏貙?duì)山洞所產(chǎn)生的最大理論荷載壓力變化在174 m3水所產(chǎn)生的壓力范圍內(nèi)；在自動(dòng)抽水模式下，蓄水池對(duì)觀測(cè)山洞的荷載壓力范圍是固定的，即蓄水池所產(chǎn)生的壓力變化幅度始終保持在約28 m3水所產(chǎn)生的壓力范圍內(nèi)。

2.1.3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了摸清彌渡地傾斜觀測(cè)受彌渡一中抽水作業(yè)的詳細(xì)干擾情況，研究地下水抽取量與地傾斜變化量，蓄水池池水變化量與地傾斜變化量之間存在的定量關(guān)系。結(jié)合現(xiàn)有場(chǎng)地環(huán)境，通過與水井擁有方彌渡一中溝通、協(xié)調(diào)后決定：在彌渡一中水管管網(wǎng)系統(tǒng)的不同位置布設(shè)水表，對(duì)水泵抽水量、蓄水池蓄水量、水池放水量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地布置如圖4所示，與本次實(shí)驗(yàn)有關(guān)的水管線路共有3條，一條為抽水井—蓄水池之間的供水管道，另兩條為蓄水池供水管道。通過在水管線路上安裝水表(A、B、C、D)、閘閥(a、b、c、d)來對(duì)抽水作業(yè)、蓄水作業(yè)進(jìn)行定量監(jiān)控。與彌渡一中進(jìn)行協(xié)調(diào)，在不影響彌渡一中日常用水需求的前提下，我們將實(shí)驗(yàn)日期選在學(xué)生離校的寒假、暑假期間進(jìn)行。抽水實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過分時(shí)段讀取各水表讀數(shù)，并結(jié)合蓄水池設(shè)計(jì)參數(shù)，可以計(jì)算出每一次手動(dòng)抽水實(shí)驗(yàn)時(shí)的實(shí)驗(yàn)時(shí)段、實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)、水泵抽水量、池進(jìn)水量、池放水量、池水變化量、抽水速率、放水速率等參數(shù)(表1)。

3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定性分析

3.1蓄水池池水變化量與地傾斜觀測(cè)之間的關(guān)系

根據(jù)表2蓄水池放水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況，并結(jié)合彌渡臺(tái)水管傾斜儀在蓄水池放水實(shí)驗(yàn)時(shí)段實(shí)測(cè)的觀測(cè)數(shù)據(jù)(圖5、6)進(jìn)行仔細(xì)分析，在放水速率、總放水量有限的前提下，蓄水池放水時(shí)段前后數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，并未出現(xiàn)明顯數(shù)據(jù)異常情況。為此，通過初步研究可表明：在彌渡臺(tái)形變觀測(cè)山洞上的蓄水池蓄水、放水不會(huì)對(duì)彌渡臺(tái)地傾斜觀測(cè)造成明顯干擾。

3.2地下水抽取與地傾斜變化之間的關(guān)系

表3為本次抽水實(shí)驗(yàn)所獲得的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將表3中的抽水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與抽水實(shí)驗(yàn)時(shí)段彌渡臺(tái)DSQ型地傾斜儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(圖7～9)進(jìn)行對(duì)比分析，可發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：抽水作業(yè)可導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)的彌渡地傾斜變化量相對(duì)抽水前發(fā)生明顯改變，在開始抽水和停止抽水兩時(shí)刻均同時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)；抽水所引起的地傾斜變化在時(shí)間上與抽水作業(yè)(起止時(shí)間)保持高度同步性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與李恩建等(2006)研究結(jié)果一致。抽水活動(dòng)引起的地傾斜變化，還具有隨抽水時(shí)間延長(zhǎng)先加速、后減速的變化過程。上述變化過程可以用王慶良等(2002)提出的含水層水平變形機(jī)理作出較為合理的解釋：即在抽水開始階段，下伏斷層尚處于抽水引起的地層徑向拉張應(yīng)變區(qū)域內(nèi)，斷層面上的正應(yīng)力減小；隨著抽水過程加長(zhǎng)和內(nèi)部徑向擠壓區(qū)的不斷向外發(fā)展，下伏斷層將逐漸處于抽水引起的徑向擠壓區(qū)域內(nèi)，斷層面上的正應(yīng)力又將增大。

表1　抽水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表3　水泵抽水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

4抽水對(duì)地傾斜影響的定量分析

在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定性分析之后，確定了彌渡臺(tái)地傾斜異常變化是由深井抽水引起，且抽水時(shí)間與彌渡臺(tái)地傾斜異常變化時(shí)間高度同步(圖9)，利用該實(shí)驗(yàn)成果，筆者以2014年1～8月彌渡臺(tái)DSQ型水管傾斜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)隨機(jī)選取的38個(gè)抽水時(shí)段原始數(shù)據(jù)為研究對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以便為下一步定量研究抽水量與地傾斜變化量關(guān)系提供更加充分、客觀、科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。詳細(xì)統(tǒng)計(jì)情況如表4所示。

4.1抽水干擾異常曲線的時(shí)域定量分析

使用Matlab數(shù)據(jù)處理軟件(萬永革，2007；肖本夫等，2011)對(duì)彌渡臺(tái)DSQ型地傾斜儀原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：將表4中38個(gè)抽水時(shí)段的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線匯總在一起，可得到彌渡臺(tái)2014年1～8月中隨機(jī)的38個(gè)抽水時(shí)段地傾斜實(shí)測(cè)曲線圖(圖10)；將38個(gè)抽水時(shí)段的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算，可得到在開始抽水2 h內(nèi)彌渡臺(tái)平均地傾斜變化量曲線圖(圖11a)；最后，將抽水時(shí)段平均地傾斜變化量進(jìn)行分鐘值差分處理，可得到平均地傾斜變化率統(tǒng)計(jì)圖(圖11b)。

從圖8可看出彌渡臺(tái)整個(gè)抽水時(shí)段的地傾斜變化量成非線性變化關(guān)系。但在抽水2 h內(nèi)，其因抽水而導(dǎo)致的地傾斜變化量幾乎成線性關(guān)系(圖11a)，其地傾斜變化率基本上為一個(gè)固定值(圖11b)。通過計(jì)算可得到彌渡地傾斜觀測(cè)受抽水干擾引起的地傾斜變化率為：NS測(cè)向VNS=-0.045 53 ms/min，EW測(cè)向VEW=-0.079 71 ms/min。

圖11彌渡臺(tái)38個(gè)隨機(jī)抽水時(shí)段平均地傾斜變化量(a)與變化率(b)統(tǒng)計(jì)圖

Fig.11The statistical chart of the variation amount

(a)and rate(b)of average ground tilt in the randomly selected 38 pumping periods at Midu Station

4.2抽水干擾異常曲線的頻域分析

結(jié)合彌渡一中日用水量(平均90 m3/d)統(tǒng)計(jì)情況，可初步計(jì)算出彌渡一中在日常自動(dòng)抽水模式下，平均抽水時(shí)長(zhǎng)一般在2.5～4.5 h范圍內(nèi)(表3的實(shí)際抽水統(tǒng)計(jì)情況可驗(yàn)證)，而日抽水次數(shù)與彌渡一中日用水量、用水高峰期分布有關(guān)，據(jù)表3統(tǒng)計(jì)可知彌渡一中抽水井日抽水次數(shù)(即日抽水干擾時(shí)段數(shù))約為2.5次。假設(shè)數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)段時(shí)長(zhǎng)與抽水時(shí)段時(shí)長(zhǎng)相等的情況下，彌渡臺(tái)受抽水干擾的地傾斜異常信號(hào)的周期應(yīng)是平均抽水時(shí)長(zhǎng)的兩倍，即5～9 h，轉(zhuǎn)換成頻率可知彌渡臺(tái)受抽水干擾的地傾斜信號(hào)頻率范圍在0.001 8～0.003 Hz之間，故受抽水干擾的地傾斜異常信號(hào)頻率范圍處于地傾斜固體潮的1/3日潮汐附近，通過實(shí)測(cè)曲線頻譜與固體潮曲線頻譜(左艷等，2011)對(duì)比分析可得到驗(yàn)證(圖12)。其中，彌渡臺(tái)地傾斜固體潮理論值數(shù)據(jù)是采用EIS2000專業(yè)軟件計(jì)算所得。為此，給我們提供了一種從原始信號(hào)中去除抽水干擾信號(hào)的方法。筆者通過設(shè)計(jì)帶阻濾波處理軟件把抽水干擾信號(hào)頻段濾除，帶阻濾波處理軟件的設(shè)計(jì)原理如下：把受抽水干擾的地傾斜觀測(cè)信號(hào)通過快速Fourier變換對(duì)其進(jìn)行頻率分析，然后在頻率域中將抽水干擾信號(hào)的頻率成分(0.001 8～0.003 Hz)的振幅置零，接著運(yùn)用Fourier逆變換(IFFT)到時(shí)間域從而達(dá)到濾波的效果。濾波效果如圖13所示。詳細(xì)的matlab濾波程序如下：

x=load(′dsq_ns_yu_0204_0211.txt′)；%加載彌渡臺(tái)地傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)

dt=1；N=length(x)；

n=0：N-1；t=n*dt；f=n/(N*dt)；%時(shí)間序列及頻率序列

y=fft(x)；

f1=0.0018；f2=0.003；%要濾去頻率的上限和下限

yy=zeros(size(y))；%設(shè)置與y相同元素的數(shù)組

for m=0：N-1；%將頻率落在該頻率范圍及其大于Nyquist頻率的波濾去

if(m/(N*dt)>f1&m/(N*dt)

|(m/(N*dt)>(1/dt-f2)&m/(N*dt)<(1/dt-f1))；%大于Nyquist頻率的濾波范圍

yy(m+1)=0；%置在此頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)振幅為零

else

yy(m+1)=y(m+1)；%其余頻率范圍的振動(dòng)振幅不變

end

end

plot(t/(24*60)，real(ifft(yy)))；%運(yùn)用IFFT變換回時(shí)間域并繪制濾波后的數(shù)據(jù)曲線

5結(jié)論

經(jīng)過對(duì)抽水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析研究可知：在放水速率(V放水<9 m3/h)、總放水量(T<82 m3)有限的前提下，彌渡臺(tái)觀測(cè)山洞正上方30 m處的蓄水池池水變化不會(huì)對(duì)彌渡地傾斜觀測(cè)造成明顯干擾；而抽水作業(yè)是造成地傾斜異常變化的主要原因，且在時(shí)間上與抽水作業(yè)保持高度同步性。此外，抽水活動(dòng)引起的地傾斜變化是成非線性關(guān)系的，具體表現(xiàn)為隨抽水時(shí)間延長(zhǎng)先加速、后減速的變化過程。但在開始抽水2 h內(nèi)表現(xiàn)為近似線性關(guān)系，即NS測(cè)向VNS=-0.045 53 ms/min，EW測(cè)向VEW=-0.079 71 ms/min。通過頻域分析可知：彌渡地傾斜觀測(cè)受抽水干擾的異常信號(hào)的頻率在0.001 8～0.003 Hz之間。由此，筆者設(shè)計(jì)了帶阻濾波處理軟件對(duì)抽水干擾信號(hào)頻段進(jìn)行處理，大大降低了抽水作業(yè)對(duì)彌渡地傾斜觀測(cè)的影響，其效果較為明顯。

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By using pumping and dewatering test method，we researched the relationship between the variation of ground tilt and amount of groundwater extraction，water yield variation of water reservoir.The analysis result of the pumping water test data showed that under the premise of the limited drainage rate(Vdrainage<9 m3/h)，the total discharge of water(T<82 m3)，the water yield variation of water reservoir which was located at 30 m above the observing cave of Midu Station didn’t cause significant interference to the ground tilt observation.The main reason of the ground tilt anomaly variation was induced by the pumping of the ground water and its variation maintained a high degree of synchrony with the pumping operation(the date of the start and the end)in time.The duration of pumping water had a non-linear relation with the ground tilt variation，that is，the variation rate of ground tilt was faster at first，and decreased as follow with the pumping time.However it showed an approximately linear relationship，that is，VNS=-0.045 53 ms/min in NS，VEW=-0.079 71 ms/min in EW within the first two hours of pumping water.The frequency domain analysis result shows that：The frequency of anomaly signal of ground tilt which was interfered by pumping water was between 0.00 18 Hz and 0.003 Hz.Thus，we designed a band-stop filter processing program to filter out the frequency of pumping water signal to reduce the influence of pumping water on the ground tilt observation.

Key words：water pumping experiment；ground tilt；pumping water interference；band-stop filter processing program

*收稿日期：2015-01-04. 基金項(xiàng)目：云南省人民政府十項(xiàng)重點(diǎn)工程“云南大震短臨跟蹤工作”專項(xiàng)資助.

中圖分類號(hào)：P315.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-0666(2015)03-0416-10

Experimental Study on the Effect of Deep Well Pumping on Ground Tilt Observation

CHU Jin-xue1，F(xiàn)ANG Wei1，SU You-jin2，ZHAO Kun2，WANG Yong-an2，YANG Ling-ying2，LI Zheng-chun1

(1.Midu Seismic Station，Earthquake Administration of Yunnan Province，Midu 675600，Yunnan，China) (2.Earthquake Administration of Yunnan Province，Kunming 650224，Yunnan，China)

Abstract