安徽鉆孔體應(yīng)變與降雨、地下水位關(guān)系的研究

劉川琴　李　發(fā)　金　艷　李軍輝　裴紅云　王燚坤

1　安徽省地震局合肥地震臺(tái)，合肥市長(zhǎng)江西路558號(hào)，230031 2　安徽省地震局，合肥市長(zhǎng)江西路558號(hào)， 230031

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安徽鉆孔體應(yīng)變與降雨、地下水位關(guān)系的研究

劉川琴1李發(fā)2金艷2李軍輝2裴紅云2王燚坤1

1安徽省地震局合肥地震臺(tái)，合肥市長(zhǎng)江西路558號(hào)，230031 2安徽省地震局，合肥市長(zhǎng)江西路558號(hào)， 230031

利用合肥臺(tái)、黃山臺(tái)鉆孔體應(yīng)變2013～2015年觀測(cè)資料日均值與降雨引起的地下水位變化進(jìn)行相關(guān)分析，同時(shí)考慮體應(yīng)變變化的滯后性，使用Matlab計(jì)算水位和體應(yīng)變不同滯后時(shí)間的相關(guān)系數(shù)，確定滯后天數(shù)；扣除滯后天數(shù)，再進(jìn)行回歸擬合分析，消除水位干擾。鑒于水位對(duì)體應(yīng)變干擾的復(fù)雜性，在運(yùn)用長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)時(shí)，以月為窗長(zhǎng)進(jìn)行回歸分析，能較好地消除水位對(duì)體應(yīng)變的干擾，利于體應(yīng)變的趨勢(shì)性判斷。

鉆孔體應(yīng)變；降水；地下水位；相關(guān)分析；回歸

鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變觀測(cè)是在地表下數(shù)十m的基巖(或土層)中安裝儀器探頭，對(duì)地震應(yīng)力-應(yīng)變的前兆變化進(jìn)行觀測(cè),但仍存在環(huán)境因素(如降雨)的影響。因此，應(yīng)通過(guò)地下水位觀測(cè)來(lái)消除鉆孔體應(yīng)變中降雨的影響，主要是通過(guò)研究降雨引起的地下水位變化來(lái)予以消除[1]。目前，國(guó)內(nèi)較多學(xué)者針對(duì)區(qū)域臺(tái)站進(jìn)行降雨、水位的相關(guān)性分析，認(rèn)為體應(yīng)變受降雨和水位干擾較為嚴(yán)重[2-6]。安徽省內(nèi)臺(tái)站(除嘉山臺(tái)外)安裝的TJ-Ⅱ型鉆孔體應(yīng)變儀器均輔助以水位觀測(cè)。本文主要針對(duì)省內(nèi)受降雨影響顯著的合肥臺(tái)和黃山臺(tái)鉆孔資料進(jìn)行研究，分析降雨引起的水位動(dòng)態(tài)變化與鉆孔體應(yīng)變變化的相關(guān)性，計(jì)算降雨干擾系數(shù)，并通過(guò)回歸擬合分析消除降雨引起的水位變化對(duì)體應(yīng)變的影響。

1　臺(tái)站基本情況及資料選取

1.1臺(tái)站基本情況

為進(jìn)一步加強(qiáng)短臨跟蹤，2009年以來(lái)安徽省地震局陸續(xù)在郯廬斷裂帶中南段的嘉山、蚌埠、合肥、六安、黃山成功安裝了TJ-Ⅱ體積式鉆孔應(yīng)變儀(表1)，鉆孔探頭安裝深度在60～80 m。該儀器可進(jìn)行體應(yīng)變、氣壓、溫度、水位觀測(cè)，體應(yīng)變觀測(cè)精度達(dá)10-9。其中蚌埠臺(tái)因鉆孔應(yīng)變存在抽水干擾嚴(yán)重的情況，目前已停止觀測(cè)；其他臺(tái)站觀測(cè)質(zhì)量較好，儀器工作較為穩(wěn)定，體應(yīng)變固體潮清晰。圖1為合肥臺(tái)體應(yīng)變?nèi)粘Ｓ^測(cè)及輔助測(cè)項(xiàng)曲線?？梢钥闯?，體應(yīng)變主要受到水位干擾，兩者年變形態(tài)基本一致。

表1　安徽省TJ-Ⅱ鉆孔體應(yīng)變臺(tái)站概況

圖1　合肥臺(tái)體應(yīng)變及輔助測(cè)項(xiàng)日值曲線Fig.1　Daily curves of body strain and auxiliary observation data at Hefei seismic station

1.2資料選取

以合肥臺(tái)、黃山臺(tái)鉆孔體應(yīng)變資料為基礎(chǔ)，收集整理臺(tái)站附近地區(qū)的降雨、水位等多年資料，分析降雨引起的體應(yīng)變?nèi)崭蓴_、月干擾及年干擾情況，計(jì)算水位與鉆孔體應(yīng)變的相關(guān)性，并進(jìn)行回歸分析，消除水位干擾?？紤]到資料可能受其他干擾而影響結(jié)果的真實(shí)性，本文剔除干擾較大的時(shí)間段(如儀器故障等)的資料。

2　干擾分析

體應(yīng)變數(shù)據(jù)普遍受到降雨影響。降雨對(duì)體中應(yīng)變的干擾主要表現(xiàn)為兩種情況:一是強(qiáng)降雨天氣中，體應(yīng)變出現(xiàn)快速階躍變化。強(qiáng)降雨帶來(lái)大地負(fù)荷效應(yīng)，降雨結(jié)束后體應(yīng)變數(shù)據(jù)隨著水位的降低而恢復(fù)正常，體應(yīng)變和水位高值時(shí)間存在1～2 h的滯后。二是連續(xù)降雨天氣中，雨水逐漸滲入巖體孔隙，孔隙壓力增加，水位上升，使巖體體應(yīng)變產(chǎn)生壓縮變形。體應(yīng)變數(shù)據(jù)和水位數(shù)據(jù)上升趨勢(shì)總體一致，根據(jù)降雨天數(shù)一般會(huì)持續(xù)數(shù)日，后隨著水位下降體應(yīng)變恢復(fù)正常。

2.1體應(yīng)變?nèi)兆兏蓴_

合肥臺(tái)量雨器誤差較大，本文未采用其數(shù)據(jù)，而以當(dāng)?shù)貧庀缶纸涤陻?shù)據(jù)日值為準(zhǔn)。從圖2可以看出，合肥臺(tái)體應(yīng)變受水位影響明顯。大暴雨時(shí)，體應(yīng)變即時(shí)效應(yīng)顯著，水位和體應(yīng)變數(shù)據(jù)瞬間升高，時(shí)間上體應(yīng)變滯后水位1 h左右。黃山臺(tái)體應(yīng)變?cè)诖蟊┯晏鞖庵惺芙涤暧绊懨黠@，時(shí)間上基本同步于水位變化。

圖2　2015-07-24合肥臺(tái)水位、體應(yīng)變分鐘值曲線Fig.2　The relationship between the water level and volume strain curves of Hefei seismic station on July 24,2015

通過(guò)以上分析可知，強(qiáng)降雨時(shí)，合肥臺(tái)、黃山臺(tái)體應(yīng)變會(huì)出現(xiàn)快速上升的階躍變化。根據(jù)地質(zhì)條件和降雨效率的不同，體應(yīng)變的表現(xiàn)形式存在差異，一般合肥臺(tái)體應(yīng)變驅(qū)動(dòng)降雨量約為30 mm，黃山臺(tái)體應(yīng)變驅(qū)動(dòng)降雨量約為50 mm。表2統(tǒng)計(jì)了幾次比較典型的降雨情況和干擾系數(shù)?？梢钥闯觯戏逝_(tái)體應(yīng)變井孔水位對(duì)降雨的放大倍率[2]最大為115.0，降雨干擾系數(shù)最大約為0.63×10-8/cm；黃山臺(tái)體應(yīng)變水位對(duì)降雨的放大倍率比合肥臺(tái)小很多，降雨干擾系數(shù)變化較大，可能和井孔地質(zhì)條件、降雨效率不同有關(guān)。從圖3可以看出，合肥臺(tái)體應(yīng)變受大暴雨影響的瞬間效應(yīng)更加明顯，說(shuō)明合肥臺(tái)鉆孔地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)降雨響應(yīng)及時(shí)，黃山臺(tái)降雨響應(yīng)要小于合肥臺(tái)。

表2　合肥臺(tái)、黃山臺(tái)降雨情況及干擾系數(shù)

圖3　2013-06-26～28黃山臺(tái)水位、體應(yīng)變分鐘值、降雨量小時(shí)值Fig.3　The water level and volume strain’s minutes data and rainfall hours data at Huangshan seismic station on June 26 to 28,2013

2.2體應(yīng)變?cè)伦兏蓴_

連續(xù)降雨期間，水位持續(xù)上升，體應(yīng)變和水位同步保持上升變化。如圖4所示，2014-01～05黃山臺(tái)為降雨天氣，水位一直處于上升變化，體應(yīng)變和水位基本保持同步變化。選擇其他干擾較小的時(shí)段，以月為窗長(zhǎng)計(jì)算體應(yīng)變與水位的相關(guān)系數(shù)。表3列出了2013-10～12合肥臺(tái)和黃山臺(tái)的體應(yīng)變、水位相關(guān)系數(shù)和干擾系數(shù)。體應(yīng)變和水位相關(guān)性達(dá)到0.857以上，說(shuō)明兩個(gè)臺(tái)站體應(yīng)變和水位顯著相關(guān)。

圖4　2014-01～05黃山臺(tái)體應(yīng)變、水位、降雨量曲線Fig.4　The hour value of body strain, water level and rainfall curves at Huangshan seismic station from January to May，2014

合肥臺(tái)黃山臺(tái)時(shí)間相關(guān)系數(shù)回歸系數(shù)/10-8·cm-1時(shí)間相關(guān)系數(shù)回歸系數(shù)/10-8·cm-12013-100.9670.682013-120.8572.072013-110.9861.312014-010.8582.982013-120.9661.082014-020.9041.71

3　體應(yīng)變年變干擾及其消除

合肥臺(tái)數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率較高，除氣象干擾外，其他環(huán)境干擾較少，數(shù)據(jù)完整，曲線光滑。本文對(duì)合肥臺(tái)2012～2015年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從圖5可以看出，體應(yīng)變年變形態(tài)和水位年變形態(tài)一致，一般為夏秋季節(jié)高、冬春季節(jié)低，變化規(guī)律和當(dāng)?shù)丶竟?jié)性降雨基本一致，但水位變化引起的體應(yīng)變變化具有滯后性?；隗w應(yīng)變和水位顯著相關(guān)的性質(zhì)，我們可以通過(guò)計(jì)算最大相關(guān)系數(shù)確定滯后天數(shù)，再用回歸擬合方法消除水位干擾。

圖5　合肥臺(tái)體應(yīng)變、水位日均值曲線Fig.5　Daily curves of body strain and the water level data at Hefei seismic station

為了消除水位觀測(cè)值的隨機(jī)干擾，突出參量的周期變化和趨勢(shì)變化，運(yùn)用日均值計(jì)算體應(yīng)變與水位的相關(guān)程度?？紤]到水位干擾引起的體應(yīng)變變化具有時(shí)間上的滯后效應(yīng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，消除滯后效應(yīng)。選取2013-01-01～2014-12-31合肥臺(tái)體應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。體應(yīng)變變化滯后水位變化5 d時(shí)，兩者相關(guān)性最大為0.92。

圖6　滯后天數(shù)對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)Fig.6　Behind the number of days of the correlation coefficient

將要檢驗(yàn)的體應(yīng)變觀測(cè)值的水位參量代人回歸方程，考慮時(shí)間上的滯后性，得出該時(shí)段的體應(yīng)變擬合值。將實(shí)測(cè)值與擬合值相比較，計(jì)算出它們之間的差值。實(shí)測(cè)值和擬合值作歸一化處理，即為消除水位因素引起的年周期變化后的體應(yīng)變曲線，但長(zhǎng)周期水位的趨勢(shì)性消除不是特別理想(圖7)。鑒于降雨引起的水位變化對(duì)體應(yīng)變影響的復(fù)雜性，以月為窗長(zhǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯鞠怂灰鸬捏w應(yīng)變年變化趨勢(shì)，殘差曲線容易識(shí)別。但由于還存在同震效應(yīng)、氣壓干擾、降雨影響等復(fù)雜情況，將二者進(jìn)行單一回歸計(jì)算的殘差值有超過(guò)2倍的均方差存在，但不影響體應(yīng)變趨勢(shì)性變化的判斷。

圖7　體應(yīng)變、水位原始值、回歸值歸一化曲線Fig.7　The curves of the body strain’s fitting,residuals and normalized

圖8　體應(yīng)變、水位日均值回歸殘差值曲線Fig.8　The residual value of body strain and water’s daily data

4　結(jié)　語(yǔ)

綜合分析認(rèn)為，合肥臺(tái)、黃山臺(tái)體應(yīng)變和降雨、地下水位存在明顯的相關(guān)性，其日變和月變干擾變化既有即時(shí)效應(yīng)又存在滯后效應(yīng)；體應(yīng)變觀測(cè)值在無(wú)地殼應(yīng)力作用時(shí)，其年變形態(tài)特征與水位變化形態(tài)基本一致，重復(fù)性較好，水位變化形態(tài)和當(dāng)?shù)丶竟?jié)性氣候特別是降雨情況影響顯著。鑒于目前體應(yīng)變年變化和水位年變化顯著相關(guān)且具有滯后性，在分析體應(yīng)變曲線時(shí)，計(jì)算最大相關(guān)系數(shù)，確定滯后天數(shù)，再用回歸方法建立水位和體應(yīng)變模型，從而消除體應(yīng)變觀測(cè)中的年周期變化；而降雨對(duì)水位和體應(yīng)變的影響較為復(fù)雜，在分析長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)時(shí)，以月為窗長(zhǎng)進(jìn)行回歸分析，殘差值曲線能有效地消除水位對(duì)體應(yīng)變的干擾形態(tài)，對(duì)提取真實(shí)可靠的前兆數(shù)據(jù)是一種較好的方法。

不過(guò)，體應(yīng)變滯后水位變化的影響因子較多，不同降雨情況的滯后時(shí)間也存在一定差異，通過(guò)Matlab計(jì)算水位和體應(yīng)變不同滯后時(shí)間的相關(guān)系數(shù)以確定滯后天數(shù)，存在一定的誤差。而體應(yīng)變受到的干擾因素較多，計(jì)算模型還有待進(jìn)一步完善。目前近場(chǎng)地震較少，對(duì)消除水位影響的殘差曲線還沒(méi)有明確的地震實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算模型及映震結(jié)果需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Preliminary Studies of Relation between Bore-Hole Body Strain,Rainfall and Underground Water

LIUChuanqin1LIFa2JINYan2LIJunhui2PEIHongyun2WANGYikun1

1Hefei Seismostation of Earthquake Administration of Anhui Province,558 West-Changjiang Road,Heifei 230031,China 2Earthquake Administration of Anhui Province,558 West-Changjiang Road,Heifei 230031,China

The interrelation analysis is used in the daily mean values of 2013-2014 bore-hole body strain and underground water from Hefei and Huangshan seismic station. Considering the body strain change lagged the change of water level,this article uses the cross correlation coefficient analysis.Determine the maximum correlation coefficient appeared in the number of days .Through analysis the regression fitting to eliminate underwater interference.The results reflect the real variation of bore-hole to extract seismic anomaly purpose.

bore-hole body strain; rainfull; underground water;correlation analysis; linear regression

Combination Project with Monitoring,Prediction and Scientific Research of Earthquake Technology,CEA,No.20151202;Youth Fund of Earthquake Administration of Anhui Province,No.20160613.

LI Fa,senior engineer,majors in precursor management of earthquake,E-mail:uuujerry@sina.cn.

2016-01-08

劉川琴，碩士，工程師，主要從事體應(yīng)變監(jiān)測(cè)及研究，E-mail:liuchuanqin1026@sina.com。

李發(fā)，碩士，高級(jí)工程師，主要從事地震前兆管理工作，E-mail:uuujerry@sina.cn。

10.14075/j.jgg.2016.10.020

1671-5942(2016)010-0933-03

P315

A

項(xiàng)目來(lái)源：中國(guó)地震局三結(jié)合課題(20151202)；安徽省地震局青年基金(20160613)。

About the first author:LIU Chuanqin,postgraduate,engineer,majors in body strain monitoring,E-mail:liuchuanqin1026@sina.com.