施工干擾對宜昌臺水管儀數(shù)據(jù)影響的分析

龍宇云 安一凡 曾智輝 涂先新

（1、中國地震局地震研究所（地震大地測量重點實驗室），湖北 武漢 430071 2、湖北省地震局，湖北 武漢 430071 3、湖北省地震局宜昌地震監(jiān)測中心站，湖北 宜昌 443100）

現(xiàn)今我國的地震形變觀測臺站，大多具備各種類型形變監(jiān)測儀器，在監(jiān)測地殼活動變化時，儀器會受到各種各樣的干擾。宜昌臺的DSQ 型水管儀是一種測量地傾斜變化的精密儀器，能夠測量地殼傾斜變化、捕捉地震前兆信息[1]。宜昌臺水管儀多年來儀器運行穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)較少出現(xiàn)持續(xù)性的數(shù)據(jù)畸變情況。2018 年水管儀持續(xù)多天觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)毛刺增多的畸變現(xiàn)象，且畸變基本集中在白天時間，夜晚畸變基本消失。經(jīng)過臺站人員調(diào)查核實后，發(fā)現(xiàn)畸變現(xiàn)象與臺站觀測洞室周邊的工程施工具有密切聯(lián)系。

1 儀器觀測概況

宜昌地震臺位于湖北省宜昌市，屬于國家基本形變臺，臺站的形變觀測儀器安裝在山洞的觀測洞室內(nèi)。山洞門口位于臺站后院，從山洞門口到形變儀器所在的觀測洞室設(shè)置了多道隔溫門，使得山洞內(nèi)觀測室的溫度始終保持在18 攝氏度左右，年變化量不超過0.2 攝氏度，可以滿足各種形變儀器對觀測環(huán)境的溫度要求。穿過多道隔溫門進入山洞約100 米，到達觀測洞室門口，觀測洞室呈南北、東西兩方向90°正交的“L”型連通分布，需要走過北南方向約40 米長的觀測洞室，才能進入東西方向的觀測洞室。觀測室內(nèi)的形變觀測儀器有DSQ 型水管儀、VP 型寬頻帶傾斜儀、SSY 型伸縮儀等。水管儀的北南、東西分量安裝在觀測室的巖石基墩上。

DSQ 型水管儀工作基本原理是根據(jù)連通管內(nèi)水面保持自然水平的原理。儀器臺基出現(xiàn)相對垂直位移時，兩端液面便會相對儀器缽體發(fā)生變化，通過浮子、位移傳感器等轉(zhuǎn)變成電信號進行數(shù)據(jù)記錄[2]。宜昌臺水管儀每天不間斷地記錄地傾斜變化數(shù)據(jù)，因山洞觀測洞室內(nèi)環(huán)境較穩(wěn)定，儀器產(chǎn)出的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，極少出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾現(xiàn)象，具有穩(wěn)定的月變化、年變化趨勢。

2 數(shù)據(jù)畸變現(xiàn)象的分析

2018 年3 月上旬至5 月水管儀觀北南分量數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)變粗的數(shù)據(jù)畸變現(xiàn)象，東西分量數(shù)據(jù)未出現(xiàn)類似的畸變現(xiàn)象。選取3 月8 日至10 日水管儀數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)北南分量數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯的毛刺畸變現(xiàn)象，數(shù)據(jù)畸變出現(xiàn)的時間集中在早上7:30 至晚上21:00，東西分量基本正常，如圖1 所示。數(shù)據(jù)畸變具有變幅較小的特征，3 月8 日最大變幅僅1.81ms，達不到水管儀北南分量數(shù)據(jù)正常日變幅的十分之一。

圖1 水管儀3 月8 日-10 日觀測數(shù)據(jù)

再對比水管儀與處于相同觀測洞室的SSY 型伸縮儀、VP 寬頻帶傾斜儀，兩套儀器運行穩(wěn)定觀測數(shù)據(jù)正常，均未出現(xiàn)類似水管儀的數(shù)據(jù)畸變現(xiàn)象，如圖2、圖3 所示。3 月9 日為了檢測儀器的穩(wěn)定性，對三套儀器進行了標定工作，標定結(jié)果均合格，說明儀器均處于正常工作狀態(tài)。

圖2 VP 儀3 月8 日-10 日觀測數(shù)據(jù)

圖3 SSY 儀3 月8 日-10 日觀測數(shù)據(jù)

最后將水管儀北南分量2018 年的數(shù)據(jù)與2017 年進行對比，如圖4 所示?？梢钥吹?018 年數(shù)據(jù)月變化、年變化趨勢與2017 年基本一致，說明儀器數(shù)據(jù)長趨勢變化正常?？梢园l(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)畸變現(xiàn)象幅度較小，對于數(shù)據(jù)的長趨勢變化影響較小。因此初步判斷水管儀出現(xiàn)的數(shù)據(jù)畸變現(xiàn)象，并非打破數(shù)據(jù)年變化趨勢的地震前兆異常，可能是短期干擾因素造成的數(shù)據(jù)畸變，干擾的具體原因需進一步核實。

圖4 水管儀2017-2018 年觀測數(shù)據(jù)

2.1 儀器觀測系統(tǒng)檢查

由于和水管儀處在同一觀測洞室的VP 寬頻帶傾斜儀、SSY型伸縮儀均未出現(xiàn)數(shù)據(jù)畸變現(xiàn)象，且水管儀數(shù)據(jù)月、年變化趨勢未發(fā)現(xiàn)異常，需要查明儀器觀測系統(tǒng)是否存在未知的干擾因素。臺站人員首先對觀測洞室外的儀器部分進行排查。對機房內(nèi)的水管儀的主機和數(shù)采進行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，其次對機房內(nèi)的儀器供電電源、備用的UPS 電源進行檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常。接著對儀器的供電線路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸線路、防雷設(shè)施等進行檢查，均處于正常工作狀態(tài)。最后對山洞觀測洞室內(nèi)的儀器部件進行檢查：水管儀北南、東西分量的傳感器與缽體均處于正常工作狀態(tài)；水管內(nèi)部通道、浮子及內(nèi)部純凈水未出現(xiàn)破損污染現(xiàn)象，均處于正常工作狀態(tài)。同時檢查了儀器外部的隔離板、儀器下方的觀測墩、觀測洞室內(nèi)部環(huán)境，均未發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)過以上詳細的檢查后，證明儀器觀測系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)，未出現(xiàn)異常，說明儀器觀測系統(tǒng)與水管儀數(shù)據(jù)畸變現(xiàn)象沒有關(guān)系。

2.2 道路工程施工的影響

在排除儀器觀測系統(tǒng)自身因素干擾后，臺站人員開始對臺站周邊環(huán)境進行調(diào)查。發(fā)現(xiàn)距離臺站觀測山洞正南方向600 米處，一條老舊公路自3 月8 日起開始道路工程的施工，這與儀器開始出現(xiàn)畸變現(xiàn)象的日期一致。

工程施工期間，施工現(xiàn)場有路面破碎機、挖掘機、攪拌機、運輸車等重型施工機械進行施工作業(yè)。施工作業(yè)的時間通常為早上07:30 至晚上21:00，與每天數(shù)據(jù)畸變出現(xiàn)的時間段吻合，晚上施工停止后，數(shù)據(jù)畸變現(xiàn)象隨之消失。

在對后續(xù)的工程施工和數(shù)據(jù)進行追蹤分析，發(fā)現(xiàn)工程施工與數(shù)據(jù)畸變有非常好的相關(guān)性。例如4 月4 日至5 日受降雨影響停止施工，水管儀南北分量數(shù)據(jù)畸變消失恢復(fù)正常，4 月6 日至8 日天氣轉(zhuǎn)好施工恢復(fù)，畸變現(xiàn)象再次出現(xiàn)，如圖5 所示。在3-5 月施工的日期，水管儀北南分量均會出數(shù)據(jù)畸變，可以確定畸變現(xiàn)象是由道路工程施工干擾導(dǎo)致的。

圖5 水管儀4 月4 日-8 日觀測數(shù)據(jù)

2.3 翻新工程施工干擾

2018 年10-11 月宜昌地震臺進行臺站觀測洞室優(yōu)化改造項目工程，對山洞內(nèi)老舊的電線線路、照明電燈、隔溫門進行更換，并重新粉刷山洞內(nèi)部墻體。山洞洞室內(nèi)的施工再次導(dǎo)致水管儀數(shù)據(jù)畸變，11 月1 日至4 日施工時間段為07:00-22:00，同時段內(nèi)水管儀北南分量出現(xiàn)數(shù)據(jù)畸變，夜間施工停止后儀器數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。11 月5 日觀測洞室內(nèi)施工結(jié)束，水管儀數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

3 結(jié)論

通過對宜昌臺水管儀數(shù)據(jù)畸變現(xiàn)象的分析，對儀器受施工干擾的影響有了比較清晰的認知，臺站人員在處理異常觀測數(shù)據(jù)時，要準確地分辨出施工干擾與其他因素干擾，才能避免將各類干擾因素當(dāng)作地震前兆信息。由于水管儀極易受臺站周邊工程施工的干擾，在儀器日常運行時，應(yīng)盡量避免在臺站周邊進行大型工程施工，保持觀測環(huán)境穩(wěn)定，才能獲得更高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)。