外裝置系統(tǒng)改造前后嘉山臺(tái)地電阻率數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)比探究

尹天杰 張明明 孫亮亮 趙桂寶

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2103-5042-8585

摘? 要：該文簡(jiǎn)要介紹了嘉山臺(tái)地電阻率外裝置系統(tǒng)改造工作。通過整理歸納改造前后的觀測(cè)數(shù)據(jù)，采取對(duì)比日變化曲線特征、月精度值大小等方式方法，分析改造后的數(shù)據(jù)質(zhì)量是否得到優(yōu)化，以此來對(duì)改造效能進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，嘉山臺(tái)在外裝置系統(tǒng)改造后，日變特征并無顯著差異，但是通過計(jì)算，月觀測(cè)精度相對(duì)于改造前數(shù)值變小。并發(fā)現(xiàn)改造后兩測(cè)道均方差值在某些特定時(shí)段差異性較大，推斷出該臺(tái)地電阻率觀測(cè)受南京地鐵3號(hào)線干擾。通過以上探究，得知此次改造觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)有所提升，但是受到相關(guān)不可控因素的制約，數(shù)據(jù)質(zhì)量還有較大的提升空間。

關(guān)鍵詞：地電阻率? 裝置系統(tǒng)? 精度? 對(duì)比分析

中圖分類號(hào)：P315? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）03（b）-0066-03

Comparative Study on the Quality of Resistivity Data of Jiashan Station before and after the External Device

System Transformation

YIN Tianjie1? ?ZHANG Mingming2? SUN Liangliang1? ZHAO Guibao1

（1.Jiashan Seismic Station of Anhui Earthquake Agency， chuzhou， Anhui Province， 239400 China;

2. Mengcheng Seismic Station of Anhui Earthquake Agency， bozhou， Anhui Province， 233500? China）

Abstract： The paper introduces the reconstruction of the external device system of the ground resistivity of Jiashan station. After the transformation， the observation data are summarized and compared with the characteristics of daily variation curve and the size of monthly accuracy value. The data quality after the transformation is optimized is analyzed to evaluate the efficiency of the transformation. The comparison analysis shows that the characteristics of daily variation are not significantly different after the external device system is reformed. However， through calculation， the monthly observation accuracy is smaller than that before the transformation. It is found that the mean square deviation of the two channels is different in some specific periods after the transformation. It is concluded that the earth resistivity observation of our station is disturbed by Nanjing Metro Line 3. Through the above research， we know that the quality of the reconstructed observation data has been improved relatively， but restricted by the relevant uncontrollable factors， the data quality still has a larger space to improve.

Key Words： Earth resistivity; Device system; Accuracy; Comparative analysis

嘉山臺(tái)地電阻率自2000年開始數(shù)字化觀測(cè)以來，外裝置系統(tǒng)已有20年沒有進(jìn)行大規(guī)模改造，由于該臺(tái)外場(chǎng)地環(huán)境復(fù)雜，受到電極老化和線桿線纜破損等因素影響，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量近幾年下降明顯。該臺(tái)經(jīng)過前期方案設(shè)計(jì)，報(bào)上級(jí)部門審批，于2020年10月開展外裝置系統(tǒng)改造工作，在11月中旬改造完成，開始試運(yùn)行，并于11月26日投入正式觀測(cè)。

1? 地電阻率觀測(cè)簡(jiǎn)述

嘉山臺(tái)地電阻率于1973年投入觀測(cè)，第一代儀器為DDC—2A地電儀，1991年和2000年分別更換PZ40數(shù)字地電儀和ZD8B地電儀。2013年，數(shù)字化地電儀ZD8M投入觀測(cè)并使用至今。地電外線路采用架空方式，外場(chǎng)地布設(shè)在村莊及農(nóng)田里，測(cè)區(qū)內(nèi)有廠房、水渠和養(yǎng)殖場(chǎng)分布，環(huán)境較為復(fù)雜。布極方式采用四極對(duì)稱法，共有EW、NS兩個(gè)測(cè)向，供電電極和測(cè)量電極各4個(gè)。

2? 外裝置系統(tǒng)改造

2.1 線路改造

該臺(tái)地電阻率外場(chǎng)地布設(shè)于村莊和農(nóng)田，局部有層次不齊的樹木樹枝貼靠在線桿周圍，一遇強(qiáng)風(fēng)天氣，樹枝就有可能與線纜產(chǎn)生摩擦，再加上雨水長(zhǎng)此以往對(duì)絕緣外皮的侵蝕，線纜出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損。也有部分線桿靠近鄉(xiāng)道邊，且線桿高度較低。農(nóng)忙時(shí)期容易受到收割機(jī)等農(nóng)用機(jī)械的剮蹭，從而造成損壞。

該次線路改造，新線纜采用多股銅芯線，對(duì)測(cè)區(qū)線纜和瓷壺進(jìn)行整體更換，為了解決電纜線接頭過多的問題。該次改造還采用了電纜線從配線盤至電極引線處無接頭處理。對(duì)于靠近路邊的線桿進(jìn)行了遷移，或者用高程更高的水泥桿在原位置替代舊線桿。且為了防止漏電及地下水對(duì)觀測(cè)造成影響，施工人員將EW測(cè)向向東平移了150 m以達(dá)到避開鋼架結(jié)構(gòu)廠房和水渠的目的[1]。

2.2 電極埋設(shè)

此次更換的電極是1 m×1 m×0.001 m的鉛板電極。在電極埋設(shè)之前，對(duì)引線和鉛板的連接處采用電焊的方式進(jìn)行加固;對(duì)電極表面進(jìn)行清潔，保證其入土前的穩(wěn)定性。埋設(shè)過程中，為避免受地表水下滲影響及保證同測(cè)向高差恒定[2]，基坑深度均達(dá)到3 m以下。由于臺(tái)站駐地土質(zhì)土壤類型復(fù)雜多樣，有部分基坑內(nèi)含有大量巖石和白色粘土，為保證電極周圍物理環(huán)境穩(wěn)定，此類基坑內(nèi)原有土壤和雜質(zhì)均被清理，且采用大量?jī)?yōu)質(zhì)黃土回填。

改造過程中，對(duì)電纜線進(jìn)行絕緣和漏電測(cè)試、對(duì)新埋電極的接地電阻進(jìn)行檢查，試運(yùn)行期間對(duì)觀測(cè)主機(jī)進(jìn)行數(shù)次標(biāo)定。結(jié)果均符合規(guī)范要求。

3? 觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)比

3.1 日變化特征對(duì)比

由于改造后觀測(cè)時(shí)間較短，暫時(shí)無法根據(jù)年變化特征進(jìn)行對(duì)比探究。為了使數(shù)據(jù)時(shí)間對(duì)等，特選取了改造前后最近一個(gè)月的NS向整點(diǎn)值數(shù)據(jù)，通過MATLAB小波去噪分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪處理[3]，繪制出消噪后單月日變化曲線（見圖1）。雖然消噪后對(duì)隨機(jī)波動(dòng)的抗干擾能力增強(qiáng)，但兩個(gè)月份并不能完全呈現(xiàn)出有周期規(guī)律性的日變化形態(tài)。且每日極大極小值的時(shí)間也并不固定。對(duì)比9月與12月這兩月份的曲線變化形態(tài)，不難發(fā)現(xiàn)改造前后并無明顯差異。

3.2 月觀測(cè)精度數(shù)值對(duì)比

地電阻率的觀測(cè)精度是恒量數(shù)據(jù)變化幅度大小的一個(gè)重要指標(biāo)。觀測(cè)精度越小，離散能力越弱，數(shù)據(jù)越穩(wěn)定。反之?dāng)?shù)據(jù)波動(dòng)性越大。精度可通過均方根誤差來表現(xiàn)其特征，用均方根誤差σn-1來表示均方根誤差表征測(cè)量值在均值附近波動(dòng)大小，公式（1）中，n為觀測(cè)次數(shù)，為第i次的觀測(cè)值，為的算數(shù)平均值[4]。

通過地電數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算，對(duì)2020年8月到2021年2月這7個(gè)月的月觀測(cè)精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。因兩測(cè)向場(chǎng)地環(huán)境的差異，從表1中可以發(fā)現(xiàn)，改造前NS向精度明顯優(yōu)于EW向，從外裝置系統(tǒng)改造完成（2020.11）開始，兩測(cè)向月精度值較前期數(shù)值都有一定幅度下降，其中由于此次改造基于EW向地理位置與電極地下結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)該測(cè)向改動(dòng)投入較大，其變化幅度較EW向也更為顯著。根據(jù)平均精度計(jì)算得出：較改造前提升約29%[5]。

3.3 改造后特定時(shí)段的均方差值對(duì)比

改造后，值班人員經(jīng)過多天觀察，發(fā)現(xiàn)夜間0時(shí)到清晨5時(shí)兩側(cè)向地電阻率數(shù)據(jù)變化幅度很小。均方差反映的是數(shù)據(jù)的離散程度，所以對(duì)應(yīng)時(shí)段的均方差值也很小，相反，在其余時(shí)段，均方差高于夜間0時(shí)到清晨5時(shí)時(shí)段數(shù)值且浮動(dòng)較大（見圖2）[6]。通過查閱查詢相關(guān)文獻(xiàn)和相關(guān)地電阻率臺(tái)站數(shù)據(jù)，得知數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)段和離臺(tái)站距離最近的南京地鐵三號(hào)線停運(yùn)時(shí)段剛好吻合（南京地鐵三號(hào)線林場(chǎng)站距離臺(tái)站直線距離為80 km）。調(diào)取改造前多日均方差數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)并無相似于與當(dāng)前變化的特定時(shí)段。

4? 結(jié)論

通過前期實(shí)地考察以及對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)定，該臺(tái)設(shè)計(jì)了精細(xì)可靠的改造方案，通過近一個(gè)月的施工，對(duì)線纜、線桿、電極等進(jìn)行更換;并對(duì)測(cè)量、供電極距和電極基坑做了調(diào)整。通過對(duì)比日變化曲線、月精度值以及改造后特定時(shí)段的均方差值，得出以下結(jié)論。

（1）消噪后的日變化曲線在改造后并無顯著變化，日變不清晰，周期規(guī)律性不明顯。背景噪聲多源于場(chǎng)地環(huán)境內(nèi)各種固定干擾源，由于此次改造受經(jīng)費(fèi)制約，未對(duì)觀測(cè)環(huán)境進(jìn)行大范圍的整改。

（2）兩測(cè)向數(shù)據(jù)精度較改造前都有所提升，其中NS向較好，EW向變化較前期更為明顯，但EW向平均精度值仍徘徊在0.4（>0.3）左右，與全國(guó)先進(jìn)地電臺(tái)站的還存在一定的差距。NS向場(chǎng)地環(huán)境基礎(chǔ)差是精度值不理想的原因。

（3）改造后夜間0時(shí)到清晨5時(shí)均方差較其余時(shí)段數(shù)值小，經(jīng)類比分析：其余時(shí)段受南京地鐵三號(hào)線干擾影響，但改造前數(shù)據(jù)變化并無此特征。該臺(tái)初步分析是由于此地鐵干擾源距離臺(tái)站相對(duì)較遠(yuǎn)，干擾程度有限，且改造后，外裝置系統(tǒng)得到了優(yōu)化，規(guī)避過濾掉了部分其他干擾因素，使得此數(shù)據(jù)變化特征較改造前更容易顯現(xiàn)出來。

綜上所述，此次外裝置系統(tǒng)改造后，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)有所提升，但是受到場(chǎng)地環(huán)境基礎(chǔ)差、經(jīng)費(fèi)有限等不可控因素的制約，并未達(dá)到理想預(yù)期。后期該臺(tái)將對(duì)改造后影響數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的干擾因素開展進(jìn)一步研究分析，嘗試消除或減少各類干擾因素，最大限度地提升地電數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量。

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