安徽钻孔体应变与降雨、地下水位关系的研究

刘川琴　李　发　金　艳　李军辉　裴红云　王燚坤

1　安徽省地震局合肥地震台，合肥市长江西路558号，230031 2　安徽省地震局，合肥市长江西路558号， 230031



安徽钻孔体应变与降雨、地下水位关系的研究

刘川琴1李发2金艳2李军辉2裴红云2王燚坤1

1安徽省地震局合肥地震台，合肥市长江西路558号，230031 2安徽省地震局，合肥市长江西路558号， 230031

利用合肥台、黄山台钻孔体应变2013～2015年观测资料日均值与降雨引起的地下水位变化进行相关分析，同时考虑体应变变化的滞后性，使用Matlab计算水位和体应变不同滞后时间的相关系数，确定滞后天数；扣除滞后天数，再进行回归拟合分析，消除水位干扰。鉴于水位对体应变干扰的复杂性，在运用长周期数据时，以月为窗长进行回归分析，能较好地消除水位对体应变的干扰，利于体应变的趋势性判断。

钻孔体应变；降水；地下水位；相关分析；回归

钻孔应力-应变观测是在地表下数十m的基岩(或土层)中安装仪器探头，对地震应力-应变的前兆变化进行观测,但仍存在环境因素(如降雨)的影响。因此，应通过地下水位观测来消除钻孔体应变中降雨的影响，主要是通过研究降雨引起的地下水位变化来予以消除[1]。目前，国内较多学者针对区域台站进行降雨、水位的相关性分析，认为体应变受降雨和水位干扰较为严重[2-6]。安徽省内台站(除嘉山台外)安装的TJ-Ⅱ型钻孔体应变仪器均辅助以水位观测。本文主要针对省内受降雨影响显著的合肥台和黄山台钻孔资料进行研究，分析降雨引起的水位动态变化与钻孔体应变变化的相关性，计算降雨干扰系数，并通过回归拟合分析消除降雨引起的水位变化对体应变的影响。

1　台站基本情况及资料选取

1.1台站基本情况

为进一步加强短临跟踪，2009年以来安徽省地震局陆续在郯庐断裂带中南段的嘉山、蚌埠、合肥、六安、黄山成功安装了TJ-Ⅱ体积式钻孔应变仪(表1)，钻孔探头安装深度在60～80 m。该仪器可进行体应变、气压、温度、水位观测，体应变观测精度达10-9。其中蚌埠台因钻孔应变存在抽水干扰严重的情况，目前已停止观测；其他台站观测质量较好，仪器工作较为稳定，体应变固体潮清晰。图1为合肥台体应变日常观测及辅助测项曲线。可以看出，体应变主要受到水位干扰，两者年变形态基本一致。

表1　安徽省TJ-Ⅱ钻孔体应变台站概况

图1　合肥台体应变及辅助测项日值曲线Fig.1　Daily curves of body strain and auxiliary observation data at Hefei seismic station

1.2资料选取

以合肥台、黄山台钻孔体应变资料为基础，收集整理台站附近地区的降雨、水位等多年资料，分析降雨引起的体应变日干扰、月干扰及年干扰情况，计算水位与钻孔体应变的相关性，并进行回归分析，消除水位干扰。考虑到资料可能受其他干扰而影响结果的真实性，本文剔除干扰较大的时间段(如仪器故障等)的资料。

2　干扰分析

体应变数据普遍受到降雨影响。降雨对体中应变的干扰主要表现为两种情况:一是强降雨天气中，体应变出现快速阶跃变化。强降雨带来大地负荷效应，降雨结束后体应变数据随着水位的降低而恢复正常，体应变和水位高值时间存在1～2 h的滞后。二是连续降雨天气中，雨水逐渐渗入岩体孔隙，孔隙压力增加，水位上升，使岩体体应变产生压缩变形。体应变数据和水位数据上升趋势总体一致，根据降雨天数一般会持续数日，后随着水位下降体应变恢复正常。

2.1体应变日变干扰

合肥台量雨器误差较大，本文未采用其数据，而以当地气象局降雨数据日值为准。从图2可以看出，合肥台体应变受水位影响明显。大暴雨时，体应变即时效应显著，水位和体应变数据瞬间升高，时间上体应变滞后水位1 h左右。黄山台体应变在大暴雨天气中受降雨影响明显，时间上基本同步于水位变化。

图2　2015-07-24合肥台水位、体应变分钟值曲线Fig.2　The relationship between the water level and volume strain curves of Hefei seismic station on July 24,2015

通过以上分析可知，强降雨时，合肥台、黄山台体应变会出现快速上升的阶跃变化。根据地质条件和降雨效率的不同，体应变的表现形式存在差异，一般合肥台体应变驱动降雨量约为30 mm，黄山台体应变驱动降雨量约为50 mm。表2统计了几次比较典型的降雨情况和干扰系数。可以看出，合肥台体应变井孔水位对降雨的放大倍率[2]最大为115.0，降雨干扰系数最大约为0.63×10-8/cm；黄山台体应变水位对降雨的放大倍率比合肥台小很多，降雨干扰系数变化较大，可能和井孔地质条件、降雨效率不同有关。从图3可以看出，合肥台体应变受大暴雨影响的瞬间效应更加明显，说明合肥台钻孔地质结构对降雨响应及时，黄山台降雨响应要小于合肥台。

表2　合肥台、黄山台降雨情况及干扰系数

图3　2013-06-26～28黄山台水位、体应变分钟值、降雨量小时值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体应变月变干扰

连续降雨期间，水位持续上升，体应变和水位同步保持上升变化。如图4所示，2014-01～05黄山台为降雨天气，水位一直处于上升变化，体应变和水位基本保持同步变化。选择其他干扰较小的时段，以月为窗长计算体应变与水位的相关系数。表3列出了2013-10～12合肥台和黄山台的体应变、水位相关系数和干扰系数。体应变和水位相关性达到0.857以上，说明两个台站体应变和水位显著相关。

图4　2014-01～05黄山台体应变、水位、降雨量曲线Fig.4　The hour value of body strain, water level and rainfall curves at Huangshan seismic station from January to May，2014

合肥台黄山台时间相关系数回归系数/10-8·cm-1时间相关系数回归系数/10-8·cm-12013-100.9670.682013-120.8572.072013-110.9861.312014-010.8582.982013-120.9661.082014-020.9041.71

3　体应变年变干扰及其消除

合肥台数据连续率、完整率较高，除气象干扰外，其他环境干扰较少，数据完整，曲线光滑。本文对合肥台2012～2015年数据进行分析。从图5可以看出，体应变年变形态和水位年变形态一致，一般为夏秋季节高、冬春季节低，变化规律和当地季节性降雨基本一致，但水位变化引起的体应变变化具有滞后性。基于体应变和水位显著相关的性质，我们可以通过计算最大相关系数确定滞后天数，再用回归拟合方法消除水位干扰。

图5　合肥台体应变、水位日均值曲线Fig.5　Daily curves of body strain and the water level data at Hefei seismic station

为了消除水位观测值的随机干扰，突出参量的周期变化和趋势变化，运用日均值计算体应变与水位的相关程度。考虑到水位干扰引起的体应变变化具有时间上的滞后效应，对数据进行相关处理，消除滞后效应。选取2013-01-01～2014-12-31合肥台体应变数据进行处理，计算结果如图6所示。体应变变化滞后水位变化5 d时，两者相关性最大为0.92。

图6　滞后天数对应的相关系数Fig.6　Behind the number of days of the correlation coefficient

将要检验的体应变观测值的水位参量代人回归方程，考虑时间上的滞后性，得出该时段的体应变拟合值。将实测值与拟合值相比较，计算出它们之间的差值。实测值和拟合值作归一化处理，即为消除水位因素引起的年周期变化后的体应变曲线，但长周期水位的趋势性消除不是特别理想(图7)。鉴于降雨引起的水位变化对体应变影响的复杂性，以月为窗长对数据进行回归分析，结果如图8所示。可以看出，基本消除了水位引起的体应变年变化趋势，残差曲线容易识别。但由于还存在同震效应、气压干扰、降雨影响等复杂情况，将二者进行单一回归计算的残差值有超过2倍的均方差存在，但不影响体应变趋势性变化的判断。

图7　体应变、水位原始值、回归值归一化曲线Fig.7　The curves of the body strain’s fitting,residuals and normalized

图8　体应变、水位日均值回归残差值曲线Fig.8　The residual value of body strain and water’s daily data

4　结　语

综合分析认为，合肥台、黄山台体应变和降雨、地下水位存在明显的相关性，其日变和月变干扰变化既有即时效应又存在滞后效应；体应变观测值在无地壳应力作用时，其年变形态特征与水位变化形态基本一致，重复性较好，水位变化形态和当地季节性气候特别是降雨情况影响显著。鉴于目前体应变年变化和水位年变化显著相关且具有滞后性，在分析体应变曲线时，计算最大相关系数，确定滞后天数，再用回归方法建立水位和体应变模型，从而消除体应变观测中的年周期变化；而降雨对水位和体应变的影响较为复杂，在分析长时间数据时，以月为窗长进行回归分析，残差值曲线能有效地消除水位对体应变的干扰形态，对提取真实可靠的前兆数据是一种较好的方法。

不过，体应变滞后水位变化的影响因子较多，不同降雨情况的滞后时间也存在一定差异，通过Matlab计算水位和体应变不同滞后时间的相关系数以确定滞后天数，存在一定的误差。而体应变受到的干扰因素较多，计算模型还有待进一步完善。目前近场地震较少，对消除水位影响的残差曲线还没有明确的地震实例进行验证，计算模型及映震结果需要进一步验证。

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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

刘川琴，硕士，工程师，主要从事体应变监测及研究，E-mail:liuchuanqin1026@sina.com。

李发，硕士，高级工程师，主要从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

项目来源：中国地震局三结合课题(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.