施工干扰对宜昌台水管仪数据影响的分析

龙宇云 安一凡 曾智辉 涂先新

（1、中国地震局地震研究所（地震大地测量重点实验室），湖北 武汉 430071 2、湖北省地震局，湖北 武汉 430071 3、湖北省地震局宜昌地震监测中心站，湖北 宜昌 443100）

现今我国的地震形变观测台站，大多具备各种类型形变监测仪器，在监测地壳活动变化时，仪器会受到各种各样的干扰。宜昌台的DSQ 型水管仪是一种测量地倾斜变化的精密仪器，能够测量地壳倾斜变化、捕捉地震前兆信息[1]。宜昌台水管仪多年来仪器运行稳定，观测数据较少出现持续性的数据畸变情况。2018 年水管仪持续多天观测数据出现毛刺增多的畸变现象，且畸变基本集中在白天时间，夜晚畸变基本消失。经过台站人员调查核实后，发现畸变现象与台站观测洞室周边的工程施工具有密切联系。

1 仪器观测概况

宜昌地震台位于湖北省宜昌市，属于国家基本形变台，台站的形变观测仪器安装在山洞的观测洞室内。山洞门口位于台站后院，从山洞门口到形变仪器所在的观测洞室设置了多道隔温门，使得山洞内观测室的温度始终保持在18 摄氏度左右，年变化量不超过0.2 摄氏度，可以满足各种形变仪器对观测环境的温度要求。穿过多道隔温门进入山洞约100 米，到达观测洞室门口，观测洞室呈南北、东西两方向90°正交的“L”型连通分布，需要走过北南方向约40 米长的观测洞室，才能进入东西方向的观测洞室。观测室内的形变观测仪器有DSQ 型水管仪、VP 型宽频带倾斜仪、SSY 型伸缩仪等。水管仪的北南、东西分量安装在观测室的岩石基墩上。

DSQ 型水管仪工作基本原理是根据连通管内水面保持自然水平的原理。仪器台基出现相对垂直位移时，两端液面便会相对仪器钵体发生变化，通过浮子、位移传感器等转变成电信号进行数据记录[2]。宜昌台水管仪每天不间断地记录地倾斜变化数据，因山洞观测洞室内环境较稳定，仪器产出的观测数据质量较好，极少出现数据干扰现象，具有稳定的月变化、年变化趋势。

2 数据畸变现象的分析

2018 年3 月上旬至5 月水管仪观北南分量数据曲线出现变粗的数据畸变现象，东西分量数据未出现类似的畸变现象。选取3 月8 日至10 日水管仪数据，可以发现北南分量数据出现明显的毛刺畸变现象，数据畸变出现的时间集中在早上7:30 至晚上21:00，东西分量基本正常，如图1 所示。数据畸变具有变幅较小的特征，3 月8 日最大变幅仅1.81ms，达不到水管仪北南分量数据正常日变幅的十分之一。

图1 水管仪3 月8 日-10 日观测数据

再对比水管仪与处于相同观测洞室的SSY 型伸缩仪、VP 宽频带倾斜仪，两套仪器运行稳定观测数据正常，均未出现类似水管仪的数据畸变现象，如图2、图3 所示。3 月9 日为了检测仪器的稳定性，对三套仪器进行了标定工作，标定结果均合格，说明仪器均处于正常工作状态。

图2 VP 仪3 月8 日-10 日观测数据

图3 SSY 仪3 月8 日-10 日观测数据

最后将水管仪北南分量2018 年的数据与2017 年进行对比，如图4 所示。可以看到2018 年数据月变化、年变化趋势与2017 年基本一致，说明仪器数据长趋势变化正常。可以发现数据畸变现象幅度较小，对于数据的长趋势变化影响较小。因此初步判断水管仪出现的数据畸变现象，并非打破数据年变化趋势的地震前兆异常，可能是短期干扰因素造成的数据畸变，干扰的具体原因需进一步核实。

图4 水管仪2017-2018 年观测数据

2.1 仪器观测系统检查

由于和水管仪处在同一观测洞室的VP 宽频带倾斜仪、SSY型伸缩仪均未出现数据畸变现象，且水管仪数据月、年变化趋势未发现异常，需要查明仪器观测系统是否存在未知的干扰因素。台站人员首先对观测洞室外的仪器部分进行排查。对机房内的水管仪的主机和数采进行检查，未发现异常，其次对机房内的仪器供电电源、备用的UPS 电源进行检查，均未发现异常。接着对仪器的供电线路系统、数据传输线路、防雷设施等进行检查，均处于正常工作状态。最后对山洞观测洞室内的仪器部件进行检查：水管仪北南、东西分量的传感器与钵体均处于正常工作状态；水管内部通道、浮子及内部纯净水未出现破损污染现象，均处于正常工作状态。同时检查了仪器外部的隔离板、仪器下方的观测墩、观测洞室内部环境，均未发现异常。经过以上详细的检查后，证明仪器观测系统处于正常运行状态，未出现异常，说明仪器观测系统与水管仪数据畸变现象没有关系。

2.2 道路工程施工的影响

在排除仪器观测系统自身因素干扰后，台站人员开始对台站周边环境进行调查。发现距离台站观测山洞正南方向600 米处，一条老旧公路自3 月8 日起开始道路工程的施工，这与仪器开始出现畸变现象的日期一致。

工程施工期间，施工现场有路面破碎机、挖掘机、搅拌机、运输车等重型施工机械进行施工作业。施工作业的时间通常为早上07:30 至晚上21:00，与每天数据畸变出现的时间段吻合，晚上施工停止后，数据畸变现象随之消失。

在对后续的工程施工和数据进行追踪分析，发现工程施工与数据畸变有非常好的相关性。例如4 月4 日至5 日受降雨影响停止施工，水管仪南北分量数据畸变消失恢复正常，4 月6 日至8 日天气转好施工恢复，畸变现象再次出现，如图5 所示。在3-5 月施工的日期，水管仪北南分量均会出数据畸变，可以确定畸变现象是由道路工程施工干扰导致的。

图5 水管仪4 月4 日-8 日观测数据

2.3 翻新工程施工干扰

2018 年10-11 月宜昌地震台进行台站观测洞室优化改造项目工程，对山洞内老旧的电线线路、照明电灯、隔温门进行更换，并重新粉刷山洞内部墙体。山洞洞室内的施工再次导致水管仪数据畸变，11 月1 日至4 日施工时间段为07:00-22:00，同时段内水管仪北南分量出现数据畸变，夜间施工停止后仪器数据恢复正常。11 月5 日观测洞室内施工结束，水管仪数据恢复正常。

3 结论

通过对宜昌台水管仪数据畸变现象的分析，对仪器受施工干扰的影响有了比较清晰的认知，台站人员在处理异常观测数据时，要准确地分辨出施工干扰与其他因素干扰，才能避免将各类干扰因素当作地震前兆信息。由于水管仪极易受台站周边工程施工的干扰，在仪器日常运行时，应尽量避免在台站周边进行大型工程施工，保持观测环境稳定，才能获得更高质量的观测数据。