山洪对银川基准台形变观测数据的干扰分析

王建亮，李自芮，张燕霞，沈 宁，栾博文

（1.银川基准台，宁夏 银川 750001；2.宁夏自治区地震局，宁夏 银川 750001；3.固原地震台，宁夏 固原 756000）

0 引言

地壳形变异常是地壳构造变动最直接的表现之一，而地下水位的变化又能够提供地质构造活动过程的许多信息，因此搞清楚地形变运动规律及震前异常变化的特点对研究地震有着重要的意义。山洪可以引起地下水位的变化，所以山洪对前兆观测资料有着一定程度的干扰，本文以银川基准台滚钟口观测站的形变观测仪器为研究对象，通过对2016年至2018年强降雨引发山洪现象的分析研究，总结出数据曲线的变化特征，及时为地震前兆异常排除干扰，以便对山洪干扰识别提供参考依据，为地震分析预报提供可靠的资料，这对宁夏地区的地震监测预报工作有着重要的意义[1]。

1 区域地质构造及地理环境

宁夏贺兰山东麓断裂呈西南东北走向，绵延200km，宽约30km，山体基岩多裸露，贺兰山地势高峻，傍近银川断陷盆地，西侧有贺兰山山前大断裂带。该区域有3条较大断裂，由西向东分布有贺兰山东麓断裂，平罗—银川断裂，黄河断裂。此地有较宽的断裂带，断层活动性强，崖面清晰，山体相对上升，冲沟发育，沟谷坡降比较大，深切呈“V”字型，沟口洪积扇发育，洪积扇上发育有第四纪全新世以来的活动断层陡坎，贺兰山山体由前震旦系—三迭系地层组成，具有独特的山地气候特征，冬季严寒，夏季温凉，降水偏多，年温差较小，气候多变等特点。降水量由山麓向山顶逐渐增多，即山下200mm逐渐增加到山顶400mm以上。由于山体作用，易形成局地性暴雨，属于黄土高原诱发山洪灾害的主要易发区。每年5月至9月是本地区降雨频率最高、降雨量最多的时段。因暴雨而引发的山洪会对银川基准台滚钟口观测站的前兆观测资料造成一定的影响。下图即为台站周边的环境，山洞距离泄洪沟100m左右，最强降雨可形成泥石流，石头顺山而下，道路闭塞。

图1山洞与泄洪沟Fig.1 Cave and flood drain

2 台站概况及前兆观测仪器的基本情况

2.1台站概况及观测环境

银川基准台是隶属于宁夏地震局的一个国家级综合专业台站，由银川贺兰山小口子观测站和银川北塔地磁观测站及2个跨断层短水准观测场地组成。现有测震、地形变、电磁、流体四大学科26台套观测仪器，承担全国乃至全球大震快报任务。1972年，中国地震局将银川地震台列为国家基准地震台，观测项目逐年增加。1978年开凿山洞，用于形变和测震观测。银川台小口子观测点位于银川市区西40km的贺兰山东麓滚钟口风景区内，地处贺兰山断隆东侧，海拔1545m。银川地震台滚钟口观测站（以下简称银川台）为基岩型观测站，基础岩性为前震旦系花岗片麻岩。形变观测山洞位于贺兰山东麓断裂西侧，呈“之”字形，主洞长90余米，宽1.6m，且洞体温差小于0.01℃，温度变化范围在12.50～12.60℃之间，相对湿度60%～70%，山洞顶部基岩进深约50m，覆盖层厚度约100m。银川台观测环境条件符合地震行业规范（中国地震局，2003）要求，距山洞西偏南270m沟谷中有一深井，井深112.58m。降水、山洪及每年3—11月间断性抽水，均对形变观测资料造成不同程度的影响，尤其对各套仪器EW向资料影响较大[2]。

2.2前兆观测仪器的基本情况

2001年7—8月按照“九五”台站改造项目要求，将原浮子水管倾斜仪（FSQ）拆卸，在原位置上组装架设新研制的浮子水管倾斜仪（DSQ）；将原石英洞体应变仪（SSY-Ⅱ）拆除，在原位置上架设新研制的洞体应变仪（SS-Y），9月1日开始试记，2002年1月1日正式投入观测。2015年11月将DSA-2数采更换为“十五”EP-3型数采。经过长达十年多的运行，目前各套仪器运行正常，观测数据正常[3]。

3 山洪对银川基准台形变观测数据的干扰分析

通过对银川台2016—2018年的山洪期间降雨量统计（如下表），当特大降雨持续约一个小时后，形成山洪及泥石流。

表1降雨统计

图2降雨量统计图Fig.2 Rainfall chart

3.1 DSQ水管倾斜仪和SS-Y洞体应变仪整点值观测数据曲线变化分析

从图4可以看出，从2016年至2018年发山洪当月数据曲线可以看出发山洪当天，随着瞬间降雨量越大，形成的山洪越大，对DSQ水管仪的两个测向曲线造成明显的干扰，北南向曲线呈缓慢下降趋势，东西向呈急速上升趋势（如图中画框区域）。2016年8月21日降雨量达到98.2mm，形成山洪及泥石流，对水管仪干扰明显；2017年7月5日降雨量减少，对数据的干扰较少；2018年7月22日降雨量达到99.7mm，形成超大型山洪及泥石流，对东西向数据曲线抬升较大，最大幅度达20%，持续24小时后数据恢复正常。

图3水管倾斜仪降雨干扰曲线Fig.3 Water tube tiltmeter rainfall interference curve

表2 DSQ水管倾斜仪受降雨干扰测向变化幅度和持续时间统计

从2016年至2018年发山洪当月数据曲线可以看出爆发山洪当天，随着瞬间降雨量越大，形成的山洪越大，对SS-Y洞体应变仪两个测向的观测数据曲线造成明显的畸变，北南向呈现向上抬升变化，东西向呈现加速下降变化，2016年8月21日降雨量达到98.2mm，形成山洪及泥石流，对伸缩仪干扰明显；2017年7月5日降雨量减少，对数据的干扰较少；2018年7月22日降雨量达到99.7mm，形成超大型山洪及泥石流，对两侧向数据曲线干扰较大，变化持续时间约36小时后数据变化基本恢复正常。相应的变化幅度如表3统计，从变化幅度上可以看出山洪越大对SS-Y洞体应变仪的干扰幅度越大，仅有2017年山洪期间降雨量较少没有形成山洪的数据曲线变化较为平稳（如图4中画框区域）[4]。

表3 SS-Y洞体应变仪受降雨干扰测向变化幅度和持续时间统计

图4 洞体应变仪降雨干扰曲线Fig.4 The rainfall interference curve of the cave strain instrument

3.2一阶差分分析

一阶差分是由日均值之差构成的差分序列，较原序列的统计特性有较大变化，偏离性、离散性和凹凸性等指标得到了削弱，序列服从或者近似服从正态分布，从而可以利用该序列直接求差分值得均方差，反映了数据曲线的相对噪声水平。

通过对水管仪整点值和日均值曲线做一阶差分分析，山洪影响时段整点值噪声水平较日均值干扰较小，同年山洪干扰期间东西向较北南向相对噪声水平较大，对这三年山洪干扰时段数据的一阶差分分析，2016年和2018年山洪较大，持续时间较长，数据的日均值一阶差分曲线明显的偏离常规区域，2018年偏离达到最大值33.6，偏离正常区间为34.6，2017年山洪较小，一阶差分偏离常规区域为6.68。

图5水管倾斜仪—阶差分分析曲线Fig.5 The first-order difference analysis curve of the water tube tiltmeter

同样，对伸缩仪整点值和日均值曲线做一阶差分分析，山洪影响时段日均值噪声水平较整点值干扰明显，同年山洪干扰期间东西向和北南向相对噪声水平均较大，对这三年山洪干扰时段数据的一阶差分分析，2016年和2018年山洪较大，持续时间较长，数据的日均值一阶差分曲线明显的偏离常规区域，2018年偏离达到最大值2119，偏离正常区间为2129，2017年山洪较小，一阶差分偏离常规区域为1512。

图6洞体应变仪—阶差分分析曲线Fig.6 The first-order difference analysis curve of the cave strain instrument

3.3斜率分析

固体潮的力源主要来自月亮、太阳等天体的引潮力，是目前唯一能够预先准确计算出理论值的地球物理现象，因此，可以用固体潮的理论值来拟合固体潮的观测，对实际的固体潮观测进行拟合检验，纠正观测中可能存在的错误，检查、衡量和评价固体潮观测资料的质量，提取固体潮分析和地震前兆分析的特征信息。同样可以看出，两套仪器在用斜率分析法得到的斜率值序列、归一速率序列和相对速率序列曲线在山洪的影响下发生明显的上下突起，形成异常特征。

图7水管倾斜仪斜率分析曲线Fig.7 The slope analysis curve of the water tube tiltmeter

3.4潮汐因子分析

潮汐因子分析是为了更加客观、准确地评定计算资料序列的精度，我们对固体潮观测值相对理论值的偏离通常可使用基于最小二乘法的维尼迪柯夫调和分析方法进行分析，该方法可以求解各个波群的观测振幅对理论振幅之比，M2波潮汐因子是用来评定固体潮汐观测资料内在质量精度的一项定量指标。

下面是通过计算两套仪器从2016年1月至2018年9月每月的M2波潮汐因子绘制的曲线，从图上可以看出在发山洪期间相应的月份潮汐因子并没有明显的变化，通过分析认为这主要由于瞬间的强降雨形成的山洪持续时间较短，银川台所处的滚钟口管理所每年3—11月份要对景区的树木进行抽水灌溉，对两套仪器的干扰较为严重，潮汐因子长年处于不稳定状态。因此，潮汐因子对于山洪的反应没有表现出明显的异常。

图9水管倾斜仪潮汐因子分析曲线Fig.9 The tidal factor analysis curve of the water tube tiltmeter

图10洞体应变仪潮汐因子分析曲线Fig.9 The tidal factor analysis curve of the cave strain instrument

4 结论

通过上述对比分析可以说明，当降雨量达到60mm以上时形成特大山洪，才会对水管倾斜仪和洞体应变仪产生较严重的干扰；就影响程度而言，水管倾斜仪较洞体应变仪干扰较小；就测向而言，水管倾斜仪的北南向比东西向受干扰程度小，洞体应变仪两测向均受干扰严重。山洪对形变观测数据的影响严重，但由于其短暂、迅猛的特性，对于数据曲线的整体固体潮并没有太明显的干扰。

由于形变观测手段在日常观测中受各类因素的影响较多，平时要做好防范工作，注意观察场地环境的变化，在分析资料的前兆异常时，对异常数据曲线要认真的排查，利用已经确定的干扰因素，借助各类辅助观测进行相关分析，减少数据在分析预报中的错误引导，才能正确的发现地壳内发生的真实异常变化信息，提高地震预报资料分析的准确度。