云南區(qū)域DSQ型水管傾斜儀觀測質(zhì)量分析及改進(jìn)措施

方 偉，起衛(wèi)羅，楊 祺，楊 星，湯長江

(1.云南省地震局，云南 昆明 650224；2.云南省地震局永勝地震臺，云南 永勝 674200)

DSQ型水管傾斜儀是自動測量地殼傾斜變化的一種精密儀器，用于測定地殼長期緩慢傾斜變化、傾斜固體潮以及捕捉臨震前兆信息(中國地震局，2012)，在地震前兆觀測和地球動力學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，水管傾斜觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量直接制約著地震事件預(yù)報水平。結(jié)合觀測山洞基礎(chǔ)信息，通過對水管傾斜觀測質(zhì)量分析判定，對進(jìn)一步了解云南區(qū)域觀測環(huán)境的詳細(xì)情況，提高水管傾斜儀運(yùn)行質(zhì)量、觀測數(shù)據(jù)可靠性以及研究地震孕育的傾斜變化規(guī)律等方面有著重要意義。

1 臺站及觀測山洞基本情況

云南省區(qū)域地震前兆臺網(wǎng)經(jīng)過幾十年的建設(shè)以及逐步調(diào)整和優(yōu)化，特別是經(jīng)過“九五”和“十五”項目建設(shè)，基本建成了綜合性、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化和現(xiàn)代化的地震前兆觀測臺網(wǎng)。本文主要涉及5個DSQ型水管傾斜儀觀測臺站，其基本情況如下：(1)云龍地震臺屬國家形變觀測基本臺，地處于龍陵、保山地震帶及中甸、麗江地震帶之間，在距云龍縣城邊100 m左右的南山半山坡上，臺站北西面距瀾滄江支流沘江約500 m，北面距獅尾河(季節(jié)河)約80 m；北面60 m山腳下有一條(非主要)公路通過；西面(距山洞約70 m處)有一山箐溝，旱季時無水，雨季時山洪順溝而流。云龍臺山洞引洞設(shè)隔離門7道(不含9個觀測硐室門)，船艙門2道，儀器觀測墩均為洞體原生細(xì)砂巖墩。結(jié)合數(shù)十年觀測研究，該臺除偶爾受氣候(如強(qiáng)風(fēng)、暴雨等)輕微干擾外，無明顯干擾源。(2)永勝地震臺屬國家形變觀測基本臺，地處于程海斷裂北段，距永勝縣城3 km左右，觀測洞西面有一條防洪排水溝渠(寬約1.5 m，水泥砼澆筑，流量不大)，旱季時無水，雨季時山洪順溝而流。永勝地震臺擁有210 m專用觀測山洞，引洞約61 m，山洞引洞設(shè)隔離門7道，船艙門2道，儀器觀測墩為完整堅硬的石英砂巖粘接塊墩(完整的砂巖石塊與洞體原生基巖用水泥粘接而成)，經(jīng)數(shù)十年的觀測研究，該臺除偶爾受氣候(如暴雨、氣壓等)輕微干擾外，無明顯干擾源。(3)云縣地震臺屬全國形變觀測基本臺，位于云縣縣城邊，與祥臨公路(車流量較大)相距約200 m，臺站處在瀾滄江西部與青藏斷塊地區(qū)的川滇隆起部，該地區(qū)常年受多重應(yīng)力的作用導(dǎo)致地質(zhì)構(gòu)造和動力特征十分復(fù)雜。云縣臺觀測山洞全長240 m，引洞約120 m，平均覆蓋層厚度約50 m，山洞引洞設(shè)隔離門6道，船艙門2道，儀器觀測墩為完整堅硬的花崗巖粘接塊墩，經(jīng)40多年觀測研究發(fā)現(xiàn)，該臺受降雨干擾、人為干擾、雷擊影響較大(曹白倫等，2017)。(4)麗江地震臺屬全國形變觀測基本臺，位于麗江市黑龍?zhí)豆珗@旁的象山腳下，臺站處在川滇“頁”字形與云南“山”字形西翼(紅河斷裂北端)構(gòu)造帶復(fù)合部位。麗江臺觀測山洞全長約150 m，引洞約97 m，山洞引洞設(shè)隔離門5道，船艙門2道，儀器觀測墩為堅硬完整的灰?guī)r粘接塊墩(東端、西端、南端)和經(jīng)打磨的原生基巖墩(北端)，平均覆蓋厚度約106 m，覆蓋面為天然灌木植被夾雜出露的灰?guī)r巖體，坑道洞口位置下陡75°左右、上緩45°左右，山坡下部背陽坡。經(jīng)多年觀測研究發(fā)現(xiàn)，該臺受雷擊、潮濕、人為干擾等因素影響較大。(5)昭通地震臺屬全國形變觀測基本臺，位于昭通市昭陽區(qū)圓寶山腳下的二環(huán)路邊，觀測山洞山體東西兩側(cè)被大量開挖建設(shè)房地產(chǎn)，臺站處于小江斷裂西邊，東臨馬邊—彝良斷裂，是地震活動頻繁的地區(qū)，臺基屬晚生代二疊紀(jì)玄武巖。昭通臺觀測山洞全長110 m，引洞長97 m，山洞覆蓋層厚度約40 m，山洞引洞設(shè)隔離門4道，船艙門1道，儀器觀測墩均為完整堅硬的粘接塊墩。該臺站觀測環(huán)境受到嚴(yán)重破壞，常年受周邊基建、降雨、道路車輛行駛等因素干擾。云南區(qū)域5個觀測山洞的洞體信息及水管傾斜記錄參數(shù)信息見表1。

表1 地震觀測山洞洞體信息及水管傾斜記錄參數(shù)

注：洞溫年變?yōu)?015～2017年SSY型伸縮儀洞溫傳感器記錄的洞溫年變的算術(shù)平均值，其中麗江臺洞溫儀器常出現(xiàn)故障，其數(shù)據(jù)為非故障時段的洞溫儀器觀測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。

表2 2015～2017年云南區(qū)域DSQ型水管傾斜觀測數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計

注：完整率均采用學(xué)科組的月評結(jié)果統(tǒng)計計算所得。

2 觀測資料質(zhì)量分析

2.1 數(shù)據(jù)完整性分析評價

數(shù)據(jù)完整性是觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)評價指標(biāo)，它反映了觀測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及產(chǎn)出數(shù)據(jù)的可用情況。完整率為儀器產(chǎn)出的有用數(shù)據(jù)總數(shù)與儀器應(yīng)產(chǎn)出數(shù)據(jù)總數(shù)的百分比(劉春國等，2017)，其中，有用數(shù)據(jù)為原始觀測數(shù)據(jù)按照形變學(xué)科預(yù)處理標(biāo)準(zhǔn)預(yù)處理后的剩余數(shù)據(jù)(簡稱為預(yù)處理數(shù)據(jù))。在全國數(shù)字化形變資料評比中，當(dāng)觀測數(shù)據(jù)完整率大于(或等于)99.5%不扣分(中國地震局，2012)。云南區(qū)域5個地震臺2015～2017年的水管傾斜觀測數(shù)據(jù)完整率見表2。結(jié)合數(shù)據(jù)缺數(shù)預(yù)處理情況匯總表(見表3)分析可知，2015～2017年云龍臺3個分量、云縣NS向、昭通NS向的完整率較高，說明云龍、云縣、昭通3個臺的DSQ型水管觀測系統(tǒng)的洞外部分的主機(jī)和數(shù)采部分工作較為穩(wěn)定。云縣EW向、昭通EW向數(shù)據(jù)完整性相對不理想的原因是其洞內(nèi)傳感器模塊故障較多、標(biāo)定困難所致。麗江DSQ型觀測系統(tǒng)故障率較高，儀器工作不穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)完整性較低。

表3 2016～2017年云南區(qū)域DSQ型水管傾斜觀測數(shù)據(jù)缺數(shù)預(yù)處理情況匯總

注：缺數(shù)預(yù)處理范圍包括儀器故障檢修缺數(shù)處理、調(diào)零標(biāo)定缺數(shù)預(yù)處理、明顯干擾缺數(shù)預(yù)處理等。

2.2 觀測系統(tǒng)穩(wěn)定性分析評價

觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響著觀測數(shù)據(jù)的完整性。觀測系統(tǒng)穩(wěn)定性除了與儀器設(shè)備本身質(zhì)量有關(guān)外，最重要的影響因素是各觀測系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，如設(shè)備的供電穩(wěn)定水平、觀測山洞溫度變化、觀測山洞濕度、觀測區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境等。結(jié)合云南區(qū)域5個觀測山洞的洞體信息及水管傾斜記錄參數(shù)信息(見表1)，利用年零漂、年變幅以及相對噪聲水平等指標(biāo)來分析5套水管傾斜觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(1)年零漂和年變幅

年零漂主要是用來衡量觀測儀器及其基墩穩(wěn)定程度或地殼繼承性的新構(gòu)造運(yùn)動(中國地震局監(jiān)測預(yù)報局，2008)。零漂一般受元器件老化導(dǎo)致儀器本身漂移、地球內(nèi)部密度變化或物質(zhì)遷移、外界干擾(包括溫度、氣壓、電壓、濕度等變化)影響(吳雪芳等，1984)。根據(jù)《地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范》要求，地傾斜觀測年零漂小于2 000 ms。本文中的年零漂采用潮汐值法(中國地震局，2012)，用每年的12月31日23時整點(diǎn)值減去同年1月1日零點(diǎn)值所得(見圖1)。年變幅是一年中觀測數(shù)據(jù)的最大值減去觀測數(shù)據(jù)的最小值所得，統(tǒng)計結(jié)果見圖2，年變幅的大小可以用來表征觀測山洞熱彈形變大小。

圖1 DSQ型水管傾斜儀各測向觀測數(shù)據(jù)年零漂統(tǒng)計

圖2 DSQ型水管傾斜儀各測向觀測數(shù)據(jù)年變幅統(tǒng)計

結(jié)合表1中的觀測山洞洞體信息，綜合分析圖1、圖2可知：①年零漂、年變幅參數(shù)能較好的表征觀測山洞抗氣象干擾的優(yōu)劣程度；其中年零漂、年變幅參數(shù)較優(yōu)的分別是云龍臺、永勝臺、麗江臺。②5個臺站中，只有昭通臺水管儀EW向年零漂大于 2 000 ms，不達(dá)標(biāo)，這主要是由于昭通臺觀測山洞所處的圓寶山東西兩側(cè)山體在近兩年來被大量開挖建設(shè)房地產(chǎn)，受環(huán)境干擾所致。③云縣臺3分量年零漂較小而年變幅較大，這主要是因為云縣觀測山洞覆蓋厚度較薄，形變觀測山洞所在山體疑為滑坡體，易受天氣(降水、雷電)干擾，一年雨旱兩季中，云縣觀測山洞受天氣影響導(dǎo)致熱彈形變量較大(曹白倫等，2017)。

(2)相對噪聲水平

長周期擬合相對噪聲水平M1是表征地傾斜潮汐觀測資料的1年長期穩(wěn)定性精度的重要的定量指標(biāo)，本文中的相對噪聲水平M1是采用契比雪夫多項式與1年度觀測資料73個五日均值作30階擬合而得(周克昌等，2011)，各臺站觀測數(shù)據(jù)的相對噪聲水平見圖3。根據(jù)《地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范》要求，相對噪聲水平需小于0.02″(中國地震局，2012)。從圖3可看出云南區(qū)域5個臺站的相對噪聲水平均小于0.02″，其中相對噪聲水平較好的為云龍臺、永勝臺、麗江臺3個臺站。

注：2015年麗江臺2分量因儀器故障缺數(shù)較多導(dǎo)致M1無法計算；2016年昭通臺EW向因儀器故障導(dǎo)致M1>0.02″。圖3 DSQ型水管傾斜儀各測向觀測數(shù)據(jù)相對噪聲水平統(tǒng)計

2.3 固體潮汐參數(shù)分析

本文中的固體潮汐參數(shù)主要是觀測數(shù)據(jù)M2波潮汐因子相對中誤差Mr(簡稱內(nèi)精度)和觀測數(shù)據(jù)潮汐因子標(biāo)準(zhǔn)差(簡稱外精度)(劉春國等，2017)。其中，M2波潮汐因子相對中誤差Mr是衡量傾斜觀測資料內(nèi)精度的一項最重要的指標(biāo)，觀測數(shù)據(jù)潮汐因子標(biāo)準(zhǔn)差是衡量傾斜觀測資料外精度的一項重要指標(biāo)。本文中M2波潮汐因子相對中誤差是按地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地震地殼形變觀測方法 地傾斜觀測》(DB/T 45-2012)中的Venedikov調(diào)和分析方法，選取每個測向1個月長度的傾斜觀測數(shù)據(jù)分別進(jìn)行Venedikov調(diào)和分析，圖4中的計算結(jié)果為Mr的年平均值。按照《地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范》要求，M2波潮汐因子相對中誤差Mr需小于0.02″。云南區(qū)域5個臺站的水管傾斜觀測系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)M2波潮汐因子標(biāo)準(zhǔn)差(簡稱外精度)如圖5所示。外精度表征了各測向觀測數(shù)據(jù)M2波潮汐因子序列的離散程度(楊紹富等，2017)，其測值越小，觀測精度越高。

圖4 DSQ型水管傾斜儀各測向觀測數(shù)據(jù)M2波潮汐因子相對中誤差統(tǒng)計

圖5 DSQ型水管傾斜儀各測向觀測數(shù)據(jù)M2潮汐因子標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計

從圖4、圖5中可看出：①云南區(qū)域5個臺站的水管儀觀測資料內(nèi)精度Mr均小于0.02″，云南區(qū)域5個形變觀測臺站均達(dá)到國家I類臺標(biāo)準(zhǔn)。其中Mr內(nèi)精度較好的臺站分別是云龍臺、永勝臺、麗江臺。②云南區(qū)域5個臺站的水管儀觀測資料外精度較好的臺站為云龍臺、永勝臺、云縣臺。其中麗江臺外精度較差的主要原因是系統(tǒng)故障較多，供電系統(tǒng)不穩(wěn)定，山洞密封性較差使觀測系統(tǒng)受外界干擾較大(主要指洞溫年變大、洞內(nèi)氣壓變化大等)，從而導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)突跳、臺階異常情況較多。

3 結(jié)論及改進(jìn)措施

通過對云南區(qū)域5套水管傾斜觀測系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)：①水管傾斜儀基線長度、觀測系統(tǒng)信號放大倍數(shù)是影響DSQ型水管傾斜觀測系統(tǒng)內(nèi)精度的重要指標(biāo)(曹白倫等，2017)；②觀測山洞密封性和相對濕度指標(biāo)是影響洞內(nèi)裝置系統(tǒng)是否穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，在新建、改造觀測山洞時，應(yīng)將觀測山洞密封性與相對濕度指標(biāo)放在最首要位置。為提高山洞內(nèi)觀測系統(tǒng)的質(zhì)量，觀測山洞應(yīng)盡量滿足以下定量指標(biāo)：山洞覆蓋厚度應(yīng)大于80 m且山體植被茂盛為宜；山洞基巖應(yīng)完整且以細(xì)砂巖和花崗巖為最佳；觀測墩基線長度大于30 m；洞溫年變應(yīng)小于0.08 ℃且相對濕度小于85%；洞內(nèi)照明線路應(yīng)將交流供電方式改成48 V直流供電方式，觀測區(qū)與引洞之間設(shè)防水開關(guān)。綜合考慮各臺站的觀測山洞信息以及觀測質(zhì)量指標(biāo)分析結(jié)果，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，從而提高云南區(qū)域各臺站DSQ型水管傾斜觀測質(zhì)量。

(1)麗江水管傾斜觀測系統(tǒng)除數(shù)據(jù)完整率、觀測數(shù)據(jù)外精度質(zhì)量指標(biāo)較差外，其M2波潮汐因子相對中誤差、M1相對噪聲水平、年零漂、年變幅度等各項質(zhì)量指標(biāo)相對較好，總體來看，麗江臺觀測山洞硬件條件較好，適宜開展地震前兆觀測。此外，麗江水管傾斜觀測系統(tǒng)存在裝置系統(tǒng)故障率高、洞體密封性差、濕度大等問題。為提高觀測質(zhì)量，提出如下改進(jìn)措施：①現(xiàn)山洞內(nèi)的測量線路是從山洞房房頂布設(shè)至二樓機(jī)房，線路布設(shè)方式在雷雨天氣受干擾較大，最好應(yīng)將水管儀觀測主機(jī)放在山洞房內(nèi)，以減少雷雨天氣的干擾；②麗江臺常出現(xiàn)因UPS負(fù)載功率較大導(dǎo)致電壓不穩(wěn)的情況，建議架設(shè)監(jiān)測設(shè)備專用供電線路，減少 UPS負(fù)載，配備參數(shù)穩(wěn)壓器；③從表1中可看出，麗江臺洞溫年變較大(大于0.44℃)，相對濕度較大，山洞密封性不佳，建議封堵洞內(nèi)線槽孔、更換密封門、更換儀器保溫泡沫等(趙長紅等，2009)；④麗江臺觀測日志描述不清晰，月報中預(yù)處理原因不詳細(xì)，數(shù)據(jù)預(yù)處理中存在過處理情況，應(yīng)加強(qiáng)日常預(yù)處理的規(guī)范性管理。

(2)云縣觀測山洞相對濕度最大，洞體溫度最高，洞體覆蓋厚度較薄，整個山體在降水、雷電天氣影響下熱彈形變量較大，水管儀NS分量觀測基線長度較短，總體來看，云縣觀測山洞硬件條件不是很理想。從各項觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)來看，除數(shù)據(jù)完整率指標(biāo)相對較好外，年零漂、年變幅、M2波潮汐因子相對中誤差、M1相對噪聲水平等指標(biāo)均不理想，尤其是云縣水管儀NS分量因基線較短，導(dǎo)致該分量M2波潮汐因子相對中誤差值較大，內(nèi)精度較低。為提高觀測質(zhì)量，提出以下改進(jìn)措施：①建議在資金允許的條件下，重新選點(diǎn)新建觀測山洞；②嘗試調(diào)整水管NS分量放大倍數(shù)，找出適合該分量的最佳放大倍數(shù)；③因山洞較為潮濕，洞內(nèi)信號線易腐蝕、標(biāo)定齒輪易卡死、傳感器易受潮，建議更換防潮性能較好的信號線纜，將洞內(nèi)基線部分重新加蓋防潮保溫泡沫，并鋪設(shè)防水塑料膜(楊紹富等，2018)。

(3)昭通水管傾斜觀測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，日常預(yù)處理工作詳細(xì)，但觀測山洞硬件條件不足，具體表現(xiàn)為觀測分量基線較短(均有12 m)、山洞覆土厚度較薄，觀測山體受房地產(chǎn)開發(fā)干擾嚴(yán)重。在資金充足的條件下，建議選點(diǎn)重建觀測山洞。

(4)永勝水管傾斜觀測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項質(zhì)量指標(biāo)較優(yōu)秀，時有雷雨干擾、人為干擾。結(jié)合各分量的質(zhì)量指標(biāo)分析情況，提出幾點(diǎn)改進(jìn)措施：①結(jié)合故障統(tǒng)計情況與各分量數(shù)據(jù)完整率情況，永勝臺應(yīng)加強(qiáng)日常預(yù)處理工作，避免過處理情況發(fā)生；②裝置運(yùn)行方面，應(yīng)注重雨季防雷，注重標(biāo)定裝置養(yǎng)護(hù)，盡量減小因進(jìn)洞調(diào)零、標(biāo)定、檢修養(yǎng)護(hù)造成的人為干擾；③永勝水管NS分量觀測數(shù)據(jù)M2波潮汐因子相對中誤差相對EW分量較大，建議調(diào)整NS分量信號放大倍數(shù)，找到適合該分量的最佳放大倍數(shù)。

(5)云龍水管傾斜觀測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，觀測山洞硬件條件較為理想，各項質(zhì)量指標(biāo)較優(yōu)秀，應(yīng)減小觀測人員進(jìn)洞調(diào)零、標(biāo)定、檢修的人為干擾，加強(qiáng)臺站觀測數(shù)據(jù)成果產(chǎn)出方面的工作。