褚金學，方　偉，蘇有錦，趙　昆，王永安，楊玲英，李正春

(1.云南省地震局 彌渡地震臺，云南 彌渡 675600；2.云南省地震局，云南 昆明 650224)

深井抽水對地傾斜觀測影響的實驗研究*

褚金學1，方偉1，蘇有錦2，趙昆2，王永安2，楊玲英2，李正春1

(1.云南省地震局 彌渡地震臺，云南 彌渡 675600；2.云南省地震局，云南 昆明 650224)

摘要：采用抽水、放水實驗方法，研究地傾斜的變化量與地下水抽取量之間的關系、蓄水池池水變化量與地傾斜變化量之間的關系。通過對抽水實驗數(shù)據(jù)分析研究可知：在放水速率(V放水<9 m3/h)、總放水量(T<82 m3)有限的前提下，彌渡地震臺觀測山洞正上方30 m處的蓄水池水量變化不會引起地傾斜觀測資料的明顯變化；而地下水抽取是造成地傾斜異常變化的主要原因，且地傾斜異常變化在時間上與抽水作業(yè)(起止時間)保持高度同步性；抽水活動持續(xù)時間與地傾斜變化量是成非線性關系：隨抽水時間延長，地傾斜變化速率開始較快，隨后減小。但在開始抽水2小時時段內表現(xiàn)為近似線性關系，即NS測向VNS=-0.045 53 ms/min，EW測向VEW=-0.079 71 ms/min。通過頻域分析可知：彌渡地傾斜觀測受抽水干擾的異常信號的頻率在0.001 8～0.003 Hz之間。由此，筆者設計了帶阻濾波處理軟件對抽水干擾信號頻段進行處理，降低了抽水作業(yè)對彌渡地傾斜觀測的影響。

關鍵詞：抽水實驗；地傾斜；抽水干擾；帶阻濾波處理軟件

0引言

地殼在地球內力和外力作用下不斷運動，由于地球的非均勻性，這種運動必然會在某些地區(qū)引起較大的地殼形變，在一定條件下導致地殼的突然破裂(地震發(fā)生)。地震與地殼形變關系最為直接，故而受到國內外地震預報探索者的普遍重視(國家地震局，1986)。地殼形變是一個復雜的系統(tǒng)，形變量的大小不僅與地殼內部的運動特征有關，而且與許多外界因素，如氣溫、氣壓、降雨量、蒸發(fā)量、地下水位、地表溫度以及地下不同深度的地溫等有關(劉權威，1996)。因抽水產(chǎn)生的地下水水位的動態(tài)變化會造成所在區(qū)域局部地表形變(中國地震局科技司，1995)。作為觀測精度很高(10-8～10-10)的定點形變觀測在采集形變前兆觀測數(shù)據(jù)時，經(jīng)常會記錄到由于臺站附近水井抽水而引起的異?，F(xiàn)象(陳鵬等，2004)。深井抽水會產(chǎn)生一定的地傾斜變化，其變化的幅度和持續(xù)時間由抽水點至觀測儀器的方位、距離、抽水量以及地下水降深等因素決定(陳德福等，1993；陰朝民，2003；國家地震局預測預防司，1998)。地震前兆觀測的精度直接影響了地震前兆的分析，從而影響了地震分析預報的準確度。而抽水干擾就是影響地震前兆觀測精度較大的因素之一(裴曉峰，1995)。

傾斜觀測儀主要包括水管傾斜儀、石英擺傾斜儀和鉆孔垂直擺傾斜儀等。目前這些傾斜儀器的觀測精度可達10-9，且連續(xù)性和穩(wěn)定性較好(牛安福，2003)。彌渡地震臺地傾斜觀測儀器為FSQ型水管傾斜儀，該觀測于2013年12月在模擬觀測基礎上升級改造成DSQ型數(shù)字化觀測。從2004年起，在彌渡地震臺觀測山洞旁的彌渡一中校園內挖了一口深層抽水井，并在山洞的頂上方修建了一個蓄水池，每天把井水抽到蓄水池供給彌渡一中使用。該學校的抽水、蓄水作業(yè)導致水管傾斜觀測數(shù)據(jù)大幅變化，造成了觀測質量下降以及地震前兆異常信號識別困難的問題。

彌渡地震臺這樣的觀測環(huán)境無意中營造了一個天然的地傾斜受地下卸載與地面增壓的小實驗場，這樣的實驗場在全國同類觀測中，并不多見。本文利用現(xiàn)有的實驗場地，深入了解困擾彌渡地震臺形變觀測受抽水干擾的問題，了解其影響機制。進一步研究地下水抽取、蓄水池池水變化量與地傾斜變化之間的關系，為類似抽水、蓄水使觀測場地增壓、卸壓，從而導致地傾斜觀測量變化的相關研究提供參考。

1臺站觀測環(huán)境概況

彌渡地震臺位于彌渡沖擊傾斜盆地東南部邊沿近山地帶，處在金沙江—紅河斷裂系上，位于紅河斷裂與程海斷裂及楚雄—建水斷裂的交匯點處(圖1)。臺站海拔1 680 m，地貌多為侵蝕低山地貌。

形變觀測山洞是1985年在防空洞基礎上改造而成的地震專用觀測山洞。其中，各儀器室和引道總長288 m，寬3 m，高3 m。北洞口至東西儀器室西端的進深為20 m，西洞口至北東、南西儀器室的南西端進深為65 m。平均覆蓋厚度約為40 m。山洞巖性以輕度風化玄武巖為主，較破碎。洞內日溫差小于0.01 ℃，年溫差小于0.4 ℃，相對濕度約為89%。經(jīng)過多年觀測使用，該山洞對天氣變化的抗干擾能力較好。

2抽水、放水實驗

2.1實驗相關資料

2.1.1抽水井及其附近水文地質資料

根據(jù)《彌渡縣第一完全中學供水井竣工報告》*西南有色306勘察工程有限公司.2004.彌渡縣第一完全中學供水井竣工報告.的鉆探揭露：本區(qū)范圍內巖石種類單一，厚度大，地層主要由第四系浮土(主要為粉土、粉質粘土)及玄武巖層組成。其中粉土、粉質粘土層為相對隔水層，含水層主要為破碎的玄武巖層。玄武巖為中等風化，上部巖芯較完整，多為長柱狀，含水性相對較差。中下部巖芯較為破碎，裂隙發(fā)育，地下水水蝕明顯。其中64.1～72.0 m為層間斷層破碎帶，可見黑色斷層泥及滑動面。含水較為豐富，地下水類型為裂隙性地下水(圖2)。

2.1.2蓄水池設計資料

根據(jù)蓄水池設計圖(圖3)可知，蓄水池形狀近似于長方體(19.5 m×5.5 m×1.62 m)。距池底1.15 m、1.41 m處的池壁上分別安裝有水位傳感器a和b，當自動控制閥檢測到蓄水池水位下降至a傳感器位置時，水泵開始抽水作業(yè)；當水位超過b傳感器位置時，水泵停止抽水作業(yè)。通過計算可知，在抽水實驗模式下，蓄水池對山洞所產(chǎn)生的最大理論荷載壓力變化在174 m3水所產(chǎn)生的壓力范圍內；在自動抽水模式下，蓄水池對觀測山洞的荷載壓力范圍是固定的，即蓄水池所產(chǎn)生的壓力變化幅度始終保持在約28 m3水所產(chǎn)生的壓力范圍內。

2.1.3實驗系統(tǒng)設計

為了摸清彌渡地傾斜觀測受彌渡一中抽水作業(yè)的詳細干擾情況，研究地下水抽取量與地傾斜變化量，蓄水池池水變化量與地傾斜變化量之間存在的定量關系。結合現(xiàn)有場地環(huán)境，通過與水井擁有方彌渡一中溝通、協(xié)調后決定：在彌渡一中水管管網(wǎng)系統(tǒng)的不同位置布設水表，對水泵抽水量、蓄水池蓄水量、水池放水量進行實時監(jiān)控。

2.2實驗過程及數(shù)據(jù)

實驗場地布置如圖4所示，與本次實驗有關的水管線路共有3條，一條為抽水井—蓄水池之間的供水管道，另兩條為蓄水池供水管道。通過在水管線路上安裝水表(A、B、C、D)、閘閥(a、b、c、d)來對抽水作業(yè)、蓄水作業(yè)進行定量監(jiān)控。與彌渡一中進行協(xié)調，在不影響彌渡一中日常用水需求的前提下，我們將實驗日期選在學生離校的寒假、暑假期間進行。抽水實驗時，通過分時段讀取各水表讀數(shù)，并結合蓄水池設計參數(shù)，可以計算出每一次手動抽水實驗時的實驗時段、實驗時長、水泵抽水量、池進水量、池放水量、池水變化量、抽水速率、放水速率等參數(shù)(表1)。

3實驗數(shù)據(jù)定性分析

3.1蓄水池池水變化量與地傾斜觀測之間的關系

根據(jù)表2蓄水池放水實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況，并結合彌渡臺水管傾斜儀在蓄水池放水實驗時段實測的觀測數(shù)據(jù)(圖5、6)進行仔細分析，在放水速率、總放水量有限的前提下，蓄水池放水時段前后數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，并未出現(xiàn)明顯數(shù)據(jù)異常情況。為此，通過初步研究可表明：在彌渡臺形變觀測山洞上的蓄水池蓄水、放水不會對彌渡臺地傾斜觀測造成明顯干擾。

3.2地下水抽取與地傾斜變化之間的關系

表3為本次抽水實驗所獲得的詳細實驗數(shù)據(jù)，將表3中的抽水實驗數(shù)據(jù)與抽水實驗時段彌渡臺DSQ型地傾斜儀實測數(shù)據(jù)(圖7～9)進行對比分析，可發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：抽水作業(yè)可導致單位時間內的彌渡地傾斜變化量相對抽水前發(fā)生明顯改變，在開始抽水和停止抽水兩時刻均同時出現(xiàn)拐點；抽水所引起的地傾斜變化在時間上與抽水作業(yè)(起止時間)保持高度同步性。實驗結果與李恩建等(2006)研究結果一致。抽水活動引起的地傾斜變化，還具有隨抽水時間延長先加速、后減速的變化過程。上述變化過程可以用王慶良等(2002)提出的含水層水平變形機理作出較為合理的解釋：即在抽水開始階段，下伏斷層尚處于抽水引起的地層徑向拉張應變區(qū)域內，斷層面上的正應力減??；隨著抽水過程加長和內部徑向擠壓區(qū)的不斷向外發(fā)展，下伏斷層將逐漸處于抽水引起的徑向擠壓區(qū)域內，斷層面上的正應力又將增大。

表1　抽水實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表3　水泵抽水實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

4抽水對地傾斜影響的定量分析

在對實驗數(shù)據(jù)定性分析之后，確定了彌渡臺地傾斜異常變化是由深井抽水引起，且抽水時間與彌渡臺地傾斜異常變化時間高度同步(圖9)，利用該實驗成果，筆者以2014年1～8月彌渡臺DSQ型水管傾斜儀觀測數(shù)據(jù)隨機選取的38個抽水時段原始數(shù)據(jù)為研究對象進行統(tǒng)計分析，以便為下一步定量研究抽水量與地傾斜變化量關系提供更加充分、客觀、科學的數(shù)據(jù)支撐。詳細統(tǒng)計情況如表4所示。

4.1抽水干擾異常曲線的時域定量分析

使用Matlab數(shù)據(jù)處理軟件(萬永革，2007；肖本夫等，2011)對彌渡臺DSQ型地傾斜儀原始觀測數(shù)據(jù)進行處理：將表4中38個抽水時段的原始觀測數(shù)據(jù)曲線匯總在一起，可得到彌渡臺2014年1～8月中隨機的38個抽水時段地傾斜實測曲線圖(圖10)；將38個抽水時段的原始觀測數(shù)據(jù)進行平均計算，可得到在開始抽水2 h內彌渡臺平均地傾斜變化量曲線圖(圖11a)；最后，將抽水時段平均地傾斜變化量進行分鐘值差分處理，可得到平均地傾斜變化率統(tǒng)計圖(圖11b)。

從圖8可看出彌渡臺整個抽水時段的地傾斜變化量成非線性變化關系。但在抽水2 h內，其因抽水而導致的地傾斜變化量幾乎成線性關系(圖11a)，其地傾斜變化率基本上為一個固定值(圖11b)。通過計算可得到彌渡地傾斜觀測受抽水干擾引起的地傾斜變化率為：NS測向VNS=-0.045 53 ms/min，EW測向VEW=-0.079 71 ms/min。

圖11彌渡臺38個隨機抽水時段平均地傾斜變化量(a)與變化率(b)統(tǒng)計圖

Fig.11The statistical chart of the variation amount

(a)and rate(b)of average ground tilt in the randomly selected 38 pumping periods at Midu Station

4.2抽水干擾異常曲線的頻域分析

結合彌渡一中日用水量(平均90 m3/d)統(tǒng)計情況，可初步計算出彌渡一中在日常自動抽水模式下，平均抽水時長一般在2.5～4.5 h范圍內(表3的實際抽水統(tǒng)計情況可驗證)，而日抽水次數(shù)與彌渡一中日用水量、用水高峰期分布有關，據(jù)表3統(tǒng)計可知彌渡一中抽水井日抽水次數(shù)(即日抽水干擾時段數(shù))約為2.5次。假設數(shù)據(jù)恢復時段時長與抽水時段時長相等的情況下，彌渡臺受抽水干擾的地傾斜異常信號的周期應是平均抽水時長的兩倍，即5～9 h，轉換成頻率可知彌渡臺受抽水干擾的地傾斜信號頻率范圍在0.001 8～0.003 Hz之間，故受抽水干擾的地傾斜異常信號頻率范圍處于地傾斜固體潮的1/3日潮汐附近，通過實測曲線頻譜與固體潮曲線頻譜(左艷等，2011)對比分析可得到驗證(圖12)。其中，彌渡臺地傾斜固體潮理論值數(shù)據(jù)是采用EIS2000專業(yè)軟件計算所得。為此，給我們提供了一種從原始信號中去除抽水干擾信號的方法。筆者通過設計帶阻濾波處理軟件把抽水干擾信號頻段濾除，帶阻濾波處理軟件的設計原理如下：把受抽水干擾的地傾斜觀測信號通過快速Fourier變換對其進行頻率分析，然后在頻率域中將抽水干擾信號的頻率成分(0.001 8～0.003 Hz)的振幅置零，接著運用Fourier逆變換(IFFT)到時間域從而達到濾波的效果。濾波效果如圖13所示。詳細的matlab濾波程序如下：

x=load(′dsq_ns_yu_0204_0211.txt′)；%加載彌渡臺地傾斜觀測數(shù)據(jù)

dt=1；N=length(x)；

n=0：N-1；t=n*dt；f=n/(N*dt)；%時間序列及頻率序列

y=fft(x)；

f1=0.0018；f2=0.003；%要濾去頻率的上限和下限

yy=zeros(size(y))；%設置與y相同元素的數(shù)組

for m=0：N-1；%將頻率落在該頻率范圍及其大于Nyquist頻率的波濾去

if(m/(N*dt)>f1&m/(N*dt)

|(m/(N*dt)>(1/dt-f2)&m/(N*dt)<(1/dt-f1))；%大于Nyquist頻率的濾波范圍

yy(m+1)=0；%置在此頻率范圍內的振動振幅為零

else

yy(m+1)=y(m+1)；%其余頻率范圍的振動振幅不變

end

end

plot(t/(24*60)，real(ifft(yy)))；%運用IFFT變換回時間域并繪制濾波后的數(shù)據(jù)曲線

5結論

經(jīng)過對抽水實驗數(shù)據(jù)的分析研究可知：在放水速率(V放水<9 m3/h)、總放水量(T<82 m3)有限的前提下，彌渡臺觀測山洞正上方30 m處的蓄水池池水變化不會對彌渡地傾斜觀測造成明顯干擾；而抽水作業(yè)是造成地傾斜異常變化的主要原因，且在時間上與抽水作業(yè)保持高度同步性。此外，抽水活動引起的地傾斜變化是成非線性關系的，具體表現(xiàn)為隨抽水時間延長先加速、后減速的變化過程。但在開始抽水2 h內表現(xiàn)為近似線性關系，即NS測向VNS=-0.045 53 ms/min，EW測向VEW=-0.079 71 ms/min。通過頻域分析可知：彌渡地傾斜觀測受抽水干擾的異常信號的頻率在0.001 8～0.003 Hz之間。由此，筆者設計了帶阻濾波處理軟件對抽水干擾信號頻段進行處理，大大降低了抽水作業(yè)對彌渡地傾斜觀測的影響，其效果較為明顯。

參考文獻：

陳德福.1993.地殼形變動力學觀測與研究[M].北京：海洋出版社.陳鵬，李正媛，劉妙龍，等.2004.地下水位對定點形變觀測干擾的抽水實驗[J].大地測量與地球動力學，24(3)：79-82.

國家地震局.1986.地傾斜臺站觀測規(guī)范[M].北京：地震出版社.

國家地震局預測預防司.1998.地殼形變分析預報方法[M].北京：地震出版社.

李恩建，董紅軍，霍墚.2006.抽水對地殼形變觀測影響的研究[J].防災技術高等?？茖W校學報，8(1)：66-72.

劉權威.1996.地殼形變干擾因素有效性的判別[J].測繪學報，25(2)：95-103.

牛安福.2003.地傾斜變化的突變性及與地震關系的研究[J].地震學報，25(4)：441-445.

裴曉峰.1995.抽水對薊縣臺形變觀測的干擾機理研究[J].地震地磁觀測與研究，16(4)：76-80.萬永革.2007.數(shù)字信號處理的MATLAB實現(xiàn)[M].北京：科學出版社.王慶良，劉玉海，陳志新，等.2002.抽水引起的含水層水平應變地裂縫活動新機理[J].工程地質學報，10(01)：46-50.

肖本夫，萬永革，祁玉萍.2011.強干擾環(huán)境下有效數(shù)字地震信號的提取[J].華北地震科學，29(1)：07-09.

陰朝民.2003.地殼形變數(shù)字觀測技術[M].北京：地震出版社.

中國地震局科技司.1995.地震觀測技術[M].北京：地震出版社.

左艷，冀林旺，王晶晶，等.2011.數(shù)字化傾斜實測潮汐與理論固體潮汐的對比分析[J].防災減災學報，27(3)：44-49.

By using pumping and dewatering test method，we researched the relationship between the variation of ground tilt and amount of groundwater extraction，water yield variation of water reservoir.The analysis result of the pumping water test data showed that under the premise of the limited drainage rate(Vdrainage<9 m3/h)，the total discharge of water(T<82 m3)，the water yield variation of water reservoir which was located at 30 m above the observing cave of Midu Station didn’t cause significant interference to the ground tilt observation.The main reason of the ground tilt anomaly variation was induced by the pumping of the ground water and its variation maintained a high degree of synchrony with the pumping operation(the date of the start and the end)in time.The duration of pumping water had a non-linear relation with the ground tilt variation，that is，the variation rate of ground tilt was faster at first，and decreased as follow with the pumping time.However it showed an approximately linear relationship，that is，VNS=-0.045 53 ms/min in NS，VEW=-0.079 71 ms/min in EW within the first two hours of pumping water.The frequency domain analysis result shows that：The frequency of anomaly signal of ground tilt which was interfered by pumping water was between 0.00 18 Hz and 0.003 Hz.Thus，we designed a band-stop filter processing program to filter out the frequency of pumping water signal to reduce the influence of pumping water on the ground tilt observation.

Key words：water pumping experiment；ground tilt；pumping water interference；band-stop filter processing program

*收稿日期：2015-01-04. 基金項目：云南省人民政府十項重點工程“云南大震短臨跟蹤工作”專項資助.

中圖分類號：P315.6

文獻標識碼：A

文章編號：1000-0666(2015)03-0416-10

Experimental Study on the Effect of Deep Well Pumping on Ground Tilt Observation

CHU Jin-xue1，F(xiàn)ANG Wei1，SU You-jin2，ZHAO Kun2，WANG Yong-an2，YANG Ling-ying2，LI Zheng-chun1

(1.Midu Seismic Station，Earthquake Administration of Yunnan Province，Midu 675600，Yunnan，China) (2.Earthquake Administration of Yunnan Province，Kunming 650224，Yunnan，China)

Abstract