唐 磊 邱澤華 郭燕平 唐小勇 徐 斌

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無人值守鉆孔應變臺站的運行模式及探討

唐 磊1）邱澤華1）郭燕平1）唐小勇2）徐 斌3）

1）中國地震局地殼應力研究所（地殼動力學重點實驗室），北京100085?2）重慶市地震局，重慶401147?3）北京市地震局，北京100080

根據13個無人值守鉆孔應變臺站的運行狀況、觀測數據連續(xù)率和潮汐因子相對中誤差以及日常維護情況等，本文總結了無人值守臺站相比有人值守臺站的優(yōu)勢及存在的問題，探討了未來無人值守臺站的建設及運行時需要注意的問題，旨在為無人值守模式鉆孔應變臺站的進一步發(fā)展提供參考。

鉆孔應變觀測 無人值守臺站 數據質量

引言

隨著城市化的快速發(fā)展，其對現有地震臺站的觀測儀器影響也日益增大。由于受工程建設、抽水灌溉、礦產開采等外部環(huán)境因素的影響，地震臺站的儀器觀測數據質量也受到了越來越明顯的影響，這給地震臺站的異常信息分析及識別帶來了很大的困難。在地震前兆臺網觀測儀器中，鉆孔應變儀的觀測靈敏度較高，其靈敏度系數可達10-10（邱澤華等，2002），受外部環(huán)境干擾影響較大，所以在臺站安裝鉆孔應變儀前，臺址和臺站運行模式的選擇就顯得尤為重要。

從2006年開始，國家地震前兆臺網中心與部分區(qū)域臺網中心嘗試利用無人值守運行模式進行鉆孔應變觀測。到2008年底，共在北京、重慶、甘肅等地建設無人值守鉆孔應變臺站13個。通過近年來的運行發(fā)現，這些鉆孔應變臺站與有人值守臺站相比有其自身的特點，但也存在著明顯的不足。隨著地震臺站數字化、網絡化進程的加快，無人值守鉆孔應變臺站將會成為未來地震臺站觀測的重要運行模式之一，但如何改進無人值守運行模式存在的缺點，將成為急需解決的關鍵問題。為此，筆者根據13個無人值守鉆孔應變臺站的運行狀況、觀測數據質量及日常維護情況等，總結了無人值守鉆孔應變臺站相比有人值守臺站的優(yōu)勢以及存在的問題，探討了未來無人值守鉆孔應變臺站的建設及運行時需要特別關注的問題，以期為無人值守鉆孔應變臺站的運行模式提供參考。

1 無人值守鉆孔應變臺站的基本概況

在國家地震前兆臺網中，共有13個無人值守鉆孔應變臺站較早安裝了鉆孔應變儀，具體情況如表1所示。這些鉆孔應變臺站并未集中分布在同一地震斷裂帶或同一區(qū)域，而是分別布設在北京、甘肅、重慶、四川等四個區(qū)域。同時，這些鉆孔應變臺站分別由不同的項目資助完成，其中，北京、四川及重慶合川云門的鉆孔應變臺站由中國數字地震觀測網絡項目資助；重慶地區(qū)的其他6個鉆孔應變臺站由三峽庫區(qū)重慶段地震監(jiān)測系統(tǒng)項目資助（陳敏等，2011）；甘肅地區(qū)的2套體應變儀由臺陣實驗項目資助。這種根據不同項目布設鉆孔應變臺站的模式，未來還會被各種項目繼續(xù)沿用，所以在制定鉆孔應變臺站的規(guī)劃中，可將已經（或未來準備）布設的鉆孔應變臺站一并進行統(tǒng)籌考慮，如此可形成密度較大的區(qū)域鉆孔應變臺網。同時，目前已經運行的無人值守鉆孔應變臺站，又可為未來建設更多的無人值守鉆孔應變臺站提供借鑒和參考。

在目前已有的13個鉆孔應變臺站中，共安裝了2套TJ-2型體應變儀、5套YRY-4型分量鉆孔應變儀和6套RZB型分量鉆孔應變儀。而在國家地震前兆臺網中，也主要是上述三種鉆孔應變儀。上述13套儀器的探頭埋深跨度在37—100m之間，且儀器已連續(xù)運行了5年以上（截止到2013年12月31日），已經為探討無人值守鉆孔應變臺站的運行模式提供了大量可借鑒的觀測資料。

表1 無人值守鉆孔應變臺站基本概況

2 鉆孔應變臺站觀測數據的質量狀況

根據中國地震局地殼形變臺網中心觀測數據質量評比細則（陳志遙等，2012），鉆孔應變觀測的數據質量主要以數據的連續(xù)率和M2波潮汐因子相對中誤差為評價指標，如表2所示。為此，筆者將從這兩個方面分別對現有無人值守鉆孔應變臺站的觀測數據質量進行分析。

表2 鉆孔應變臺站觀測數據質量的評價指標

2.1 鉆孔應變臺站觀測數據的連續(xù)率

鉆孔應變臺站觀測數據的連續(xù)率可反映出某一時間段內，觀測數據的連續(xù)性和完整性，一般的可表示為：

（1）

式中，N為某時間段實測數據數量；N為某時間段應測數據數量。

對于上述13個無人值守鉆孔應變臺站，筆者選取2009—2013年的觀測數據進行分析，表3為13個無人值守鉆孔應變臺站的年度觀測數據的連續(xù)率。需說明的是，在計算觀測數據的連續(xù)率時，分量鉆孔應變儀的連續(xù)率為4個測道觀測數據連續(xù)率的均值。從表3可以看出，除了寺灘鉆孔應變臺站各年度觀測數據的連續(xù)率較低以外，大多數鉆孔應變臺站各年度觀測數據的連續(xù)率均在95%以上（除個別年度外）?？傮w上而言，鉆孔應變臺站觀測數據的完整性較高。表3中，懷柔對石村臺站的鉆孔應變儀進行安裝時，由于應變傳感器與巖石壁接觸松弛，致使觀測數據不正常無法使用，故未計算觀測數據的連續(xù)率及M2波潮汐因子相對中誤差。

表3 無人值守鉆孔應變臺站觀測數據的連續(xù)率

觀測數據連續(xù)是無人值守鉆孔應變臺站必須具備的基本條件。從表3可以看出，在13個無人值守鉆孔應變臺站中，部分臺站存在經常缺失觀測數據的情況。圖1為甘肅寺灘鉆孔應變臺站2010年的觀測曲線，從圖中可以看出，從2010年8月開始觀測數據缺失，嚴重影響了觀測數據的正常使用，致使觀測數據的利用價值較低。

筆者對13個鉆孔應變臺站進行調查后發(fā)現，引起觀測數據缺失的主要原因是供電故障和通訊故障?？紤]到無人值守鉆孔應變臺站的供電大多是利用當地的電源，由于經常會出現斷電的情況，所以需要由蓄電池提供相對持久的電源來維持運行。為此筆者建議，在進行儀器安裝時，需配備性能較高的UPS電源以防斷電，可采用市電和太陽能供電相結合的方式供電，而不采用地方電源。另外，還要盡量利用先進和穩(wěn)定的無線網絡傳輸，以避免網絡中斷引起的觀測數據缺失。

2.2 鉆孔應變臺站觀測數據的質量

對鉆孔應變臺站觀測數據質量進行評價時，M2波潮汐因子相對中誤差是一項重要的評介指標，其計算公式為：

（2）

式中，為M2波的中誤差；R為M2波潮汐因子（形變學科通訊，2008）。

可反映出鉆孔應變儀記錄固體潮的能力，越小，觀測數據曲線呈現的固體潮越清晰，表明觀測數據的可信度越高。

表4為無人值守鉆孔應變臺站的M2波潮汐因子相對中誤差，同連續(xù)率的計算一樣，分量鉆孔應變儀的為4個測道觀測數據的均值。從表中可以看出，順義龍灣屯、墊江新民、奉節(jié)紅土、金河臺的值較高，未達到良好以上，說明這些臺站的觀測數據記錄固體潮的能力較低，在觀測曲線上呈現的固體潮不清晰或無固體潮；而其他9個臺站觀測數據記錄固體潮的曲線清晰，表明觀測結果可靠。

表4 無人值守鉆孔應變臺站的潮汐因子相對中誤差

筆者對13個鉆孔應變臺站的M2潮汐因子相對中誤差進行調查后發(fā)現，其中奉節(jié)紅土、墊江新民，北京順義龍灣屯、懷柔對石村臺由于觀測環(huán)境差，干擾較大，導致觀測數據質量較差，觀測曲線固體潮不清晰，加大了從觀測數據中提取異常信號的難度，其觀測數據的實用性較低；重慶合川云門臺的第1測道、平谷茅山后村臺第3測道，由于鉆孔應變儀的元件已出現故障，沒有記錄到固體潮；懷柔對石村臺鉆孔應變儀的傳感器與巖石壁接觸松弛，導致鉆孔應變儀各分量均出現了不正常的觀測數據，且觀測數據曲線無固體潮形態(tài)、年變化規(guī)律及同震響應，無使用價值（見圖2）。

2.3 鉆孔應變臺站的日常運行與監(jiān)控

筆者對13個無人值守鉆孔應變臺站的日常運行監(jiān)控進行調查后發(fā)現，由于無工作人員值守，造成這些臺站缺少鉆孔應變儀的運行日志、工作日志以及觀測月報、年報等。當鉆孔應變儀出現故障或觀測曲線出現較大變化時，有人值守鉆孔應變臺站會在日志、月報和年報中備注異常變化出現的原因及調查結果，數據分析人員在利用鉆孔應變臺站的數據時，會根據日志、月報或年報中的內容判斷異常變化。相反，無人值守鉆孔應變臺站由于缺少上述資料，不利于數據分析人員對異常變化的判斷，而是只能根據經驗判斷極大地降低了觀測數據的利用效率。因此，如何解決無人值守鉆孔應變臺站日志、月報和年報的填寫，已成為無人值守鉆孔應變臺站發(fā)展中急需解決的一個重要問題。鑒于目前無人值守鉆孔應變臺站觀測的現狀，筆者建議在未來建設無人值守鉆孔應變臺站時，應在距離現有有人值守臺站較近的地區(qū)選址，這樣可以依托周圍的有人值守臺站，定期進行巡檢并填寫相關的基礎資料及數據異常變化調查結果。

3 結論及建議

基于上述對13個無人值守鉆孔應變臺站的分析，經與相關地區(qū)及臺站工作人員討論，筆者得出了以下結論及解決方案。

（1）無人值守鉆孔應變臺站的優(yōu)點及前景

無人值守鉆孔應變臺站的運行管理模式可減少臺站人員編制，節(jié)約人員經費；無人值守鉆孔應變臺站可布設在環(huán)境干擾較少的無人區(qū)，它可以遠離江河、水庫、湖泊、鐵路、公路、采石及采礦區(qū)、城鎮(zhèn)等對觀測有較大影響的地區(qū)，這樣可提高觀測數據質量易于提取地震臨震異常信號；隨著城市化的快速發(fā)展，對現有有人值守地震臺站的觀測儀器影響日益增大，觀測數據質量受環(huán)境影響越來越明顯，不利于異常信息的分析及識別，而無人值守鉆孔應變臺站的發(fā)展可改進這種狀況。

（2）存在的問題及解決方案

與有人值守臺站相比，無人值守鉆孔應變臺站觀測數據連續(xù)率相對較低，導致數據連續(xù)率低的主要原因有：①無人值守鉆孔應變臺站出現供電故障和通訊故障的概率較高；②日常運行維護及監(jiān)管相對較難，當觀測設備出現故障時，無法及時采取處理措施，致使數據缺失率較高；③無人值守鉆孔應變臺站的防護性差，偷盜、破壞地震觀測設備的事件時有發(fā)生。針對上述情況可通過以下方式解決：①完善供電系統(tǒng)和網絡通訊系統(tǒng)；②區(qū)域地震臺網中心需配備適量的備用儀器，確保儀器出現故障時能夠及時更換，以確保觀測數據的連續(xù)性；③利用遠程實時監(jiān)控，完成對無人值守鉆孔應變臺站觀測設備運行狀況的監(jiān)控，當發(fā)現觀測故障時，及時與當地看護人員聯系，無法解決問題時，及時安排人員現場維修（陳吉鋒等，2012；左德霖等，2011）；④依托周圍的有人值守臺站，定期進行巡檢。

考慮到部分無人值守鉆孔應變臺站依然受環(huán)境影響嚴重，導致觀測數據質量低，數據可用性不高，為此筆者建議在今后無人值守鉆孔應變臺站的選址過程中，在滿足鉆孔應變儀對觀測環(huán)境要求的前提下，應堅持選擇無干擾地區(qū)。既便是在一些重要的地震帶上必須布設無人值守鉆孔應變臺站時，如果在觀測環(huán)境不理想的情況下，也應盡量選擇干擾最少的地區(qū)。

同時，針對無人值守鉆孔應變臺站日常運行監(jiān)控中出現的問題，筆者建議在建設無人值守臺站時，應在距離現有有人值守臺站較近的地區(qū)選址；臺站建設及儀器安裝的基礎資料應配備齊全，包括臺站及周圍的環(huán)境、可能的干擾源、地質構造資料、井孔資料等（陳敏等，2011）；另外，在無人值守臺站建設時，應考慮配備輔助的觀測設備，如氣象三要素觀測設備等。

雖然無人值守鉆孔應變臺站目前還存在一些問題，但通過上述方案可解決一些關鍵性的問題。另外，由于鉆孔應變儀觀測靈敏度高，受環(huán)境干擾影響大，無人值守鉆孔應變臺站在選址時，可視觀測儀器遠離環(huán)境干擾地區(qū)而靈活選定，這樣可提高觀測數據的質量?？梢灶A見的是，無人值守鉆孔應變臺站一定會成為今后鉆孔應變臺站觀測的主要模式。

陳吉鋒，陳軍輝等，2012．無人職守地震臺站遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現．地震研究，35（3）：429—433．

陳敏，郭衛(wèi)英等，2011．重慶無人值守鉆孔應變觀測臺站運行實踐．地殼構造與應力文集，23：139—144．

陳志遙，李輝，呂品姬等，2012．形變學科觀測資料質量年度評比辦法（2011修訂）．北京：中國地震局地殼應力研究所．

邱澤華，張寶紅，2002．我國鉆孔應力-應變地震前兆監(jiān)測臺網的現狀．國際地震動態(tài)，（6）：5—9．

形變學科通訊，2008．2007年度觀測資料精度評定專集．19：54—55．

左德霖，丁文秀等，2011．無人值守GPS站點遠程監(jiān)控系統(tǒng)．大地測量與地球動力學，31（2）：153—159．

The Discussion about Operations of the Unattended Borehole Strain Observation Station

Tang Lei1), Qiu Zehua1), Guo Yanping1), Tang Xiaoyong2)and Xu Bin3)

1) Key laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, CEA , Beijing 100085, China?2) Chongqing Earthquake Administration, Chongqing 401147, China?3) Beijing Earthquake Administration, Beijing 100080, China

Based on studying of the continuous rate of observation data and the relative error in tidal factor, the daily maintenance situation from 13 unattended borehole strain observation stations, we summarized the advantages and the existing problems in operation of unattended station compared with manned stations. We discussed the problems in construction and operation of unmanned stations in the future. This will provide the references for the further development of unattended borehole strain observation stations.

Borehole strain observation；Unattended station；Data quality

中央公益性科研院所基本科研業(yè)務專項（ZDJ2012-10）資助

2014-10-30

唐磊，男，生于1981年。助理研究員。主要從事鉆孔應變臺網管理及相關研究。E-mail：TangLei06@163.com