郭國祥，張紅秀，靳寶萍，吝利民

(1.山西省地震局臨汾地震監(jiān)測中心站，山西 臨汾 041000；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025 )

0 引言

短水準測量作為監(jiān)測地殼形變的重要觀測手段，在日常觀測中會受到諸多干擾因素的影響，降水便是其中之一。降水對水準觀測的影響與觀測場地地質(zhì)條件有關，是一種離散的、不連續(xù)的干擾因素，對地形變的影響不是線性的，與初始條件有關。如，土層的膨脹和變形，降水對巖層的負荷等。受干擾嚴重的水準測線有兩類：一是測線場地為黏土層或含黏土的風化巖，通過滲透來影響地形變；二是測線場地為風化巖或裂隙發(fā)育的各種基巖，借助降水荷載逐漸向下傳遞[1]。一般情況下，當降水速率小于入滲速率時，表現(xiàn)為以入滲方式對觀測數(shù)據(jù)的影響為主；降水量較大且比較集中時，形成降水速率大于入滲速率，表現(xiàn)為以載荷影響為主，當?shù)乇硭_到飽和，標石周圍土體產(chǎn)生膨脹導致水準標石圍壓增大，引起水準高差曲線發(fā)生畸變[2]。王鋒等研究發(fā)現(xiàn)目前降水主要對短水準土層標石影響較大，土層標石受膨脹土圍壓一定量值后才對觀測值產(chǎn)生影響[3]。下面擬對山西省地震局臨汾地震監(jiān)測中心站(以下簡稱臨汾站)2018至2021年跨斷層短水準測線受降水影響導致觀測數(shù)據(jù)、曲線趨勢異常變化等進行統(tǒng)計，分析歷年降水量大小對觀測數(shù)據(jù)影響的主要特征，以期研究結(jié)果可用于快速識別降水干擾，為地震預測研究提供基礎資料。

1 觀測場地概況

臨汾站短水準觀測場地位于臨汾盆地西部席坊溝洪積扇上，主要監(jiān)測龍祠斷裂、馬頭山斷裂北部的高差變化，這兩個斷裂均屬于羅云山斷裂。羅云山斷裂長約27 km，斷面傾角70°左右，走向NE35°，傾向SE，是東盤下降、西盤上升的正斷層，斷距約150 m。

水準線路布設如圖1所示，測線布設為導線，屬于斷裂位移型，線路共有3測段、4個水準點；BM1、BM2為普通基巖標石，埋設于斷層下盤；BM3、BM4為土層水準標石，埋設于斷層上盤。過渡點(中間土層標石)均為水泥樁，其中2條測線斜交跨越斷層，另一條測線與斷層近似平行組合成“U”字形水準線路。線路總長0.54 km，共有16站，測線最大視距為25 m，觀測條件良好。

圖1 臨汾站短水準線路布設圖

2 降水量對觀測資料的影響

2.1 測站高差異常特征分析

在水準觀測中有各種干擾因素，以降水影響較為顯著。臨汾站BM4-BM1測段的2-3測站(2測站)跨越斷層[4]，表1給出了2021年BM4-BM1跨斷層1-4測站高差速率變化、測站高差與降水月累積量的對比結(jié)果?？梢钥闯?，雨季有強降水或降水較集中時段，對1-2測站影響較明顯，變化幅度大，觀測數(shù)據(jù)均會出現(xiàn)階變，3-4測站高差變化較穩(wěn)定。如，2021年9月16日至10月10日，降水集中且持續(xù)時間長，降水量達387 mm，測站高差及測站高差變化速率較正常時段明顯。為驗證高差數(shù)據(jù)受降水的影響，表2統(tǒng)計2013至2021年各測站的高差速率變化情況?？梢钥闯觯?-2測站高差變化明顯高于3-4測站。采用Pearson相關分析方法，設定兩個變量X、Y，設定X代表降水量(2013-2021)，Y代表高差(2013-2021)，計算兩者的相關系數(shù)。結(jié)果顯示，2013年至2021年月降水總量與高差月均值相關系數(shù)最大，為-0.867 36，相關性高，表明集中降水累計總量達到300 mm以上時，對高差影響比較明顯(見第7頁表3)。2018年、2019年、2021年的測站數(shù)據(jù)變化特征如第7頁圖2～第8頁圖4所示，當降水開始時，測點高差變化不明顯，隨著降水量的增加，孔隙水壓的不斷擴散下降，產(chǎn)生不同方向形變量(測站1呈下降變化、測站2呈上升變化)。由于降水量達到一定程度，導致各種力達到新的平衡狀態(tài)，所以，雨后較長時間內(nèi)測值不能恢復到雨前水平。

圖2 2018年短水準BM4-BM1(1-2)測站高差與日累積降水量曲線圖

圖3 2019年短水準BM4-BM1(1-2)測站高差與日累積降水量曲線圖

圖4 2021年短水準BM4-BM1(1-2)測站高差與日累積降水量曲線圖

表1 短水準BM4-BM1(1-4測站)2021年高差數(shù)據(jù)對應降水量

表2 BM4-BM1(1-4測站)高差速率變化幅度表

表3 BM4-BM1(1-2測站)高差與降水量的相關性

從降水與水準高差變化對比結(jié)果來看，降水當天對水準觀測值影響不明顯，原因可能是地表和標石基礎從接受水分到膨脹變形需要一個過程。每一個水準場地有一個驅(qū)動雨量,當降水達到驅(qū)動雨量時,引起標石點位的變化。隨著時間的推移,雨水蒸發(fā)與流失,影響又開始減弱[5]。多年觀測結(jié)果表明，臨汾站受降水影響較大的是BM4土層基準點和2號過渡點標石。

2.2 降水量與測段異常對比分析

臨汾站2018年至2021年水準觀測值受降水影響在變化特征上具有相似性，每年水準測值突變均在雨季(4-10月)，變化持續(xù)時間較長。從去除趨勢變化后的數(shù)據(jù)來看，每年1-3月、11-12月降水相對較少，觀測數(shù)據(jù)較穩(wěn)定。在每年4-10月的雨季，當降水強度大，延續(xù)多日或累積降水量達300 mm以上，短水準觀測數(shù)據(jù)受降水量影響，曲線呈明顯的壓性形態(tài)，影響測段的觀測精度(見第8頁圖5)。

圖5 短水準BM4-BM1測段觀測值與降水量對比圖

為進一步分析降水對水準觀測高差的影響。筆者在去掉水準測線趨勢變化的基礎上又去除降水量影響，采用以下步驟，將水準觀測數(shù)據(jù)與降雨量統(tǒng)一采用5日值格式；對水準觀測數(shù)據(jù)原點歸零，使用3階一般多項式擬合水準趨勢，去趨勢；將水準觀測數(shù)據(jù)與降雨量數(shù)據(jù)運用最小二乘法進行擬合，計算相關系數(shù)與比例系數(shù)，對比消除降雨影響后的水準觀測數(shù)據(jù)。結(jié)果如第8頁圖6所示，表明去除降水影響前后的形態(tài)基本一致，只是去除降水影響后的變化幅度有所減小。

圖6 短水準BM4-BM1測段數(shù)據(jù)與去除降水量影響數(shù)據(jù)對比圖

3 降水量對短水準觀測值影響的原因分析

降水、地下水動態(tài)變化是一種作用于地殼(特別是淺層地殼)的附加外動力荷載[5]。根據(jù)相關研究成果及短水準觀測場地標石點特性，對臨汾站短水準受降水干擾的影響原因進行探討。

降水強度較大時段，短水準BM4-BM1測段2號標石點觀測數(shù)據(jù)有一定程度的下降變化，主要原因是雨季降水使土體處于濕潤狀態(tài)，降水強度較大時，地表水大量滲透到土層，當土體含水量發(fā)生明顯變化，土體中的水分受重力影響而向下移動形成垂直載荷，使土體產(chǎn)生垂直和水平方向的體積膨脹，影響水準標石的變化，導致觀測曲線出現(xiàn)畸變現(xiàn)象。降水強度越大，影響土體性質(zhì)變化的程度越深[6]。

當降水持續(xù)時間長或降水量較集中時，有可能使地表水大量滲入下覆含水層，引起地下水位大幅度的升高，含水層水體的常年運動可能使上部土層結(jié)構(gòu)遭到破壞而引起地面沉降[7]。如，2021年9月1日至10月10日持續(xù)降水，累計降水量達503 mm，導致短水準測區(qū)內(nèi)深井地電觀測水井的水位持續(xù)上升2.82 m(見圖7)。井水位的快速上升可能導致上部土層結(jié)構(gòu)遭到破壞而引起地面沉降，影響水準標石的觀測值和斷層下盤的土層水準點的變化。

圖7 井水位與降水量日均值對比圖

4 結(jié)論與討論

通過對影響臨汾站水準觀測的降雨因素的分析，得出如下結(jié)論：

(1) 水準測量的眾多干擾因素中，降水干擾較為明顯。觀測數(shù)據(jù)曲線的變化形態(tài)和幅度主要與降水持續(xù)時間和降水量的大小有關。臨汾站降水與水準觀測資料的對比結(jié)果顯示，雨季水準測值與降水量具有一定的相關性，相關系數(shù)在0.6～0.9之間；當降水量大于300 mm時，對各測段水準觀測數(shù)據(jù)會產(chǎn)生明顯影響，變化形態(tài)以大幅度上升或下降為主。

(2) 水準標石所處土體的覆蓋層厚度越深，當降水或其他因素導致地表水飽和，土層標石受膨脹土圍壓，對標石的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，相對應測段高差也會出現(xiàn)上升或下降變化。臨汾站短水準BM4-BM1測段2號標石點屬于土層點，當降水持續(xù)時間長或降水量較集中時，有可能使地表水大量滲入下覆含水層，引起地下水位大幅度的升高，含水層水體的常年運動可能使上部土層結(jié)構(gòu)遭到破壞而引起地面沉降，影響水準標石的觀測值和斷層下盤的土層水準點的變化。