郭国祥，张红秀，靳宝萍，吝利民

(1.山西省地震局临汾地震监测中心站，山西 临汾 041000；
2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025 )

短水准测量作为监测地壳形变的重要观测手段，在日常观测中会受到诸多干扰因素的影响，降水便是其中之一。降水对水准观测的影响与观测场地地质条件有关，是一种离散的、不连续的干扰因素，对地形变的影响不是线性的，与初始条件有关。如，土层的膨胀和变形，降水对岩层的负荷等。受干扰严重的水准测线有两类：一是测线场地为黏土层或含黏土的风化岩，通过渗透来影响地形变；
二是测线场地为风化岩或裂隙发育的各种基岩，借助降水荷载逐渐向下传递[1]。一般情况下，当降水速率小于入渗速率时，表现为以入渗方式对观测数据的影响为主；
降水量较大且比较集中时，形成降水速率大于入渗速率，表现为以载荷影响为主，当地表水达到饱和，标石周围土体产生膨胀导致水准标石围压增大，引起水准高差曲线发生畸变[2]。王锋等研究发现目前降水主要对短水准土层标石影响较大，土层标石受膨胀土围压一定量值后才对观测值产生影响[3]。下面拟对山西省地震局临汾地震监测中心站(以下简称临汾站)2018至2021年跨断层短水准测线受降水影响导致观测数据、曲线趋势异常变化等进行统计，分析历年降水量大小对观测数据影响的主要特征，以期研究结果可用于快速识别降水干扰，为地震预测研究提供基础资料。

临汾站短水准观测场地位于临汾盆地西部席坊沟洪积扇上，主要监测龙祠断裂、马头山断裂北部的高差变化，这两个断裂均属于罗云山断裂。罗云山断裂长约27 km，断面倾角70°左右，走向NE35°，倾向SE，是东盘下降、西盘上升的正断层，断距约150 m。

水准线路布设如图1所示，测线布设为导线，属于断裂位移型，线路共有3测段、4个水准点；
BM1、BM2为普通基岩标石，埋设于断层下盘；
BM3、BM4为土层水准标石，埋设于断层上盘。过渡点(中间土层标石)均为水泥桩，其中2条测线斜交跨越断层，另一条测线与断层近似平行组合成“U”字形水准线路。线路总长0.54 km，共有16站，测线最大视距为25 m，观测条件良好。

图1 临汾站短水准线路布设图

2.1 测站高差异常特征分析

在水准观测中有各种干扰因素，以降水影响较为显著。临汾站BM4-BM1测段的2-3测站(2测站)跨越断层[4]，表1给出了2021年BM4-BM1跨断层1-4测站高差速率变化、测站高差与降水月累积量的对比结果。可以看出，雨季有强降水或降水较集中时段，对1-2测站影响较明显，变化幅度大，观测数据均会出现阶变，3-4测站高差变化较稳定。如，2021年9月16日至10月10日，降水集中且持续时间长，降水量达387 mm，测站高差及测站高差变化速率较正常时段明显。为验证高差数据受降水的影响，表2统计2013至2021年各测站的高差速率变化情况。可以看出，1-2测站高差变化明显高于3-4测站。采用Pearson相关分析方法，设定两个变量X、Y，设定X代表降水量(2013-2021)，Y代表高差(2013-2021)，计算两者的相关系数。结果显示，2013年至2021年月降水总量与高差月均值相关系数最大，为-0.867 36，相关性高，表明集中降水累计总量达到300 mm以上时，对高差影响比较明显(见第7页表3)。2018年、2019年、2021年的测站数据变化特征如第7页图2～第8页图4所示，当降水开始时，测点高差变化不明显，随着降水量的增加，孔隙水压的不断扩散下降，产生不同方向形变量(测站1呈下降变化、测站2呈上升变化)。由于降水量达到一定程度，导致各种力达到新的平衡状态，所以，雨后较长时间内测值不能恢复到雨前水平。

图2 2018年短水准BM4-BM1(1-2)测站高差与日累积降水量曲线图

图3 2019年短水准BM4-BM1(1-2)测站高差与日累积降水量曲线图

图4 2021年短水准BM4-BM1(1-2)测站高差与日累积降水量曲线图

表1 短水准BM4-BM1(1-4测站)2021年高差数据对应降水量

表2 BM4-BM1(1-4测站)高差速率变化幅度表

表3 BM4-BM1(1-2测站)高差与降水量的相关性

从降水与水准高差变化对比结果来看，降水当天对水准观测值影响不明显，原因可能是地表和标石基础从接受水分到膨胀变形需要一个过程。每一个水准场地有一个驱动雨量,当降水达到驱动雨量时,引起标石点位的变化。随着时间的推移,雨水蒸发与流失,影响又开始减弱[5]。多年观测结果表明，临汾站受降水影响较大的是BM4土层基准点和2号过渡点标石。

2.2 降水量与测段异常对比分析

临汾站2018年至2021年水准观测值受降水影响在变化特征上具有相似性，每年水准测值突变均在雨季(4-10月)，变化持续时间较长。从去除趋势变化后的数据来看，每年1-3月、11-12月降水相对较少，观测数据较稳定。在每年4-10月的雨季，当降水强度大，延续多日或累积降水量达300 mm以上，短水准观测数据受降水量影响，曲线呈明显的压性形态，影响测段的观测精度(见第8页图5)。

图5 短水准BM4-BM1测段观测值与降水量对比图

为进一步分析降水对水准观测高差的影响。笔者在去掉水准测线趋势变化的基础上又去除降水量影响，采用以下步骤，将水准观测数据与降雨量统一采用5日值格式；
对水准观测数据原点归零，使用3阶一般多项式拟合水准趋势，去趋势；
将水准观测数据与降雨量数据运用最小二乘法进行拟合，计算相关系数与比例系数，对比消除降雨影响后的水准观测数据。结果如第8页图6所示，表明去除降水影响前后的形态基本一致，只是去除降水影响后的变化幅度有所减小。

图6 短水准BM4-BM1测段数据与去除降水量影响数据对比图

降水、地下水动态变化是一种作用于地壳(特别是浅层地壳)的附加外动力荷载[5]。根据相关研究成果及短水准观测场地标石点特性，对临汾站短水准受降水干扰的影响原因进行探讨。

降水强度较大时段，短水准BM4-BM1测段2号标石点观测数据有一定程度的下降变化，主要原因是雨季降水使土体处于湿润状态，降水强度较大时，地表水大量渗透到土层，当土体含水量发生明显变化，土体中的水分受重力影响而向下移动形成垂直载荷，使土体产生垂直和水平方向的体积膨胀，影响水准标石的变化，导致观测曲线出现畸变现象。降水强度越大，影响土体性质变化的程度越深[6]。

当降水持续时间长或降水量较集中时，有可能使地表水大量渗入下覆含水层，引起地下水位大幅度的升高，含水层水体的常年运动可能使上部土层结构遭到破坏而引起地面沉降[7]。如，2021年9月1日至10月10日持续降水，累计降水量达503 mm，导致短水准测区内深井地电观测水井的水位持续上升2.82 m(见图7)。井水位的快速上升可能导致上部土层结构遭到破坏而引起地面沉降，影响水准标石的观测值和断层下盘的土层水准点的变化。

图7 井水位与降水量日均值对比图

通过对影响临汾站水准观测的降雨因素的分析，得出如下结论：

(1) 水准测量的众多干扰因素中，降水干扰较为明显。观测数据曲线的变化形态和幅度主要与降水持续时间和降水量的大小有关。临汾站降水与水准观测资料的对比结果显示，雨季水准测值与降水量具有一定的相关性，相关系数在0.6～0.9之间；
当降水量大于300 mm时，对各测段水准观测数据会产生明显影响，变化形态以大幅度上升或下降为主。

(2) 水准标石所处土体的覆盖层厚度越深，当降水或其他因素导致地表水饱和，土层标石受膨胀土围压，对标石的稳定性产生影响，相对应测段高差也会出现上升或下降变化。临汾站短水准BM4-BM1测段2号标石点属于土层点，当降水持续时间长或降水量较集中时，有可能使地表水大量渗入下覆含水层，引起地下水位大幅度的升高，含水层水体的常年运动可能使上部土层结构遭到破坏而引起地面沉降，影响水准标石的观测值和断层下盘的土层水准点的变化。

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