樊俊屹 劉高川 王 曉 陶志剛

（中國北京 100045 中國地震臺網(wǎng)中心）

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展和城市現(xiàn)代化進程的加快，地震監(jiān)測設施逐漸被城鎮(zhèn)、開發(fā)區(qū)和廠（礦）區(qū)等所包圍，軌道交通、人類的生產、生活等干擾不斷出現(xiàn)，且影響程度日趨嚴重，導致觀測數(shù)據(jù)質量逐年下降，環(huán)境干擾問題日益突出，成為制約我國地震預測預報水平提升的關鍵因素。這些現(xiàn)狀為觀測環(huán)境保護工作提出了新的挑戰(zhàn)和更高的要求。

多數(shù)觀測環(huán)境干擾具有持久性特點，一般短時間內難以消除，只有采取臺站搬遷或抗干擾措施來應對。例如：高壓直流輸電線在調試或發(fā)生故障時，將對周邊電磁觀測數(shù)據(jù)產生干擾；觀測站附近的水廠抽水，對周邊流體、形變等測項將產生長期干擾等。已有學者對區(qū)域和臺站開展了觀測環(huán)境干擾分析，如：車用太等（2004）對地下流體動態(tài)的觀測環(huán)境干擾進行了研究；蔣延林等（2015）對高郵臺地電場受工廠漏電干擾情況進行了分析；屈曼等（2019）對河北地傾斜觀測所受觀測系統(tǒng)、觀測環(huán)境和氣象干擾進行了分析；鮑海英等（2020）就高壓直流輸電對地電場的影響進行了分析。

文中利用我國地球物理臺網(wǎng)近年來開展的跟蹤分析工作成果，統(tǒng)計全國地球物理觀測環(huán)境所受相關破壞情況，分析環(huán)境干擾的時空分布和形成原因，總結干擾類型及其典型形態(tài)特征，為今后加強觀測和抑制干擾等提供參考。

1 觀測環(huán)境干擾統(tǒng)計

我國地震地球物理站網(wǎng)由地下流體、地殼形變和電磁3 大學科臺網(wǎng)（劉春國等，2015）組成，測項超50 種，主要觀測手段包括GNSS、水位、水溫、氡、汞、地傾斜、地應變、重力、地磁、地電阻率、地電場等。目前，全國地球物理臺網(wǎng)在運行觀測站1 040 個，其中地殼形變儀器948 套（含重力、形變、GNSS 觀測手段）、電磁儀器657 套、地下流體儀器1 725 套（含輔助觀測手段），合計3 330 套。

（1）時間上變化。據(jù)2015—2019 年全國地球物理臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析事件記錄，全國地震監(jiān)測儀器受觀測環(huán)境影響的數(shù)量逐年增加，2018 年達峰值，2019 年與2018 年基本持平（圖1）。據(jù)統(tǒng)計，2019 年受環(huán)境干擾儀器有681 套，與2015 年相比（487 套），增長約40%，其中上海、河南、甘肅、寧夏、內蒙古、江蘇、四川、山西、北京、陜西、天津、云南、山東受影響儀器占比均在30%以上（圖2）。全國各省市受干擾儀器數(shù)量變化主要有以下特點：①逐年遞增，如安徽、北京、福建、海南、湖南、遼寧、青海、山東、上海；②保持穩(wěn)定，如廣西、貴州、河北、湖北、江蘇、寧夏、陜西、天津、云南、浙江；③逐年增多但2019 年干擾減輕，如甘肅、廣東、河南、黑龍江、江西、內蒙古、山西、四川、西藏；④變化不穩(wěn)定，如吉林、新疆。

圖1 地球物理臺網(wǎng)各學科儀器觀測環(huán)境影響統(tǒng)計Fig.1 Statistics of environmental interferences observed by instruments of various disciplines in the geophysical network

圖2 各省地球物理觀測儀器環(huán)境影響統(tǒng)計Fig.2 Statistics of environmental interference of geophysical observation instruments by province

（2）干擾類型統(tǒng)計。干擾類型主要有基建施工類、地下水開采（抽水）、軌道交通類和高壓直流輸電?；惛蓴_對地震監(jiān)測臺網(wǎng)所有觀測手段均有不同程度的影響，受影響地區(qū)涉及19 個省市自治區(qū)，其中新疆、甘肅所受影響最大。地下水開采主要對地下流體和形變觀測產生影響，23 個省市自治區(qū)59 個臺站受此影響，其中北京、河北、云南、寧夏、新疆等地所受影響較大。該干擾主要集中在人口密度較大、工業(yè)較發(fā)達地區(qū)，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，影響將持續(xù)增加。軌道交通（地鐵、鐵路等）的建設和運行，對地磁、地電、形變和流體等觀測手段產生影響。此類干擾分布與我國軌道交通建設發(fā)展現(xiàn)狀相匹配，經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)所受干擾較大，如京津冀、江蘇、上海等地，隨著城市的現(xiàn)代化進程，干擾日益嚴重。高壓直流輸電干擾對電磁臺站造成不同程度的干擾。據(jù)統(tǒng)計，全國在運行28 條高壓直流輸電線路中有26條線路對電磁觀測產生干擾，其中京津冀、河南、江蘇、甘肅、陜西、山西、湖北等地干擾嚴重，每年有200 多天受到影響。隨著國家電網(wǎng)的發(fā)展，西電東輸?shù)葒覒?zhàn)略的實施，高壓直流輸電線路的建設和運行規(guī)模越來越大，干擾將更加嚴重。

2 環(huán)境干擾特征

2.1 基建類干擾

城市建設、公路鐵路建設、礦藏開發(fā)、基礎設施等均屬基礎建設。臺站測區(qū)周邊工廠、商品房、城中村、學校等基建工程建設過程中發(fā)生的爆破、振動等，均會對形變、重力、地磁學科觀測產生影響。工程完成后發(fā)生的荷載變化，也將對形變、電磁、流體學科觀測造成嚴重干擾?；惛蓴_造成測項產生以下變化形態(tài)：毛刺、突跳、高頻抖動和階變及漂移等。

2019 年1 月，湖北十堰柳林溝DSQ 水管傾斜儀NS 分量和SSY 銦瓦棒伸縮儀NS 分量均出現(xiàn)大幅度快速北傾破年變變化。排查發(fā)現(xiàn)，距測點以南約150 m 處有房地產項目施工，造成測點南端荷載生較大改變。又如，2019 年四川小廟臺重力觀測受西昌城北一級公路施工影響，數(shù)據(jù)持續(xù)上升，見圖3。

圖3 形變伸縮儀、傾斜儀和重力儀受基建干擾影響(a)十堰柳林溝洞體應變NS 分量時值；(b)十堰柳林溝洞體應變EW 分量時值；(c)十堰柳林溝水管傾斜NS 分量時值；(d)小廟重力潮汐時值Fig.3 Curves of deformed telescopic tiltmeter and gravimeter observations subjected to construction disturbance

2.2 地下水開采干擾

地下水開采涉及農業(yè)、工業(yè)、生活用水。大量地下水開采容易引起臺站周邊水位的變化，從而導致地下水量減少、荷載發(fā)生變化，進而影響水位、形變觀測。受抽水影響，形變變化多表現(xiàn)為波形畸變，水位、水溫的變化形態(tài)多表現(xiàn)為上升—恢復、突跳、下降—上升。

仙游地震臺流體觀測井深150 m，套管21.6 m，水位埋深約26 m，水溫探頭置于井下120 m 處。2017 年7 月5 日起，該臺TDL-15 數(shù)字水位儀、TDT-36 數(shù)字水溫儀觀測同步出現(xiàn)振蕩、大幅上升異常，伴有突降現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場落實和實驗，判定該異常為觀測井周邊民用機井抽水所致。同時，臺站周邊出現(xiàn)新的機井，加劇了該臺觀測環(huán)境的破壞，由2019 年該臺靜水位、水溫觀測整點值數(shù)據(jù)和預處理數(shù)據(jù)曲線可見，水位觀測所受干擾明顯，見圖4。

圖4 水位與水溫異常變化曲線(a)仙游臺靜水位時值；(b)仙游臺靜水位預處理分值；(c)仙游臺中層水溫時值；(d)仙游臺中層水溫預處理分值Fig.4 Curves of water level and water temperature anomaly in the wellhead

2.3 軌道交通干擾

城市軌道直流供電運輸系統(tǒng)包括有軌電車、地下鐵道與輕軌，其中有軌電車在地面行駛，地鐵列車在地下隧洞行駛。軌道交通采用直流供電，運行時會對地漏電，造成觀測場地地下電性結構發(fā)生變化，或出現(xiàn)工頻、非工頻等無規(guī)律的流散電流源干擾，其影響距離遠且具有日周期性。電磁觀測受軌道交通干擾嚴重，觀測數(shù)據(jù)主要表現(xiàn)為噪聲變大。

無錫臺與地鐵距離約4.5 km，在地鐵運行期間，地磁相對觀測各測項數(shù)據(jù)噪聲變大，見圖5。南京臺地電觀測基地位于南京市高淳區(qū)東壩鎮(zhèn)叔村，距南京市中心約80 km，多條地鐵線路對其產生不同程度的影響，其中該場地與南京機場線距離約40 km、與寧高線（機場—高淳）距離約11 km、與寧溧線S7 距離約33 km，在以上軌道交通運行期間，地電阻率和地電場日變化噪聲增大，產生大量明顯高頻突跳，見圖6。

圖6 城市軌道交通對地電阻率和地電場的干擾(a)南京臺第一裝置地電場觀測NE 向預處理分值；(b)南京臺地電阻率觀測EW 向原始時值Fig.6 Interference of rail transit to earth resistivity and earth electric field observations

2.4 高壓直流輸電干擾

高壓直流輸電線路多采用雙極兩端中性點方式接地，在高壓直流供電系統(tǒng)進行調試或出現(xiàn)故障時，會出現(xiàn)大的不平衡電流，對線路兩側臺站的地磁和地電場觀測造成干擾，且干擾長期存在，在觀測數(shù)據(jù)變化形態(tài)上主要表現(xiàn)為臺階或尖峰。

哈密南—鄭州特高壓直流輸電線路距洛陽臺約100 km，電流波動對洛陽地電場觀測影響較大，干擾曲線形態(tài)主要為臺階與頂部波動。其中磁通門磁力儀Z、H、D分量數(shù)據(jù)曲線產生階變，地電阻率儀自然電位差NS 向、EW 向數(shù)據(jù)產生臺階（圖7）。

圖7 地磁、地電阻率和地電場受高壓直流輸電干擾(a)洛陽臺磁力儀Z 分量預處理分值；(b)洛陽臺磁力儀H 分量預處理分值；(c)洛陽臺第二裝置地電場NS 向預處理分值；(d)洛陽臺自然電位差NS 向原始時值；(e)洛陽臺第一裝置地電場NS 向預處理分值；(f)洛陽臺自然電位差EW 向原始時值Fig.7 The geomagnetic,earth resistivity,and earth electric field observations are interfered by HVDC

2.5 其他環(huán)境干擾

除上述干擾，還有灌溉、金屬管線、車輛等常見環(huán)境干擾。

（1）灌溉干擾。在觀測區(qū)域內，灌溉對電磁學科測項干擾比較嚴重。若灌溉區(qū)距測區(qū)或電極太近，灌溉時會造成地下介質改變，使電磁觀測發(fā)生趨勢性變化，若外線路有破損，導致外線路不絕緣，則容易使得數(shù)據(jù)失真而產生階躍、臺階變化。

以合陽臺地電觀測為例，分析臺站周邊農田灌溉對觀測數(shù)據(jù)的影響。由圖8 可見，每年春夏季節(jié)，合陽臺周邊農田進行灌溉時，該臺地電觀測場地地下電性結構發(fā)生變化，地電場觀測數(shù)據(jù)曲線變化形態(tài)多呈脈沖階躍狀，地電阻率數(shù)據(jù)曲線變化形態(tài)多呈下降趨勢，自然電位差變化形態(tài)多表現(xiàn)為突跳等，灌溉結束測項數(shù)據(jù)恢復正常。

圖8 合陽臺地電場儀受灌溉影響數(shù)據(jù)曲線(a)合陽臺地電阻率觀測NW 向預處理時值；(b)合陽臺第一裝置地電場觀測NS 向預處理分值；(c)合陽臺自然電位差NW 向預處理時值；(d)合陽臺第一裝置電場觀測EW 向預處理分值Fig.8 Data curve of geoelectric observation affected by irrigation

（2）車輛干擾。臺站周邊修建公路、停車場、景區(qū)等設施，車輛經(jīng)過或?？繒r對地磁、形變等數(shù)據(jù)產生影響，在數(shù)據(jù)變化形態(tài)上主要表現(xiàn)為毛刺、臺階等。

漢中地震臺（南鄭813 廠）觀測山洞西南100 m 處有一工廠，載有貨物的大貨車隊通過減速帶和過磅時引起振動，造成水管儀觀測數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象。漳州臺磁力儀受到磁房外水泥路上過往車輛干擾，觀測數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)若干小臺階。車輛干擾曲線見圖9。

圖9 水管傾斜儀、地磁儀受車輛干擾(a)漢中臺水管儀傾斜觀測NS 分量時值；(b)漢中臺水管儀傾斜觀測EW 分量時值；(c)漳州、南安、泉州臺磁力儀Z 分量時值；(d)漳州、南安、泉州臺磁力儀H 分量時值Fig.9 Water pipe inclinometer and geomagnetic meter observations are disturbed by vehicles

3 常見環(huán)境干擾應對措施

環(huán)境干擾一般長期存在，僅少部分（如施工）干擾會自動消失。為有效防止干擾發(fā)生并消除其影響，目前常采用以下措施：依托法律法規(guī)，采取環(huán)境保護措施，盡可能防止干擾發(fā)生；采用抗干擾觀測技術，最大限度地降低干擾的影響程度；采用數(shù)據(jù)處理方法，識別并排除干擾影響。

3.1 加強觀測環(huán)境保護措施

制定國家標準，配合法律法規(guī)實施觀測環(huán)境保護。中國地震局按照《防震減災法》和《地震監(jiān)測管理條例》中對地震觀測環(huán)境的定義、管理和保護要求的明確規(guī)定，制定出臺4 項行業(yè)標準，明確了電磁、地殼形變、地下流體學科對觀測環(huán)境的技術要求（DB/T 19531.1—2004），并印發(fā)了《關于加強地震監(jiān)測臺站觀測環(huán)境保護工作的通知》，要求各省市地震局將地震監(jiān)測設施的地點和保護范圍，向當?shù)貒烈?guī)劃及公安部門進行備案，并制作統(tǒng)一標志牌等，加強保護工作。

為了保障監(jiān)測數(shù)據(jù)質量，加大地震監(jiān)測設施和地震觀測環(huán)境保護力度，各級地震主管部門積極采取措施，說服地方政府調整或修改工程建設方案以規(guī)避監(jiān)測站，與建設單位協(xié)商，地震臺站或觀測場地實施搬遷、就地恢復或增建抗干擾設施等措施，盡量減小對監(jiān)測臺網(wǎng)的影響，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性、有效性。

依據(jù)《防震減災法》以及相關法規(guī)，加大地震觀測環(huán)境保護的宣傳力度，加強與地方政府的溝通與交流，修改或停止對監(jiān)測臺站影響較大的工程建設項目方案。例如：高郵市政府在江蘇高郵臺測區(qū)內規(guī)劃道路修建工程，高郵市地震局積極與國家相關部門進行溝通協(xié)調，該項目最終被停止。

3.2 加強抗干擾觀測技術研究

采用新的觀測技術手段和觀測方法，就地改造或新建抗干擾設施，恢復臺站地震監(jiān)測。例如：①流體學科測項通過改造觀測裝置，采用潛水泵變頻穩(wěn)流抽水觀測技術，實現(xiàn)出水口出水流量的恒定，恢復水化學觀測；②地電學科采取深井地電阻率觀測，以減小觀測站地表淺層雜散電流的干擾。

3.3 采用數(shù)據(jù)處理方法進行干擾識別

對于已知的典型干擾源影響，可采用專業(yè)數(shù)據(jù)處理方法予以識別，如應用時序分析和頻譜分析等方法，進行數(shù)據(jù)干擾識別與排除。近年來，基于水文地質模型和大地電場潮汐機理的巖體裂隙模型的數(shù)據(jù)處理方法，逐漸應用于分析和濾除干擾因素的影響，并取得較好效果（易立新等，2004；譚大成等，2019）。地磁學科針對高壓直流輸電干擾，研制了“高壓直流輸電對地磁觀測影響的判別處理系統(tǒng)”，制定了高壓直流輸電干擾預處理算法（鮑海英等，2020），實現(xiàn)了高壓直流輸電對地磁臺站干擾自動識別和判定，經(jīng)預處理的觀測數(shù)據(jù)可用于地震分析預測和研究。

4 結束語

隨著現(xiàn)代化經(jīng)濟的快速發(fā)展，各類環(huán)境干擾將普遍存在并不斷加劇。有必要調查影響臺站場地觀測的環(huán)境干擾信息，以便為后期數(shù)據(jù)處理和應用提供完善的輔助信息。進一步加強抗干擾技術研究，加大對抗干擾性儀器的研制和應用，提高儀器自身對新時期復雜環(huán)境的適應性，是一個長期而復雜的過程。大數(shù)據(jù)、人工智能的應用，有可能在干擾識別與排除的數(shù)學方法研究上取得突破（李正媛等，2016）。尤其是對于數(shù)據(jù)跟蹤分析工作而言，目前已積累大量干擾圖像信息并初步建立了干擾數(shù)據(jù)庫，在此背景下，未來的工作重點可以放在，利用機器學習方法，研究干擾的自動識別與排除方法，以便為今后的數(shù)據(jù)預處理提供有效方法和途徑。