水管仪与垂直摆具有较高的观测精度和稳定性，震前变化可能反映地球固体潮汐、地壳岩性参数变化的信息，并帮助我们认清应力变化以及相关地壳变形之间的关系^[1-5], 但观测资料易受气象因素干扰，影响机理复杂，对其判别与识别困难。本文选取2009~2015年常熟台的观测资料，对干扰特征进行分析和总结，寻找规律，分析成因，对前兆异常识别、提高异常可信度具有重要的意义。

1 观测概况

常熟台形变山洞位于山体南麓，山体为北西走向，为长轴约5 km、短轴2.5 km的单斜山。岩性为泥盆系五通组石英砂岩，最高峰海拔265 m，山体西南陡峻，东北面缓坡，岩层倾角小于15°。山体周围2 km范围内无大型工矿企业。观测山洞背靠无锡-崇明断裂，距该断裂最近点仅15 km。山洞所处的山体西南4 km处，有一湖泊与山体大体平行，湖面约6 km²，水深维持在2.5 m左右, 见图 1。山洞主通道进深250 m，洞高2.35 m，宽2.50 m，混凝土全被覆，覆盖厚度20~30 m，日温差＜0.01 ℃，年温差＜0.3 ℃，常年温度在17.3 ℃，湿度100%^[6]。

常熟台DSQ水管仪于2007年架设在原FSQ水管仪(1994-10安装, 2007-04拆除)基墩和基线上。垂直摆倾斜仪也于2007年架设。水管仪基墩为花岗岩石，东西基线长29.94 m，方位角为139.5°，南北基线长43.59 m，方位角为32.4°，分辨率为0.000 5″, 日漂移＜0.005″，采样率为1次/min。垂直摆倾斜仪基墩为花岗岩石，东西方位角为90°，南北方位角为0°，分辨率为0.000 1″，日漂移＜0.005″，采样率为1次/min。水管仪和垂直摆倾斜仪分别安装在距洞口约210 m、190 m的支洞内，直线距离不到10 m。自安装至今，日观测值记录固体潮清晰，具有较好的年周期变化，观测精度达到全国倾斜Ⅰ类台站标准。

2 气象因素干扰特征及分析 2.1 气压干扰特征及分析

大气压的剧烈变化通过对地表的作用引起地面倾斜。大气压变化分周期性和非周期性，周期性变化主要是季节性变化，非周期性变化主要是与寒流、台风等恶劣天气有关的急剧变化。低气压场控制下的气压波动通常都伴随着降雨发生，图 2(a)中2009-02-24 13：00开始降雨，气压出现大幅波动，水管仪与垂直摆观测数据日变形态上的响应表现为曲线出现与气压波动同步的震颤和跳跃变化。高气压场控制下无降水时气压波动对观测数据的影响，在日变曲线上反映为日潮汐变化曲线上的小幅抖动形态。图 2(b)中2015-12-22 14：00~23：00随着气压的波动，水管仪与垂直摆观测数据同步出现小幅抖动的响应形态。大气寒流引起气压变化产生的影响也是如此。图 2(c)中2013-12-25全天受寒潮影响气压波动，观测数据产生同样的响应形态。可见，气压变化对常熟台倾斜仪的影响主要是以短周期干扰导致日值曲线出现短时间畸变为主。

2.2 降雨干扰特征及分析

降雨在倾斜观测中是一种很典型且普遍的干扰因素, 尤其强降雨引起的地表倾斜十分明显，主要表现为持续的加速畸变，日值记录曲线畸变值达到几倍于正常日变幅。

选取以下几次具有典型降雨干扰特征的时间段进行分析：2011-06-17~18，2012-03-22~23，2013-02-18~19，2014-08-14，2015-04-05~6，2015-06-16~17，分析结果见表 1和图 3、4。

表 1统计了倾斜仪在典型降雨干扰特征时间段内引起的仪器倾斜畸变幅度。从图 3、4可以看出，倾斜仪受降雨影响有2种类型，一种是缓慢变化型，如图 3(b)、3(c)、4(e)，这种情况一般降雨过程相对分散，雨水渗入充分，地表变形缓慢，测值畸变幅度较小，而畸变幅度随着雨量增加，但同比增加量较小。另一种是快速变化型，如图 3(a)、4(d)、4(f)，这种情况一般是在初始降雨量非常大的情况下突然发生。由于地表负荷增大变形加速，引发观测值在短时间内较大幅度的畸变，同时随着短时间雨量的增大，其畸变幅度会出现同比增大现象，如2015-06-17降雨117 mm和2015-06-18降雨109 mm的情况下，影响幅度随雨量同比大幅增加。大雨或暴雨在降雨量基本相等的情况下，不同的降雨过程产生的影响量也是不同的，如2011-06-17数小时内降雨34 mm，观测值出现畸变，而在第二天降雨量再次数小时内急剧增加72 mm的情况下，观测值继续同步大幅畸变，其变化量远比2014-08-14数小时降雨94 mm的幅度大。

从图 3、4和表 1可以看出：1)垂直摆南北分量对降雨的响应最为灵敏，水管仪南北分量与垂直摆东西分量次之，而水管仪东西分量从降雨发生时的日变形态上看影响较为滞后，影响不明显；2)从量级特征上看, 受降雨干扰的分量主要为南北分量，东西分量所受干扰程度比南北分量要小；3)垂直摆受降雨的干扰程度比水管仪要大。垂直摆对降雨尤其是暴雨的畸变幅度比水管仪大，说明长基线水管仪比短基线垂直摆对降雨等非构造运动干扰较不敏感，干扰影响量较小。畸变幅度在同一降雨过程中也存在差异，从图 3(b)和表 1中可以看出，降雨量较小时，垂直摆与水管仪的南北分量对降雨出现明显畸变幅度，而东西分量均未有明显变化。这表明降雨对观测日变曲线的影响只有当降雨量达到一定的量值时才会出现，即降雨对观测值影响的驱动量在20 mm以上时，倾斜观测日值会出现比较明显且同步的短周期干扰畸变，并且随降雨量增大而增加。

降雨时常熟台倾斜仪均表现为南北分量南倾，东西分量西倾，即向西南方向倾斜。通过分析，常熟台降雨干扰引起向特定方向倾斜同地质地貌存在联系。

1) 仪器洞室所处山体为北西走向，山体岩性为石英砂岩，表面孔隙较多，渗水性较强，雨水入渗速度较快，降雨时一部分雨水经地表流走，另一部分则顺岩石的裂缝或土层渗透到地层造成岩石内部膨胀，使地表局部产生不规则形变。而洞室周围西南侧山体高，东北侧低，降雨时西南侧的含水量高于东北侧，致使西南方向张力增大，使地面向西南倾斜。

2) 山洞所处山体西南4 km处的湖泊降雨时水位变化干扰。强降雨后，雨水向湖中聚集，在山洞的西南面由于蓄水过程引起的重力作用造成湖底下沉，产生的下沉是地壳形变中的负荷效应，在倾斜仪上同步观测到来自西南方向的地表倾斜。这种倾斜会引起地表弯曲，从而同步出现来自西南方向的张性变化，特别在大暴雨骤然发生且持续时间长的情况下，其形变会更加明显。另外经过多年的观测发现，只有当连续降雨量超过驱动量时，常熟台倾斜观测才会出现比较同步的短周期干扰畸变。水管仪东西分量受降雨影响小，这可能与东西分量布设走向与山体长轴线走向基本一致, 而降雨影响主要作用于山体短轴线两端有关。

综上所述，降雨对常熟台同一洞室内不同类型倾斜仪的影响是一致的，即降雨对地表的渗透加上湖泊水位变化共同作用下，产生南北分量南倾、东西分量西倾的干扰特性。降雨对洞室倾斜观测的影响和降雨持续时间、降雨量等存在一定的相关性，但不是简单的线性关系，降雨形式的多样性决定了倾斜仪降雨响应的复杂性。

2.3 洞温变化影响特征及分析

洞温对倾斜观测影响包括周期变化和趋势变化(趋势变化包括仪器零漂)。在密封条件下，倾斜观测的周期性年变与洞外的气温变化并没有直接联系，洞外的气温变化仅是影响洞温变化的一个主要因素，常熟台倾斜变化的周期性由洞温的年变化产生。岩石受温度影响发生膨胀与收缩，使仪器台基发生倾斜变化，致使倾斜仪记录具有年周期变化的特征，因此倾斜变化的年周期主要是局部地壳的一种周期性热形变；而洞温变化引起的趋势性变化，如图 5中水管仪及消除仪器零漂后的垂直摆倾斜仪洞温、年降雨量曲线所示，本地区2012年末至2013年初，气候异常致使冬季雨量大幅增加，2014年初和2015年初依然持续了冬季多雨这一特性，2012~2015年气候异常致使本地区年雨量持续增大。2015年的降雨量是2010年的2倍多，雨水持续的渗透必然引起地温异常，受此影响，洞温自2012-09至今呈趋势性缓慢下降过程。从表 2看出，2013年洞温最高值仅与2012年最低值相当，且在逐年下降中。受此影响，水管仪和垂直摆年趋势性变化也同步出现了转折现象，明显表现为东西分量原有的缓慢东倾趋势转折为西倾趋势，北南分量也出现了转折现象，说明常熟台倾斜年变化的趋势变化与洞温的趋势变化有密切关系。以上表明，洞温变化影响对低频成分的年变化影响比较显著，对高频成分即日值变化影响微弱不明显。

从图 6可看出洞温差即洞温幅变化对观测值年变幅的影响。常熟台倾斜仪年变幅大小与年洞温年变幅呈同步增大与减小趋势，水管仪与垂直摆的南北分量同步性尤佳。垂直摆东西向年变幅除同步受洞温年变幅影响外，还叠加了基墩漂移影响。随着观测基墩逐年稳定，这种影响呈逐年减小的趋势。2014年水管仪东西分量受水管仪西端更换传感器影响，造成年变幅不同步变化。除此之外，其他年份与洞温年变幅均有较好的一致性，这说明倾斜仪年变幅值变化与洞温年幅变化同步且受其控制。

3 结语

通过对常熟台水管仪与垂直摆倾斜仪日变观测中的气压、气温、降雨、洞温等典型干扰因素分析发现，倾斜仪受气压影响主要以短周期固体潮畸变为主；受气温及洞温变化影响主要以明显的年变规律和年变幅变化异常为主, 对日观测值影响不明显；受降雨影响主要以短时倾斜扰动和趋势性转折变化为主。除降雨、气压、气温等影响外，其他干扰因素对倾斜观测资料影响较小。

降雨及气压变化对倾斜观测的影响是共同作用的，降雨过程总是伴随着气压的波动，与单纯的气压干扰相比，降雨干扰尤其是大雨、暴雨更容易影响倾斜变化。降雨可引起加速变形，这类干扰与地震的关系不大，在作异常分析时，选择持续时间较长的一些倾斜突变即可排除其影响。