随着我国大中型水电工程建设的兴起，地壳形变监测在水库地震监测中得到普遍应用，特别是三峡工程树立了我国水库地震地壳形变监测的典范。溪洛渡和向家坝两个大型水电站同样将地壳形变监测作为水库地震监测的主要方法^[1-3]。在大型水电站建设及运行过程中通常都要在库区周围布设地壳形变监测网络，用以监测库区蓄水前后的地壳形变特征，并为水库诱发地震的预测预报与研究提供背景资料和动态变化信息^[4]。本文对白鹤滩和乌东德库区2018~2019年两期最新地壳形变监测资料进行分析，以获取两个库区在监视期的形变特征。

1 资料背景

白鹤滩和乌东德库区均在大坝上(下)游区域布设一个水准-重力综合监测网，在库首区(大坝上游50 km范围)布设两处谷宽监测场地，在库区周边主要断裂上布设3处跨断层监测场地(图 1)，其中水准-重力综合监测网为水准与重力共点建设、共点观测。另外，为减小重力起算点对整体资料分析结果的影响，在库区上游延伸出一条重力支线，并以延伸支线的端点(BG02和WG02)为重力相对远场起算基准。白鹤滩库区的两处谷宽网位于葫芦口和老鹰岩，3处跨断层场地为头道沟、汤家坪和巧家(图 1(a))。乌东德库区的两处谷宽网位于河门口和猪拱地，3处跨断层场地为洛佐、红格和己衣(见图 1(b), 由于距离相对较远，红格和己衣未在图 1(b)中标注)。

2 数据处理方法 2.1 精密水准数据

白鹤滩和乌东德库区精密水准数据处理时采用相对高程基准。两个库区分别选定稳定性较好、周边无干扰源影响且易于长期保存的水准点BZ00和W301为变形分析基准点(该两个点已与库区已知点联测，确认稳定)，并假定其高程为0 m。两个点均位于整个水准网监视区水流最下游，远离大坝和库区。

数据处理时，首先对野外测得的两期水准高差数据进行标尺长度改正、正常水准面不平行改正以及重力异常改正等，然后对改正后的高差数据进行水准网平差，平差方法采用间接平差法^[5]，以结点间路线高差为元素，按测段距离倒数定权，得到每一测段平差后的高差以及每个水准点平差后的相对高程。用两期相对高程的变化量进行形变特征分析。

2.2 流动重力数据

野外获得的重力监测资料首先进行格值转换、固体潮改正、仪器高改正、气压改正、漂移改正等，然后进行平差计算。平差采用中国地震局重力技术管理部提供的重力平差程序LGADJ及经典平差方法。白鹤滩和乌东德库区重力平差分别以BG02和WG02为起算点，进而获得各重力测点的相对重力点值、重力观测点值精度及整个监测网的综合精度。

2.3 谷宽数据

库盆谷宽测量在野外获得经气象改正后的各观测墩中心标志间的斜距，经内业加乘常数改正得到改正后的斜距。谷宽数据分析时采用投影面相对坐标分析法，即各点投影到同一个水平面上，计算各点的相对坐标，分析不同期的坐标变化。首先进行边长投影，投影面选择4个点的平均高程面(当点间高差较大时)或起算点的高程面(当点间高差较小时)。测距边长归算到投影面上长度的计算公式^[6]为：

$ S = \sqrt {{D^2} - h_{12}^2} \cdot \left( {1 - \frac{{{H_m}}}{R}} \right) $

(1)

式中，D为实测斜距，h₁₂为测线两端点间的高差，H_m为测线两端点相对于测区投影面的平均高程，R为地球平均曲率半径(可取6 371 km)。

经过上述计算得到投影面上各边的边长后，进行测边网平差计算，获得各监测点的平面相对坐标。利用不同期监测成果的坐标变化，可进行各测点平面位移矢量分析。

测边网平差采用间接平差法，边长观测值按下式定权：

$ P = \frac{1}{{{a^2} + {{(b \times {S_i})}^2}}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} \;,\;\;\;i = 1,2, \cdots ,n $

(2)

式中，a为所用仪器测距加常数误差，b为比例误差，S_i为观测边长。

2.4 跨断层数据

跨断层水准数据处理时需要对野外测得的水准高差数据进行标尺长度改正和环线闭合差改正。跨断层基线数据处理与谷宽数据处理方法类似，同样采用投影面相对坐标分析法，不同的是头道沟、汤家坪、洛佐和红格场地均为支导线，无需进行测边网平差，需按支导线方法推算坐标。

3 白鹤滩和乌东德库区蓄水前形变特征 3.1 垂直形变

目前，精密水准资料仍然是分析区域垂直形变特征的主要观测资料，应用广泛^[7-8]。本文应用白鹤滩和乌东德库区精密水准观测资料分析其垂直形变特征。

白鹤滩库区两期水准网平差后每km水准测量中误差分别为±0.69 mm和±0.44 mm，乌东德库区两期水准网平差后每km水准测量中误差分别为±0.57 mm和±0.68 mm。两个库区蓄水前两期监测垂直形变如图 2所示。

由图 2(a)可见，白鹤滩库区在水库蓄水前两期观测之间地表垂直形变场除个别点有少量相对上升外，总体表现为相对下沉。主要沉降发生在大坝上游监视区左岸中部BZ09~BZ14(共9个点，路线长16 km)之间，最大沉降点BZ13的沉降量达13.78 mm，另外8个点沉降量约在8~10 mm。整个水准网其余各点高程变化量均小于5 mm。分析认为，左岸中部出现16 km沉降区，可能与该地区处在高山边坡、局部岩层稳定性较差、相对下沉较大有关^[9-10]。

由图 2(b)可见，乌东德库区在水库蓄水前两期观测之间地表垂直形变场除W101点相对下降4.93 mm外，其余各点均显示相对上升。W101点下降较大是由该点周围施工、遭巨石碾压导致。可以发现，主要上升区位于水库上游右岸远离库区的2号支线所在地区，该支线的10个水准点平均上升11.25 mm。整个水准网其余各点高程变化量均小于5 mm。分析认为，除了高程传递误差积累的影响外，还可能与右岸2号支线(平差结果中2号支线所有点的高程中误差均超过2 mm，在整个水准网中最大)地区位于高海拔山区，并且与库区环线之间高差近1 000 m，存在一定相对隆升有关^[11]。库区环线相对稳定，变化量值不大，比较均衡。

3.2 重力场变化

白鹤滩库区两期重力网平差后单位权中误差分别为±10.0 μGal和±9.9 μGal。平差中计算了39个重力点的相对重力值中误差，两期最大值分别为±12.9 μGal和±13.0 μGal，均为距BG02点110 km的BZ00点。

乌东德库区两期重力网平差后单位权中误差均为±10.0 μGal。平差中计算了30个重力点的相对重力值中误差，两期最大值分别为±14.8 μGal和±16.6 μGal，均为距BG02点75 km的W101点。

表 1和表 2分别对白鹤滩和乌东德库区蓄水前两期重力值变化信息进行了统计。白鹤滩和乌东德库区蓄水前两期监测重力场变化情况如图 3所示。

由表 1和图 3(a)可知，白鹤滩库区在水库蓄水前两期观测之间监视区重力场无显著性变化，总体比较稳定。39个重力点中34个重力值变化在±25 μGal之内，基本在观测误差范围内。由图 3(a)可见，大坝附近及下游地区出现小范围重力上升区，其中BW02重力值增大65.6 μGal，与测点附近施工、堆放大量物资有关；位于大坝下游的BZ00、BZ0B和BZ01三个点重力值同时增大，可能与下游水位上升有关。

由表 2和图 3(b)可知，乌东德库区在水库蓄水前两期观测之间监视区重力场同样比较稳定。整个测区除WZ03重力值下降外，其余各点重力值都显示相对上升，但变化量都不大。其中WZ03重力值下降是由该点周围施工挖走大量土方导致。

3.3 谷宽水平形变

白鹤滩和乌东德库区4处谷宽场地均布设为大地四边形，并采用独立坐标系。老鹰岩选取4个点的平均高程面作为投影面，其余3个场地均选取起算点所在水平面作为投影面。

谷宽水平形变分析前，需要对投影后的边长进行测边网平差，两期平差结果如表 3(单位mm)所示，两个库区谷宽网各点坐标的相对变化情况如图 4所示。

由图 4可见，白鹤滩库区老鹰岩谷宽和葫芦口谷宽在水库蓄水前两期观测之间均处于相对稳定状态，无显著性异常变化。老鹰岩谷宽除BK1C点X坐标增大3.53 mm外，其他点坐标变化均小于0.8 mm。葫芦口谷宽除BK2B点和BK2C点X坐标增大1.52 mm和1.48 mm外，其他点坐标变化均小于0.8 mm。两个谷宽网两岸库盆监测点均显示相对收缩，谷宽变窄，变化量在1~2 mm。

乌东德库区河门口谷宽和猪拱地谷宽在水库蓄水前两期观测之间同样处于相对稳定状态。河门口谷宽除WK1D点X坐标增大3.36 mm外，其他点坐标变化均小于1.6 mm。猪拱地谷宽各点坐标变化量均小于1.8 mm。两个谷宽网两岸库盆监测点同样显示相对收缩，谷宽变窄，变化量同样在1~2 mm。

两个库区4个谷宽网显示的相对收缩特征与向家坝库区谷宽的形变特征一致^[2]。

3.4 跨断层三维形变分析

白鹤滩库区的巧家场地以及乌东德库区的己衣场地布设为大地四边形，其余4个场地均布设为支导线。6个跨断层场地均采用独立坐标系，均选取起算点所在水平面为投影面。

白鹤滩和乌东德库区6个跨断层场地各点三维(垂直位移和水平坐标)变化情况如图 5所示。由图可见，白鹤滩库区头道沟场地在水库蓄水前两期观测之间各测点垂直位移和水平位移变化均很小，垂直位移基本都在1 mm以内，水平位移最大变化量为0.84 mm。汤家坪场地除TJP2点下沉5.42 mm外，其余各点垂直位移变化均在0.6 mm之内；水平位移除TJP2点变化3.04 mm外，其余各点位移变化均小于1 mm。巧家场地各测点垂直位移变化均小于0.7 mm，水平位移最大变化量为0.48 mm。结果显示，白鹤滩库区3处跨断层场地均比较稳定，监视期间断层无显著垂直活动和水平活动迹象，这与该3处场地所监视断层目前的活动性相吻合^[12-13]。其中TJP2点垂直位移和水平位移变化均较大，表现出单点不稳定状态，可以推断该变化是由点位本身引起，与断层活动无关。

乌东德库区洛佐场地在水库蓄水前两期观测之间LZ5、LZ6和LZ7三个点相对垂直位移变化较大，而LZ1~LZ4四个点相对稳定，并且各点高程变化具有明显的累积，这种积累现象与各段两期高差之差的正负号一致，并且与在支导线推算各点高程时会产生误差传递有关；水平位移变化较大的点同样为LZ5、LZ6和LZ7，其中LZ6点位移变化最大，其量值为3.28 mm。红格场地各测点垂直位移变化均小于1.0 mm，水平位移最大变化量为1.19 mm。己衣场地各测点垂直位移变化均小于0.4 mm，水平位移最大变化量为1.31 mm。综合分析来看，洛佐场地LZ5、LZ6和LZ7三个点垂直位移和水平位移变化均较大，除存在一定的误差传递影响外，基本可以说明，在两期观测之间该监视区断层两侧存在一定的差异性垂向运动并伴随水平向挤压运动，但量值不大，活动性较弱。该结果与文献[14]的结论相吻合。红格场地和己衣场地测点稳定，监视期间断层无显著垂直活动和水平活动迹象。

4 结语

本文应用白鹤滩和乌东德库区2018~2019年两期最新地壳形变监测资料对两个库区在监视期的形变特征进行分析，结果表明：

1) 白鹤滩库区大坝上游左岸中部存在16 km范围的沉降区，可能与该地区处在高山边坡、局部岩层稳定性较差、相对下沉较大有关；乌东德库区水库上游右岸2号支线所在地区隆升较大，可能与该地区位于高海拔山区，并且与库区环线之间高差近1 000 m，存在一定相对隆升有关。两个库区其他地区均相对稳定，垂直形变量均小于5 mm。

2) 两个库区重力场变化基本平稳，无显著性异常变化，个别测点重力值变化较大是周围环境改变导致。

3) 两个库区4个谷宽网各监测点的相对坐标变化均不大，普遍在观测误差范围内，但4个谷宽网均显示相对收缩，量值在1~2 mm。

4) 白鹤滩库区3处跨断层场地以及乌东德库区的红格和己衣场地均比较稳定，监视期间断层无显著垂直活动和水平活动迹象。乌东德库区洛佐场地在两期观测之间监视区断层两侧存在一定的差异性垂向运动并伴随水平向挤压运动，但量值不大，活动性较弱，与该处断裂的运动特征一致。

水库地震监测资料的综合分析是研究水库诱发地震诱震机理、诱震因素的重要途径^[15-16]。本文获取了白鹤滩和乌东德库区蓄水前两期监测之间的形变特征，可为水库蓄水后形变以及水库诱发地震的研究提供背景参考。