0 引言

河北省永年地震台（下文简称永年台）始建于1974年，位于永年县永合会镇永合会大队村西南，距县城6 km，2005年重建洞口观测室，2006年进行“十五”数字化升级改造。台站地处太行山东麓山前丘陵地带，东邻太行山山前断裂，西依紫山—鼓山断裂，台基条件好（燕山期正长岩，基底深，岩体完整、分布面积大）。观测山洞处于岩石的风化带内，节理裂隙比较发育，但岩石强度较高，黄土致密，胶结较牢，裂隙也多与山洞轴线直交，倾角较陡，很少有水平或倾角较缓的节理。永年台形变观测山洞洞室条件优良，洞体东西、南北各进深60余米，洞顶黄土覆盖，覆盖层平均厚度约14 m。洞体岩性为燕山期火成岩，基墩用钢筋水泥浇筑而成，基墩及支撑墩周围设有隔震槽。洞室密封效果较好，装有3道船舱水密门，仪器本体使用2层5 cm厚聚乙烯泡沫板密封包装。观测山洞温度日变幅度小于0.03℃，年变幅度小于0.3℃，符合《地震台站建设规范地形变台站第1部分：洞室地倾斜和地应变台站》的要求。

永年台地震监测手段相对较少，数字化改造以来处于运行状态的仪器有水管仪、伸缩仪及气象三要素仪器。自身稳定性、数据观测连续性、同震响应良好，固体潮记录清晰，但目前未记录到较好的震例。

2016年7月21日永年台水管仪EW分量、NS分量出现快速大幅趋势变化，通过现场核实发现，受强降雨影响，台站西北方向出现雨水汇集区，导致该区域荷载发生变化。本文将运用邱泽华（2004）荷载模型，定量计算此次强降雨对水管仪观测结果产生的影响。

1 测项异常

2016年7月21日永年台水管仪EW分量出现加速西倾变化、NS分量出现加速北倾变化，截至2016年11月9日，NS向变化幅度约0.78″，EW向变化幅度约0.44″，加速西倾、北倾变化明显，见图 1。同一时段内，永年伸缩仪NS分量、EW分量亦存在明显的压性变化，异常变化幅度较水管仪小。根据相关文献统计：永年台水管仪在1983年11月7日山东菏泽5.9级地震（封弼君等，1987）、1985年11月30日邢台任县5.3级地震（张肇诚，1990）、1998年1月10日张北6.2级地震前均出现明显异常变化。马栋等（2014）曾对永年台水管仪加速北倾异常变化进行定量分析，认为降雨量偏大、采石场、挖土场、新建住宅等干扰因素导致异常发生。此次水管仪观测数据突然出现持续时间较长的大幅异常变化现象，应加以深入分析，判定异常类型。

2 异常排查 2.1 观测仪器性能判定

为尽可能准确判断此次异常出现的原因，工作人员进行现场核实，仔细检查洞室环境、观测系统及仪器工作状态，未发现异常状况。

采用维尼迪科夫调和分析方法，计算2015年以来永年水管仪NS分量、EW分量M₂波潮汐因子，计算结果见图 2，发现2016年7月永年水管仪出现转折变化以来，潮汐因子未见明显异常变化，说明观测数据较为稳定可靠，进一步证明水管仪工作正常，排除仪器因素。

2.2 环境干扰

从气象、周围环境干扰等因素进行逐项排查，各干扰源与永年台相对位置分布见图 3，气象因素主要是降雨影响，见图 4。

通过对以上各种可能的影响因素进行充分分析，发现采石场、南水北调水渠、新建钢厂均在此次异常形态出现前持续多年，且均未出现新的变化，因此排除已知干扰因素的影响。

结合气象因素，发现永年台西北方向的洺河因强降雨水位急剧大幅上涨，汇水区域集中扩大。由图 4可见：2016年7月降雨量为2013年以来最大量，7月12日降雨量达18 mm，14日降雨量达13 mm，15日降雨量约30 mm，19日降雨量达164 mm，20日降雨量达107 mm。结合图 1、图 4可知：2013—2015年6—8月降雨量增加，伸缩仪、水管仪出现同步转折变化，雨季过后有所转折或变化平稳。而2016年7月的强降雨受台站周围地势影响以及其他构筑物的阻挡，使得连续几天的强降水无法快速分流，大量雨水汇集到该台站西北方向的洺河，流向洺阳湿地，使洺河水位高涨。根据张永双等（2002）的研究结果显示，邯郸—永年地区上第三系硬粘土受干湿交替反复影响，在大气影响带内（< 5.0 m）结构连结被破坏，裂隙、劈理频度增大，而此次强降雨急促径流、入渗到地下裂隙，大量雨水汇集、渗透，使得永年台西北部荷载增加，从而使得该区域应力状态有所变化。根据刘辉等（2000）的研究结果，累积降雨量超过20 mm即对地倾斜产生较为明显的影响，且降雨对地倾斜的影响滞后时间一般在2天以上，可知2016年7月19日及前后几天的强降雨与异常开始时间2016年7月21日，时间相关性好。综合分析认为，导致此次永年水管仪观测异常的干扰因素为强降雨。为进一步验证此次强降雨能否造成如此大幅度的异常形态，运用荷载模型做定量分析。

3 异常分析 3.1 定量分析

永年2016年7月的强降雨天气对倾斜资料影响的实质主要是，降雨造成重力负荷发生变化、雨水渗入岩石引起不均匀膨胀，导致应力发生变化。邯郸—永年地区受地质条件限制，此次强降雨导致裂隙、劈理频度增大，对地表荷载及应力产生影响。为进一步验证降雨引起异常，将运用邱泽华（2004）三维集中荷载模型进行定量计算。

此次强降雨导致洺河汇水区域水位变化，使得作用区范围内荷载发生变化，进而对水管倾斜仪观测产生一定影响。作为一级近似，用三维无限半空间边界上作用集中荷载模型，研究荷载F的变化，其位移解为

$ u = \frac{{F \times x \times z}}{{4 \times {\rm{ \mathsf{ π} }} \times {\rm{G}} \times {R^3}}} - \frac{{F \times x}}{{4 \times {\rm{ \mathsf{ π} }} \times \left( {G + \lambda } \right) \times R\left( {R + z} \right)}} $

式中，u表示x（水平方向）位移，F为集中力，λ和G是拉梅常数，$ R = \sqrt {{x^2} + {y^2} + {z^2}} $。

为计算荷载对倾斜观测的影响，只需沿x方向求导，即

$ {W_x} = \frac{{3 \times F \times x \times {z^2}}}{{4 \times {\rm{ \mathsf{ π} }} \times G \times {R^5}}} - \frac{{F \times \left( {2 \times G + \lambda } \right) \times x}}{{4 \times {\rm{ \mathsf{ π} }} \times G \times \left( {G + \lambda } \right) \times {R^3}}} $

取y = 0，对于E = 5.0×10¹⁰ Pa，v = 0.25，可得

$ G = \frac{E}{{2 \times \left( {1 + v} \right)}} = 2.0 \times {10^{10}}{\rm{Pa}}\;\;\;\;\lambda {\rm{ = }}\frac{{vE}}{{\left( {1 + v} \right)\left( {1 - 2v} \right)}} = 2.0 \times {10^{10}}{\rm{Pa}} $

对于此次降雨，构建以下数学模型：受地势影响，大面积强降雨汇聚在洺河及洺阳湿地，造成洺河水位骤增，地表荷载急剧增大，对水管仪观测造成影响，相比之下，小水库存水量可以忽略。水位造成影响的区域范围见图 5。为简化计算，将该不规则区域等价于长轴为55 km、短轴为23 km的椭圆形；进一步核实，7月19日—20日降雨量达271 mm，故降雨造成的荷载变化量F=10³×π×55×23×271×10³×9.8=1.055 4×10¹³ N。此外，距离x =7 km，高差z = 90 m。由此计算得出此次降雨对倾斜观测造成的影响量W_x =-1.258 7×10^-6 rad。参考倾斜干扰的限定指标1.455×10^-8 rad，可知降雨造成的影响已超出2个量级。因此，认为此次永年台水管仪大幅W倾，小幅N倾的异常变化与2016年7月短时、大范围、强降雨形成的大量积水有较大关系。

根据地震观测降雨影响的相关文献（张学阳等，1986；孙伶俐等，2010；丁建国等，2011；郑海刚等，2014；杨学慧等，2016）可知，降雨对地倾斜观测的影响持续时间较长，受当地地质构造、岩性等影响，降雨径流、渗入、蒸发等需要一定时间，因此降雨停止后观测结果不会立即恢复正常，异常态势依旧持续一段时间，需要后续密切跟踪。

3.2 对比分析

统计永年2015年7月1日—11月9日及2016年同时段降雨量（图 6），及相同时段水管仪、伸缩仪观测数据变化（图 7，图 8），给出2种观测手段不同年份同一时段观测数据曲线的变化幅度，具体数值见表 1、表 2。

由图 6、图 7、表 1可知：2015年及2016年7月降雨量增加，伸缩仪出现较同步的SW向转折下降变化，2016年7月降雨量远大于2015年，降雨影响造成的观测曲线变化幅度较大，约为往年同时段2倍；降雨影响导致伸缩仪转折变化时间延后，较2015年晚一个月，8月曲线变化幅度较7月大幅缩小，9月变化形态基本恢复。

由图 6、图 8及表 2可知：2015年及2016年7月降雨量增加，水管仪出现较同步的NW向转折下降变化；2016年7月降雨影响造成的观测曲线变化幅度较大，约为往年的2—3倍；水管仪受降雨影响时间较长，截至2016年11月9日，异常态势仍持续。

4 结论

2016年7月永年台水管仪出现异常变化，通过现场调查及M₂波潮汐因子计算，并与该台伸缩仪观测数据曲线变化形态进行对比，验证水管仪工作状态良好，记录结果真实可靠，认为2016年7月的强降雨与此次水管仪异常变化形态的时间相关性较好。为了进一步验证该结论，对水管仪进行荷载模型定量计算，计算结果显示，此次强降雨可以造成如此大幅度的变化。截至2016年11月9日，水管仪异常变化形态仍持续，需密切关注降雨对观测结果的影响，并进一步分析降雨对倾斜类观测仪器记录数据影响的变化幅度及持续时间。