0 引言

SS–Y型伸缩仪是我国自行研制的精密测量地壳岩体两点间水平距离相对变化的仪器，可为研究地震孕育过程中水平应变的变化规律提供基础数据。然而，地震前兆观测不可避免地受到各种已知或未知干扰，统计发现，抽取地下水是定点形变观测中观测环境类典型干扰源之一，国内一些学者针对定点形变观测台站发生的抽水干扰现象进行分析，总结抽水干扰对观测数据的影响特征及规律(裴晓峰，1995；王庆良等，2002；李国斌等，2004；陈鹏等，2004；李恩建等，2006；张磊等，2015)。抽取地下水使岩石、土壤中的空隙水减少，并逐渐形成漏斗区，从而造成岩层不均匀变形，在洞体内的应变观测显示出了方向性加速与大幅度变化，这种变化随抽水时间的增加而增大，抽水停止后，随着补给水的补充，水位逐渐恢复，洞体应变观测随之缓慢恢复正常。

怀来地震台(下文简称怀来台)SSY-Ⅱ型伸缩仪自1987年投入观测以来，每年4—5月、7—9月的观测曲线均出现大幅度上升变化。在2001年“首都圈”改造项目中，怀来台将伸缩仪更换为SS-Y型伸缩仪(传感器、基线均更换)，仪器更新后每年4—5月、7—9月仍观测到大幅度上升变化，同洞室其他形变观测仪器也观测到同样变化，为了进一步证实该异常变化属地震台站典型的观测环境干扰事件，笔者对怀来台形变观测山洞周边4 km范围内抽水井分布进行调查统计，并对2016—2017年的抽水时间、抽水量、群井开始抽水数量等进行实地调查与观测，发现怀来台线应变记录的异常变化，在时间、幅度上与群井开始抽水的数量、抽水量、抽水时间等具有较好的同步性，排除该台伸缩仪观测在季节性抽水时段出现加速上升变化的异常信度。

1 形变测点观测环境

怀来台是“首都圈”重要专业监测台站之一，形变综合观测山洞位于河北省怀来县沙城北约6 km处东良村附近，地处燕山折断带，李信屯断褶处，延庆山字型前弧西翼与新华夏构造体系大海坨构造带的复合部位，延怀断陷盆地中部，黑山寺狼山断裂北端。观测山洞海拔高度650 m，洞体岩性为太古界桑干群混合岩化花岗片麻岩，覆盖层厚度40 m以上，其中黄土覆盖约20 m，洞室保温条件良好，年温差 < 0.03℃。观测山洞前面北至西方向范围内属延怀盆地分支，主要分布农田与村庄，东南北三面环山，形成怀来盆地的天然屏障，中间为“V”型盆地，惯称“怀来盆地”；观测山洞洞体附近为丘陵和低高度山丘，上部主要覆盖第四系黄土，冲沟发育，岩石裸露，植被稀少，洞体周围以农田为主，无交通主干道、矿、水库等重要干扰源，山洞周边4 km范围内主要干扰源为灌溉农田的抽水井。观测山洞及附近抽水井分布见图 1。

2 伸缩仪观测异常特征 2.1 年动态变化

怀来台伸缩仪工作稳定，观测资料连续、稳定、可靠，年变形态清晰、规律，自1987年投入观测以来，NS、NE分量每年1—3月呈压性缓慢变化趋势，4月中旬和7月上旬均出现由挤压转为拉张的应变变化，且变化速率加快，绘制部分时段观测曲线，见图 2。

由图 2可知，1993—2013年，怀来台SS–Y型伸缩仪观测曲线每年4月、7月出现较大幅度的快速阶跃型上升变化，且7月变化幅度较大，在上升变化后均逐渐恢复为年初的缓慢压性变化。

2.2 异常排查

由1993—2013年怀来台伸缩仪观测曲线形态(图 2)可知，NS、NE分量每年4月、7月上旬出现阶跃型快速张性变化，且NS分量变化幅度较大，NE分量变化较小，而EW分量出现反向小幅度变化。2001年，怀来台伸缩仪更新换代，由SSY–Ⅱ型更换为SS–Y型伸缩仪，仪器的传感器、观测基线、主机箱等均进行升级改造，但仪器升级后每年4—5月、7—9月仍记录到大幅度快速上升变化，且变化幅度大小不同，年变性异常变化一般与观测仪器无关。同时，同一观测洞室内其他形变观测仪器均记录到同样变化，进一步证实该年变事件属地震台站观测环境干扰事件。调查发现，怀来观测山洞周边4 km范围内分布18口灌溉用水井，初步判定伸缩仪观测记录的规律性异常变化由抽水干扰所致。

3 抽水干扰特征 3.1 干扰与水井抽水关系

笔者于2016年初对怀来观测山洞周边4 km范围内抽水井进行统计，并实地调查2016—2017年各井的抽水时间、抽水量及群井开始抽水数量等。调查发现，怀来台形变观测山洞周边4 km范围内，最近抽水井距山洞1.4 km，最远抽水井距山洞3.5 km(表 1)；二堡子、窑子头、义和堡3个村10口井位于观测山洞近北方位，2016年抽水总量为212 898 t，2017年抽水总量为112 180 t(图 1，表 1)；永安村8口井位于观测山洞正西方位，2016年抽水总量为49 520 t，2017年抽水总量为158 307 t(图 1，表 1)；每年4—5月为第1阶段集中抽水高峰期，7—8月为第2阶段集中抽水高峰期(若降雨量充沛，第2阶段抽水量大幅减少)，2阶段水井抽水主要用于农田灌溉。

将抽水井调查结果与伸缩仪NS、NE分量变化进行对比分析，发现伸缩仪观测资料每年2次大幅度上升变化与水井的季节性抽水在时间上具有较好的一致性与同步性(表 2，图 3)，且单口井抽水对线应变观测几乎无影响，只有达到一定数量的群井进行抽水才会对观测造成干扰。受当地降雨量影响，每年各井开启时间、连续抽水时长及抽水总量等并不一致，所以伸缩仪观测曲线受抽水干扰的上升幅度大小不等，且抽水停止后，观测数据逐渐恢复正常动态(图 3)。

3.2 其他测项对比分析

2015—2017年，同测点的水管仪、体应变、水平摆观测同样受到灌溉用水井抽水干扰，与伸缩仪线应变观测干扰对比曲线见图 4，图中2条虚线分别为第1次、第2次抽水开始时间(由于每年第1次抽水时间略有提前或滞后，图 4中虚线仅作为示意标志)。由图 4可知，上述测项受抽水干扰的响应程度不尽相同，伸缩仪、水管仪、水平摆、体应变观测的干扰幅度依次减小；涉及观测分量的变化幅度，干扰幅度由NS分量、NE分量、EW分量、体应变顺序依次减小。该对比分析结果与陈鹏等(2004)关于地下水位对定点形变观测干扰的抽水实验结果一致，即，在同一水平方向上，抽水干扰引起的地壳形变在水平方向的变化大于垂直方向的变化。由上述分析结果可知，水平方向观测的仪器(伸缩仪)干扰幅度明显大于垂直向观测的倾斜类仪器(水管、水平摆)。

4 抽水干扰机理及消除 4.1 干扰机理

抽水井与观测山洞地质结构剖面模型见图 5(a)，伸缩仪置于质量体中，当机井开始抽水时，周围岩层中的地下水从四周向井口中心汇集，围绕抽水井中心轴线形成一个漏斗区，随着抽水时间的增加，漏斗区逐渐扩大，最终导致整个岩层处于不均匀的沉降状态，从而引起水层上的覆盖层发生变形。伸缩仪是精密测量地壳岩体两点间水平距离相对变化的仪器，当固定墩[图 5(b)中A点]与测量墩[图 5(b)中的B点]间距发生变化时(距离减小表示岩体发生压缩变化，距离增加表示岩体发生拉张变化)，通过位移电磁传感器将该间距变化转换为电压信号，经前置放大器、电缆传输至主机箱数据处理采集模块处理器，该模块利用灵敏度、格值等换算，计算应变量变化并存储为“十五”规程文件，供前兆服务器采集入库。

一定区域范围内大量群井型抽水活动，造成每口井的降落漏斗相互重叠，将群井抽水看作单井抽水的叠加，形成一个围绕多个抽水井的中心轴线组成的漏斗状区域，随着抽水过程的持续和抽水量的增加，漏斗区域不断扩大，含水层失水之后以漏斗区域为中心，降落漏斗在地面的投影为圆，岩层在圆的径向方向受到挤压变形，向圆的中心方向收缩与位移；在垂直于径向的切向方向受到拉张变形与位移(图 6)。根据太沙基有效应力原理：总应力=有效应力+孔隙水压力。抽水时地下水位下降，从而使含水层孔隙水压力减小，总应力不变，则有效应力增加。此时，只能通过压缩岩土体的孔隙或裂隙来增加有效应力，在宏观上则表现为地面(覆盖层)沉降(图 5)。因此，延伸至观测山洞下的岩层向抽水漏斗区中心轴线方向收缩下沉，切线方向表现为拉张变化，抽水结束后含水层水位逐渐恢复，孔隙水压力随之恢复，岩层的弹性变形恢复原状。图 6显示，怀来台形变观测点位于抽水井东侧，即EW方向为漏斗区的径向方向，岩体受到压缩运动，NS方向为切向方向，应受到拉张运动，与伸缩仪实际观测的EW方向表现为压缩变化、NS方向表现为拉张变化的结果相吻合。

4.2 干扰消除

对前兆观测资料进行预处理，应选取最佳处理方法，否则可能丢失前兆异常信息，甚至出现假信息。伸缩仪受抽水干扰的实际观测日变化量减去同期理论日变化量，即为抽水干扰引起的日变化幅度，表示为

$ \Delta = \left({{y_{i + 1}} - {y_i}} \right) - \left({{{y'}_{i + 1}} - {{y'}_i}} \right) $

式中，(y_i+1-y_i)为伸缩仪干扰年份抽水干扰日变化量，(y_i'+1-y_i')为无异常无干扰情况下伸缩仪日变化量，Δ为抽水干扰引起的日变化幅度。当抽水干扰出现时，使用实际观测值的日变化量减去Δ，可达到初步剔除干扰的效果。怀来台伸缩仪观测资料抽水干扰处理曲线见图 7，可见较好地消除了抽水干扰信息，清晰显示出趋势性变化或短临变化特征。

由图 7可知，2002年至2007年6月怀来台伸缩仪NS向、NE向呈平稳年变化趋势，2007年7月至2015年，两分量同步出现缓慢的张性线性变化(变化速率基本呈线性关系)，2016年以来，NS向仍然保持张性变化，NE向出现转折性的压缩变化，可能预示着观测区域应力场在NE方向存在高应力能量积累，对中强地震孕育具有增强作用，值得关注。

5 结论

综上所述，初步证实怀来台伸缩仪观测曲线年周期性大幅度上升变化与附近区域群井季节性抽水有关，非地震前兆异常，可为观测数据在地震分析预报中的异常排除提供参考依据。具体认识如下：①怀来台伸缩仪观测年周期性大幅度上升变化与观测山洞附近4 km范围内群井型抽水时间一致性较好，日抽水总量、抽水时长、抽水井开启数量共同影响干扰幅度及时长；②怀来台倾斜观测仪，如DSQ型水管倾斜仪、SQ-70D水平摆倾斜仪，在水井抽水高峰期均记录到抽水干扰引起的变化，但干扰幅度较小，说明抽水干扰对定点形变观测的干扰幅度在水平方向大于垂直方向；③群井抽水形成的漏斗区中心位于观测洞室正西方位，即径向方向，抽水后在怀来台线应变观测曲线上表现为EW方向压缩变化，NS、NE方向拉张变化，且NS向变化幅度最大，EW向变化幅度最小，NE向变化幅度介于二者之间，与文中关于抽水干扰的机理解释机制基本吻合。