2019, Vol. 40
自然环境的变化对定点形变观测数据有重要的影响，大风、降雨、气压、温度、地下水位等都会引起形变观测数据的变化，其中，降雨的影响更显著，在短时间内会造成观测数据大幅上升或下降。因此，为了排除降雨的影响，更准确地分析可能存在的地震地球物理异常变化，定量地分析降雨对形变观测数据的影响则十分必要。
前人对形变观测降雨影响开展了诸多研究，其中包括降雨产生影响的机理（孙伶俐等，2010；赵爱平等，2015）、不同形变仪器对降雨的不同响应特征等（杨绍富等，2015），以及使用各种方法计算降雨的响应（杨婕等，2009；汪翠枝等，2010；刘水莲等，2015）、分析降雨效率（郑江蓉等，2011）和如何采取措施以减少气象因素对观测数据的影响（樊冬等，2014）。以上研究的区域主要集中在我国东部和南部等降雨丰富的地区，而对于中西部地区降雨的定量分析则较少。本文研究了呼和浩特地震台（下文简称呼和浩特台）水管倾斜仪、伸缩仪和垂直摆倾斜仪等对降雨的响应，并对其进行了相关分析。
1 台站背景影响定点形变观测的重要因素之一就是台址。基岩的性质、山洞条件与周围自然环境的不同使得每个台站都有其独特的性质，因此不同台站的形变观测数据间存在较大差异。内蒙古地区整体降雨较少，出现由降雨引起的形变观测数据趋势性变化的现象亦较少。鄂尔多斯块体北缘几个台站中乌海台、乌加河台降雨较少；西山咀台数据质量较差；包头台数据质量最好，但降雨很少引起观测曲线发生变化，故采用呼和浩特台形变数据进行降雨相关分析。
呼和浩特基准地震台位于呼和浩特市西北郊的攸攸板镇东乌素图村，隶属于内蒙古自治区地震局，是国家24个基准地震台之一，海拔高度1 154 m，台基岩性为燕山期流纹岩。呼和浩特地处呼包断陷盆地的土默特平原，北靠大青山，为具有发生中强地震构造条件的地区，附近仍明显活动的断裂为大青山断裂，该断裂是呼包断陷盆地的北边界。呼和浩特属典型的蒙古高原大陆性气候，四季气候变化明显，年温差大，日温差也大。春季干燥多风，冷暖变化剧烈；夏季短暂、炎热、少雨；秋季降温迅速，常有霜冻；冬季漫长、严寒、少雪。呼和浩特台形变山洞覆盖较薄，整体符合观测要求（图 1），具体参数见表 1。
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图 1 呼和浩特台形变仪器位置及环境干扰 Fig.1 Hohhot station deformation instrument position and surrounding interference |
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表 1 呼和浩特台洞室参数 Table 1 Parameters of Hohhot deformation station |
选取2016—2018年呼和浩特台伸缩仪、水管倾斜仪和垂直摆倾斜仪的形变观测数据进行质量分析（表 2）。垂直摆自2016年安装试运行，2017年正式运行，格值符合标定标准；水管仪与伸缩仪运行时间长，格值相对稳定。
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表 2 呼和浩特台形变观测数据格值 Table 2 Lattice value of Hohhot deformation instruments |
M2波γ值中误差是评定观测资料精度的主要标准，也可反映观测系统受干扰情况、自身运行情况及台址条件，可利用该值对各台资料的稳定性和可靠性进行评价（王梅等，2003）。本文分析了呼和浩特台3套形变仪器2017年的M2波γ值中误差（表 3），其中，伸缩仪使用相对中误差。由表 3可见，形变仪器整体上相对稳定，数据可用，其中，水管倾斜仪NS向、EW向与垂直摆倾斜仪NS向观测精度最高，垂直摆倾斜仪EW向与伸缩仪NS向相对较差，伸缩仪EW向最差；另，伸缩仪EW向固体潮不明显，无年变变化，精度确实较差。
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表 3 呼和浩特台形变仪器M2波γ值中误差 Table 3 Mean square errors of value γ of M2 wave of Hohhot deformation instruments |
统计呼和浩特2016年以来降雨情况发现，当降雨量较小时，观测曲线仅出现毛刺、波动和突跳等现象，趋势不会发生改变，如图 2所示的2018年7月7日降雨10 mm时，呼和浩特台垂直摆倾斜仪、水管倾斜仪观测数据均未出现趋势性的变化，仅伸缩仪有微小幅度的变化（图 2）。统计中还发现，2017年9月3日降雨量小于12 mm的情况，也未能引起呼和浩特台形变仪器观测数据发生趋势性变化，因此初步判定能引起形变观测数据发生趋势性变化的降雨量应大于12 mm。
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图 2 2018年7月6—8日呼和浩特台形变观测曲线矩形框为降雨时段
（a）水管倾斜观测NS向；（b）水管倾斜观测EW向；（c）洞体应变观测NS向；（d）洞体应变观测EW向； （e）垂直摆倾斜观测NS向；（f）垂直摆倾斜观测EW向矩形框为降雨时段 Fig.2 Observation curves caused by rainfall of Hohhot deformation instruments on July 7, 2018 |
降雨通常与气压同时变化，有时表现为降雨、气压与温度三者同时变化，从而对形变观测曲线产生影响。但气压与温度变化不全使观测曲线出现大幅度趋势性变化，下文分析数据时仅使用降雨量和形变观测数据作一元回归分析。
4 趋势性变化分析2016年以来5次降雨量超过15 mm的典型降雨事件对形变观测的影响。
（1）2016年7月10—17日累积降雨量达到176.8 mm。呼和浩特台水管倾斜仪受降雨的影响，其记录曲线呈明显下降形态，NS向变化幅度为221.00×10-3″，EW向变化幅度为164.15×10-3″。伸缩仪NS向记录曲线呈明显上升形态，变化幅度为2962.27×10-8；EW向记录曲线呈明显下降形态，变化幅度为2088.58×10-8。垂直摆倾斜仪NS向记录曲线呈明显上升形态，上升幅度为224.76×10-3″；EW向记录曲线呈明显下降形态，变化幅度为226.29×10-3″（图 3）。
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图 3 2016年7月10—17日呼和浩特台形变观测曲线
（a）水管倾斜观测NS向；（b）水管倾斜观测EW向；（c）洞体应变观测NS向；（d）洞体应变观测EW向； （e）垂直摆倾斜观测NS向；（f）垂直摆倾斜观测EW向矩形框为降雨时段 Fig.3 Observation curves caused by rainfall of Hohhot deformation instruments from July 10 to 17, 2016 |
（2）2016年8月17—18日累积降雨量达到104.5 mm，受强降雨的影响，呼和浩特台水管倾斜仪记录曲线呈明显下降形态，NS向变化幅度为98.88×10-3″，EW向变化幅度为113.13×10-3″。伸缩仪NS向记录曲线呈明显上升形态，变化幅度为2470.29×10-8；EW向记录曲线呈明显下降形态，变化幅度为288.56×10-8。垂直摆倾斜仪NS向记录曲线呈明显上升形态，上升幅度为33.96×10-3″，EW向记录曲线呈明显下降形态，变化幅度为207.56×10-3″（图 4）。
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图 4 2016年8月17—19日呼和浩特台形变观测曲线
（a）水管倾斜观测NS向；（b）水管倾斜观测EW向；（c）洞体应变观测NS向；（d）洞体应变观测EW向； （e）垂直摆倾斜观测NS向；（f）垂直摆倾斜观测EW向矩形框为降雨时段 Fig.4 Observation curves caused by rainfall of Hohhot deformation instruments from August 17 to 18, 2016 |
（3）2017年6月22日发生强降雨，累积降雨量为24 mm。呼和浩特台水管倾斜仪受降雨的影响记录曲线呈明显下降形态，NS向变化幅度为60.50×10-3″，EW向变化幅度为61.63×10-3″。伸缩仪NS向记录曲线呈明显上升形态，变化幅度为395.48×10-8；EW向记录曲线呈明显下降形态，变化幅度为460.97×10-8。垂直摆倾斜仪NS向记录曲线呈明显上升形态，上升幅度为12.58×10-3″；EW向记录曲线呈明显下降形态，变化幅度为209.91×10-3″（图 5）。
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图 5 2017年6月21—23日呼和浩特台形变观测曲线
（a）水管倾斜观测NS向；（b）水管倾斜观测EW向；（c）洞体应变观测NS向；（d）洞体应变观测EW向； （e）垂直摆倾斜观测NS向；（f）垂直摆倾斜观测EW向矩形框为降雨时段 Fig.5 Observation curves caused by rainfall of Hohhot deformation instruments from June 21 to 23, 2017 |
（4）2017年7月5—7日发生强降雨，累积降雨量为48 mm。呼和浩特台水管倾斜仪受降雨影响记录曲线呈明显下降形态，NS向变化幅度为77.14×10-3″，EW向变化幅度为63.47×10-3″。伸缩仪NS向记录曲线呈明显上升形态，变化幅度为516.62×10-8；EW向记录曲线呈明显下降形态，变化幅度为640.75×10-8。垂直摆倾斜仪NS向记录曲线呈明显上升形态，上升幅度为38.46×10-3″，EW向记录曲线呈明显下降形态，变化幅度为188.33×10-3″（图 6）。
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图 6 2017年7月5—7日呼和浩特台形变观测曲线
（a）水管倾斜观测NS向；（b）水管倾斜观测EW向；（c）洞体应变观测NS向；（d）洞体应变观测EW向； （e）垂直摆倾斜观测NS向；（f）垂直摆倾斜观测EW向矩形框为降雨时段 Fig.6 Observation curves caused by rainfall of Hohhot deformation instruments from July 5 to 7, 2017 |
（5）2018年5月19日至20日发生降雨，累积降雨量为29 mm。呼和浩特台水管倾斜仪受降雨影响，记录曲线呈明显下降形态，NS向变化幅度为85.93×10-3″，EW向变化幅度为80.75×10-3″。伸缩仪NS向记录曲线呈明显上升形态，变化幅度为432.68×10-8；EW向记录曲线呈明显下降形态，变化幅度为978.82×10-8；垂直摆倾斜仪NS向记录曲线呈明显上升形态，上升幅度为26.12×10-3″，EW向记录曲线呈明显下降形态，变化幅度为254.26×10-3″（图 7）。
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图 7 2018年5月19—21日呼和浩特台形变观测曲线
（a）水管倾斜观测NS向；（b）水管倾斜观测EW向；（c）洞体应变观测NS向；（d）洞体应变观测EW向； （e）垂直摆倾斜观测NS向；（f）垂直摆倾斜观测EW向矩形框为降雨时段 Fig.7 Observation curves caused by rainfall of Hohhot deformation instruments from May 19 to 21, 2018 |
将5次降雨的统计结果进行汇总，分别对降雨量与各测项变化幅度间进行最小二乘法直线拟合，拟合结果见图 8，各测项变化幅度与降雨量间拟合的线性关系为
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图 8 呼和浩特台形变测项变化幅度与降雨量间的拟合结果
（a）水管倾斜观测NS向；（b）水管倾斜观测EW向；（c）洞体应变观测NS向； （d）洞体应变观测EW向；（e）垂直摆倾斜观测NS向；（f）垂直摆倾斜观测EW向 Fig.8 Fitting results of rainfall and magnitude of the Hohhot deformation instruments |
| $ \begin{array}{*{20}{c}} {{\rm{水管倾斜仪NS向}}}&{\mathit{y}{\rm{ = 0}}{\rm{.9299 }}\mathit{x}{\rm{ + 37}}{\rm{.59 }}}&{{\mathit{R}^{\rm{2}}}{\rm{ = 0}}{\rm{.8712}}} \end{array} $ | (1) |
| $ \begin{array}{*{20}{c}} {{\rm{水管倾斜仪EW向}}}&{\mathit{y}{\rm{ = 0}}{\rm{.6462 }}\mathit{x}{\rm{ + 47}}{\rm{.219 }}}&{{\mathit{R}^{\rm{2}}}{\rm{ = 0}}{\rm{.918}}} \end{array} $ | (2) |
| $ \begin{array}{*{20}{c}} {{\rm{伸缩仪NS向}}}&{\mathit{y}{\rm{ = 18}}{\rm{.629 }}\mathit{x}{\rm{ - 68}}{\rm{.871 }}}&{{\mathit{R}^{\rm{2}}}{\rm{ = 0}}{\rm{.9395}}} \end{array} $ | (3) |
| $ \begin{array}{*{20}{c}} {{\rm{伸缩仪EW向}}}&{\mathit{y}{\rm{ = 0}}{\rm{.9299 }}\mathit{x}{\rm{ + 37}}{\rm{.59 }}}&{{\mathit{R}^{\rm{2}}}{\rm{ = 0}}{\rm{.8712}}} \end{array} $ | (4) |
| $ \begin{array}{*{20}{c}} {{\rm{垂直摆倾斜仪NS向}}}&{\mathit{y}{\rm{ = 1}}{\rm{.2305 }}\mathit{x}{\rm{ - 26}}{\rm{.906 }}}&{{\mathit{R}^{\rm{2}}}{\rm{ = 0}}{\rm{.8031}}} \end{array} $ | (5) |
| $ \begin{array}{*{20}{c}} {{\rm{垂直摆倾斜仪EW向}}}&{\mathit{y}{\rm{ = }}\begin{array}{*{20}{l}} {0.0052} \end{array}{\rm{ }}\mathit{x}{\rm{ + 16.87 }}}&{{\mathit{R}^{\rm{2}}}{\rm{ = 0}}{\rm{.0002}}} \end{array} $ | (6) |
其中，x为降雨量；y为各形变测项数据变化幅度；R2为判定系数。
由图 8可见，水管倾斜仪拟合结果最好，伸缩仪NS向与垂直摆倾斜仪NS向拟合结果也可使用，降雨量与观测数据变化幅度间呈较好的线性关系。伸缩仪EW向拟合结果较差，这可能与观测系统不稳定、数据质量较差有关；垂直摆倾斜仪EW向观测数据，无论降雨量如何，其变化幅度约200×10-3″。查找观测日志发现，降雨引起观测数据大幅变化时，垂直摆倾斜仪EW向观测常会出现调零，如2017年6月22日、7月6日和2018年5月19日分别出现调零，这可能是由于降雨引起观测数据变化大而导致超量程，之后人为改变了垂直摆倾斜仪EW向观测数据的变化幅度，因此垂直摆EW向结果不真实、不可用。
形变观测山洞的西南、东南侧分别有2个明显的排水沟（图 1）。降雨时，伸缩仪NS向呈张性变化，EW向呈压性变化，与呼和浩特台周边应力场一致。水管倾斜仪与垂直摆倾斜仪EW向均向西倾斜，可能说明台站西南侧的排水沟对其的影响更大；而在NS向，水管倾斜仪向南倾，垂直摆倾斜仪向北倾，这可能是由于水管倾斜仪基线较长，作用的范围较广，而垂直摆倾斜仪基线较短，只能反映局部的变化，但理论上二者应当均向南倾斜。
5 讨论与结论（1）呼和浩特台形变仪器中水管倾斜仪观测质量最好，垂直摆倾斜仪EW向和伸缩仪EW向观测质量较差。
（2）呼和浩特台周边为流纹岩，其吸水性较强，当累积降雨量超过12 mm时，各仪器都会有响应。各形变仪器对降雨的反应时间短，几乎无滞后效应。各形变仪器（除垂直摆倾斜仪EW向观测结果不可用外）与降雨量间均呈较好的相关性，可以根据拟合结果推测由降雨引起的观测数据变化幅度。
（3）呼和浩特地区降雨总体偏少，可供分析的数据较少，能引起观测曲线发生趋势性变化的降雨量主要为20—50 mm，少数超过100 mm，降雨量分布不均且数据较少，因此拟合结果有待提高。
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