地震地下水水位微动态监测技术研究报告.doc

地震地下水水位微动态监测技术研究报告杨林根前 言我们在对地下水微动态进行分析研究中，研究的对象是含水层中的“水”，但它不是绝对理想的纯净蒸馏水，提供它运动的载体井孔含水层系统，也不是绝对不可溶的理想模型。孔裂隙中的流体不可避免地含有悬浮物、沙粒、矿物质、微生物等。这些物质在温度、流量、流速等环境因素具备的情况下，可以结晶，可以形成絮状物，可以存在在流体中，也可附着在孔裂隙的岩壁上，进而对地下水的运动产生影响。如果这悬浮物和附着物单位个体的相对位置是不变的，只是其体积或量的缓慢的渐变，那么，我们经过长期观测总可以找到它的增长速率与地下水运动的关系。但事实上悬浮物是运动的，附着物又可在自身重力，外力振动以及水速水量变化的前提下，发生“脱落”、溶解或迁移，特别是孔裂隙中流体流动断面陡然变小处上附着物的移位，可瞬间使孔口湿周发生骤变而导致地下水位的异常，孔口上附着物在阻碍地下水运动的作用方面，还具有正反方向影响效果不对称的问题，在时间上这些事件又几乎都是随机发生的。1另外，井孔含水层系统在外力（如水震波）的作用下，导水系数是有可能随着应力状态的变化而变化，也就是说，当含水层受压应力作用而空隙率变小，并由此引起渗透性变弱；相反，含水层受张应力作用而空隙率变大，井由此导致渗透性变强。2 1995年，车用太、唐毅、鱼金子等通过试验，还揭示了水位异常信息传递过程中可能出现的信息衰减、滞后与变异问题。32010年，笔者通过对淮北22井、汤池井的近700天秒值文件资料进行连续长达30多小时约2100万次的DFT运算发现，水震波在振荡过程中频谱非常不稳定，特别表现在振荡初期。综上因素，井孔含水层系统中的水位波动是个非稳定信号，简单的水位日均值、逐时值很难反映井区地壳应力状态的变化。我们有必要研制出“高密度数字液位采样仪”，对地下水微动态进行监测、分析和研究。一、“高密度数字液位采样仪”的关键部件-鼠标液位传感器（一）问题的提出目前我国使用的自记液位计，就其感应方式而言，可分为浮子式、水压式和超声波式三种。由于浮子式液位计具有精度高、性能稳定、感应方式简单可靠，易于维护修理等显著优点，在我国还占有相当大的比重。特别是在对液位变化监测要求比较高的地震地下水微动态观测领域里，普遍采用的还是五、六十年代的滚筒式自记液位仪。由于该仪器使用绘图笔实时将液位变化过程记录在纸介质上，反映液位变化曲线形象直观，便于人工识别地下水液位细微的变化，但是该仪器需要每天定时更换图纸，不定时地添加墨水，特别是牵引走时笔的康铜丝如果断脱，就会造成缺数记录。记录的结果还要人工识图，读取数据，经过多次校对后，才能人工将数据录入计算机，又要经过多次校对才能进行数据处理，这显然不能适应震情监测的需要。近几年来，随着计算机信息技术和通讯技术的迅速发展，很多单位研制多种数字液位仪，采样周期也能为一分钟一次并且基本上都实现了多日的数据存储和网络的传输。但在数模转换上，都做得不很理想，至使高频信号干扰多。由于这种现象很难排除，多数仪器都在后台对数字进行了“去伪存真”的滤波处理，输出的数据基本不是瞬时值。特别是在交直流转换问题上，容易形成数据台阶，严重影响数据处理的真实性。所以多数单位在安装了数字液位自记仪器后，不敢淘汰滚筒式自记液位仪，继续采用人工观测，每天更换图纸，进行人工读数，处理好后，再向上级传报。（二）鼠标液位传感器的原理与结构1光电鼠标液位传感器原理与结构光电鼠标液位传感器是由光电鼠标、浮筒、传动索、仪器箱或支架、液位轮、平衡砣、配重砣、滚筒（轮）、坐标纸（刻度尺、条形码）九部分组成，其结构见图一。图一 光电鼠标液位传感器结构图由于光电鼠标位置固定不变，当测井中液位发生变化时，液位会使浮子做上升或下降运动，浮子借传动索将液位升降的直线运动传送给液位轮，使液位轮产生圆周运动，光电鼠标与滚筒（轮）上的水平刻划线就会发生相对运动，光电鼠标底部表面反射回的一部分光线，经过一组光学透镜，传输到一个光感应器件（微成像器）内成像，并经过数字微处理器的分析处理，计算出滚筒转动的方向和移动距离即液位发生变化的情况。在这九个部件中滚筒（轮）与坐标纸（刻度尺、条形码）可以合二为一，其原理只要能使光电鼠标得到液位移动的图像信号即可。2光机鼠标液位传感器原理与结构光机鼠标液位传感器是由光机鼠标、浮筒、传动索、支架、液位轮、平衡砣、配重砣七部分组成。其结构见图二。图二 光机鼠标液位传感器结构图由于光机鼠标位置固定不变，当测井中液位发生变化时，液位会使浮子做上升或下降运动，浮子借传动索将液位升降的直线运动传送给液位轮，使液位轮产生圆周运动，同时传动索通过摩擦力带动光机鼠标内的译码盘转动，这时装在译码盘边的光敏传感器就会断断续续地收到另一侧红外发光二极管发出的红外线，从而使光敏传感器输出脉冲信号，微处理器根据脉冲A和脉冲B的相位差判断译码盘转动的方向和速度，也就是此时定滑轮转动的方向和移动距离，从而反映出液位的变化情况。3必要的一些解释：A.对于光机鼠标液位传感器来说，通过上面介绍的原理可以知道，液位轮是可以省略的，我们可以直接将传动索带动光机鼠标内的译码盘轴，译码盘根据需要可以重新设计。我们设计中使用液位轮主要是便于传感器的安装和拆卸。另外在液位变化幅度不大的情况下，传动索可以改为传动杆，原则只要传动杆能够灵活带动译码盘即可。B.对于光电传感器来说，根据其原理也可以使用传动杆，显然这时还可以省略液位轮、滚筒（轮）、和平衡砣三个部分，但传动杆（尺）最好要带有刻度，主要是使光电鼠标能够清晰地接受到传动杆（尺）移动的图象信号；C.至于鼠标液位传感器，我们这里仅列举了使用光电鼠标和光机鼠标两种，同理也适用于其它鼠标，如无线光电鼠标等。（三）鼠标液位传感器优点和适用范围由于鼠标液位传感器感应液位变化的部件是鼠标，采集液位变化的数据不受交流电和地下电场高频信号的干扰，不需要进行人为 “去伪存真” 的滤波处理。大量实验结果表明，终端接受装置（计算机）在配备不间断电源的情况下，液位变化值不受交直流电源转换的影响。鼠标是计算机外部设备之一，其分辨率常用dpi的来衡量（现在也有叫CPI的），一般的滚轮鼠标和光学鼠标都可以达到400dpi甚至更高，也就是说鼠标每移动1/400英寸，就会向计算机发出一次移动信号。一般情况下，Windows操作系统确认鼠标位置的速率，USB接口的鼠标固定为120次/秒，而PS2接口的鼠标默认接口采样率比较低，只有60次/秒，我们推荐可采用调节到200次/秒，而在WIN2000/XP系统下则可以在鼠标属性里面直接调到200次/秒。因此，鼠标液位传感器可以对液位变化进行高密度的采样，所以，它适用于对液位的变化跟踪速率要求比较高的科学试验，如对江、湖、河、海、水库的波浪以及地下井孔中的水震波的振荡频率的监测与研究等。终端接受装置也就是一台计算机，无需改造。因此它也具有性能稳定，便于维护，价格低廉等特点。终端接受装置的软件设计基本与电器知识无关，通过一般软件工作者的设计，就可以满足客户对数据不同格式的要求，并且很容易实现网络传输和远程监控。在液位传动方面，由于采用的是浮子传感，仪器结构简单，性能稳定，工作可靠使用及维修方便，只要材质许可，它对液体性质要求不高，可以耐水煮、耐气蒸、耐腐蚀、耐结垢等压力传感器电子器件不适应的环境和场合。因此，鼠标液位传感器具有抗干扰能力强、高精度、高灵敏，成本低、易于更换和维护等特性。根据需要可以调节采样密度，因此广泛适用于涉及液位动态监测和研究的相关部门和领域，如地质、环保、矿山、水文、水利水电、工业生产监控等。二、地震地下水微动态与水震波自动识别技术 我国地下流体数字化台网,经“十五”数字化改造和后期的发展，已形成相当的规模。它的数据自动采集、远程监控和资源共享的三大优势越来越被世人所注目。但也应该注意到：因种种原因，数字化的观测资料还没有完全应用到分析预报领域，导致它的原因本文认为： （1）从硬件上说，观测条件的不满足、仪器自身的不稳定，干扰因素的不明确，数据长期上的零点飘移，短期上原因不明的突跳、脉冲、阶变等不应有的 “异常”现象，给分析工作带来了困难。 （2）从软件上说，一个新的数字化观测系统刚刚开始运行，在认识上需要新理念，管理上需要新技术、分析上需要新手段，然而这些都没有配套进行，它也是制约地震流体观测预测技术的整体发展的原因之一。本研究就想从认识理念和分析手段上做点新尝试。（一） 非稳信号不适应做离散傅里叶变换。由于井孔含水层系统中的水位波动是非稳定信号，而非稳信号不适应做离散傅里叶变换。 2009年3月23日下午，美国国家仪器公司（NI）资深数字信号处理规划师钱世锷应天津大学精仪学院的邀请，在该校24202举办了题为超越FFT信号处理专题报告中指出：傅里叶变换被证明是非常有效的分析手段，但它有它的局限性。假如它的频率变化了，幅度变化了，那么它的带宽就变宽了，它就不是一个窄带信号，在这样的情况下，用傅里叶变换就会产生问题。 如果频率不随时间变化，那么我们在传统的傅里叶功率谱上，可以看到它不同的倍频，如果频率随时间变化，那么它的倍频就重叠在一起了，这样用传统的傅里叶变换来分析就不适合了。（二）利用移位离散傅里叶变换 (SDFT) 进行时频谱分析移位离散傅里叶变换 (SDFT)是原苏联学者雅罗斯拉夫斯基在80年代初提出的4。它可以用“增后减前”方法来减少计算量，因此，在连续实时谱分析中有着重要的实际意义。但在普通的数值分析中，在计算机运行速度发展飞快的今天，它的意义正在逐渐减弱。本方法借用它的数学思想，不是为了提高其运算速度，而是因为水震波在振荡过程中，频率不是很稳定的，也就是说信号周期不很稳定，这样在单一的谱分析中就可能出现影响正确结果的产出，采用“滑动”目的只是期望在对历史水位的反演时，从时频域上对离散信号进行连续的“实时”谱分析，并企图从时频域上找出频谱相对稳定的时段。因此，具体分析方法仍还采用一个固定长度随时间滑动的滑动窗口来选择样本，在这个滑动窗口内计算N点DFT，逐一分析不同时刻其输入样本对应的频谱，逐点滑动DFT原理图如下图5此外，需要说明的是：“滑动频谱分析法”它也只是个数学方法，特别是它基于滑动离散傅里叶变换的一种算法。因此它完全受制于其使用条件的约束，同样存在混叠、泄漏、栅栏现象。在查找出比较稳定的频段后，可以在采样频率不变的前提下，提高分析点数或其他方法加以辨别和确认。 （三）三进制在数字信号中的编码方法模拟观测时代的微动态异常“识别”，简明地说大多数情况下就是“看图识字”。“识别”的过程，由于当时条件有限也只能将被分析图象（曲线）与历史经验中的“震例”图象（曲线）进行人工比对，充其量也只能作形态上的分类和个数上的统计，无法进行深层次地剖析。现在，已经步入数字观测时代，在数字信号中任何一段数字序列在数值上与前一个数值的变化，只有“上升”、“下降”或是“持平”三种状态。而这三种状态，在数学上暂可以用“0”表示“持平”、“1”表示“上升”、“2”表示“下降”。那么一段数字信号就可以用一段由“0、1、2”三个数字编码来实现。假设一个周期的水震波的特征码为“111111110022222222”，那它就是表示一个“上升”和一个“下降”，中间稍有点“持平”的运动状态。如果信号平稳没有变化，那么它的编码就是“00000000”。因此在异常“识别”中，可以将诸如“毛刺”，“V字型突跳”，“前驱波”，“无震波动”6，“阶变”等“震例”曲线进行编码，建立其特征码的数学模型，再对被分析的编码序列中进行特征码搜索，找到这些微动态异常后，就可以确定这“异常”的开始时间、维持时间和其他相对应的参数。在特征码的设计中还可以穿插一两个模糊识别码，用称重法加以判断，这样就可以增加它的兼容性。当然用这种方法找出的“曲线段”在幅值上是没什么要求的，但频率却要求却很严格。值得一提的是该方法可以应用于信号处理、数值分析、实时监控等其他领域。有了这些理论就可以按Nyquist定理对数字仪器采集的信号进行频谱分析。（四）滑动频谱分析法的基本步骤 软件分析步骤如下： （1）首先打开被分析文件，判断其是不是后缀EVT的秒值文件，文件有无破坏以及该文件有几个水震波记录等； （2）取出一个记录，按规定点数取样，逐步向后滑动做DFT； （3）绘制被分析数据的曲线图； （4）绘制频域图； （5）绘制从频域图中提取最大峰值频率做的时频图； （6）对绘制时频图的数据用“三进制法”对其进行编码； （7）将“异常特征码”与其匹配，匹配成功的按码长排序； （8）找出满足条件的前三项，在确定该分析历史没有做过时，将其“样本文件名”、“记录号”、“分析点数”、“开始时间”、“维持时间”、“水位振幅”、“周期”、“幅度”等送入如EXCEL报表中；（9）循环到（2）再次打开文件中的下一个记录，重复（2）-（8）步骤，直至该文件所有记录分析完；（10）循环到（1）打开下一个文件，重复（1）-（9）步骤，直至文件分析完毕结束。其分析步骤见下图。三、地震地下水水位微动态监测技术的使用（1）、鼠标液位传感器试验和使用情况鼠标液位传感器在理论上经过论证后，我们于2007年10月份开始制作鼠标液位传感器，并编制了数据的接受、报表制作、实时曲线图的绘制、远程传输等一系列的软件，经过几个月的调试后于2008年3月稳定，记录结果波形清晰，无杂波干扰，并在5月12日汶川大地震中，清楚地记录下水震波快速运动的波形轨迹。见图三。 图三 皖14井地震地下水微动态观测井2008年5月12日汶川地震水震波曲线图目前，这台仪器仍在投入使用，可在我省地震局的虚拟局域网内查看。（2）滑动频谱分析法在皖22井的应用2010年9月，对皖22井70个秒值文件（有水震波的秒值文件22个，无水震波的秒值文件48个）进行滑动频谱分析，部分分析结果见表一、表二。从表中可以看出 (a)皖22井的水震波震荡周期基本上是21.3秒，少数的是25.6秒，通过增加时域取样点数（N=2048）进行复算，结果基本相同。这说明该站点的地下水位观测系统（井孔-含水层-观测仪器）响应水震波的频率是稳定的（见表一）。 (b 该井无水震波时频谱周期为9.8秒的最多，说明该井井孔含水层系统与仪器的响应频率为9.8秒。另外，分析结果中显示，周期低于9.8秒的还有许多记录，没有一定的规律性，本文认为可能是各种干扰因素造成的，也可能是震前异常，待以后逐步研究（见表二）。 (c) 表二的第一个记录，是9月3日的分析结果，这天并没有水震波，时频图上可以看出影响水位变化的主要震荡周期是5秒，细分析还有10秒和2.5秒的成分，本文认为5秒和10秒都是2.5秒的倍频所致，周期为“2.5秒”的干扰信号是改良仪器时滤波的主要对象。 (d) 结合上几点，本文认为：21.3、25.6、9.8秒这三个周期值可以作为该井分析未来地震趋势的一个参考量。如果在未来的观测中出现了震荡频率与之不相等的情况，则有理由认为该站点的地下水位观测系统发生了变化。在这变化中而仪器的变化是可以识别的，它是常规变化，并不是只在有水震波时才反映；至于一般的气象、水文变化这几年来也经历过，但没有出现“震荡频率”的异常。所以如果出现了震荡频率与历史情况不相等的情况，把它考虑到是井孔含水层系统发生了力学性质的改变是有道理。因此它和“波速比”一样是一个有明确物理意义的参考值。（3）滑动频谱分析法在汤池一号井的应用2011年3月11日13点46分日本本州东海岸近海域发生9.0级大地震，地震中水位波动及其频谱图如下图4，水位波形完整，曲线光滑。取2048点进行频谱分析在13点05分29秒至15点31分21秒的时间段中水位波动周期为18.4秒维持了942秒，水位振幅为366.5毫米，其他的次稳定周期为16.78、17.65、17.96、18.45秒。图4、日本大地震时汤池井水位波动时频图另外，我们运用该方法还对安徽庐江汤池温泉一号井泉水的汩涌频率进行了计算，其成果被收在合肥市地震局作为2012年安徽省地震会商会专题报告中。四、关于地震地下水水位微动态监测技术未来应用的一些构想在地下水位映震特征的分析中，井水位上升与下降异常不能简单地理解为井点含水层的同步受压与拉张的力学标志，应重视水位异常信息传递过程中可能出现的信息衰减、滞后与变异等问题，对任何地下水位的震前异常特征必须结台观测层的水文地质条件与异常信息的形态，从频域上分