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DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2103-5042-8585
摘 要：该文简要介绍了嘉山台地电阻率外装置系统改造工作。通过整理归纳改造前后的观测数据，采取对比日变化曲线特征、月精度值大小等方式方法，分析改造后的数据质量是否得到优化，以此来对改造效能进行评价。对比分析发现，嘉山台在外装置系统改造后，日变特征并无显著差异，但是通过计算，月观测精度相对于改造前数值变小。并发现改造后两测道均方差值在某些特定时段差异性较大，推断出该台地电阻率观测受南京地铁3号线干扰。通过以上探究，得知此次改造观测数据质量相对有所提升，但是受到相关不可控因素的制约，数据质量还有较大的提升空间。
关键词：地电阻率 装置系统 精度 对比分析
中图分类号：P315 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）03（b）-0066-03
Comparative Study on the Quality of Resistivity Data of Jiashan Station before and after the External Device
System Transformation
YIN Tianjie1 ZHANG Mingming2 SUN Liangliang1 ZHAO Guibao1
（1.Jiashan Seismic Station of Anhui Earthquake Agency， chuzhou， Anhui Province， 239400 China;
2. Mengcheng Seismic Station of Anhui Earthquake Agency， bozhou， Anhui Province， 233500 China）
Abstract： The paper introduces the reconstruction of the external device system of the ground resistivity of Jiashan station. After the transformation， the observation data are summarized and compared with the characteristics of daily variation curve and the size of monthly accuracy value. The data quality after the transformation is optimized is analyzed to evaluate the efficiency of the transformation. The comparison analysis shows that the characteristics of daily variation are not significantly different after the external device system is reformed. However， through calculation， the monthly observation accuracy is smaller than that before the transformation. It is found that the mean square deviation of the two channels is different in some specific periods after the transformation. It is concluded that the earth resistivity observation of our station is disturbed by Nanjing Metro Line 3. Through the above research， we know that the quality of the reconstructed observation data has been improved relatively， but restricted by the relevant uncontrollable factors， the data quality still has a larger space to improve.
Key Words： Earth resistivity; Device system; Accuracy; Comparative analysis
嘉山臺地电阻率自2000年开始数字化观测以来，外装置系统已有20年没有进行大规模改造，由于该台外场地环境复杂，受到电极老化和线杆线缆破损等因素影响，观测数据质量近几年下降明显。该台经过前期方案设计，报上级部门审批，于2020年10月开展外装置系统改造工作，在11月中旬改造完成，开始试运行，并于11月26日投入正式观测。
1 地电阻率观测简述
嘉山台地电阻率于1973年投入观测，第一代仪器为DDC—2A地电仪，1991年和2000年分别更换PZ40数字地电仪和ZD8B地电仪。2013年，数字化地电仪ZD8M投入观测并使用至今。地电外线路采用架空方式，外场地布设在村庄及农田里，测区内有厂房、水渠和养殖场分布，环境较为复杂。布极方式采用四极对称法，共有EW、NS两个测向，供电电极和测量电极各4个。 2 外装置系统改造
2.1 线路改造
该台地电阻率外场地布设于村庄和农田，局部有层次不齐的树木树枝贴靠在线杆周围，一遇强风天气，树枝就有可能与线缆产生摩擦，再加上雨水长此以往对绝缘外皮的侵蚀，线缆出现了严重的磨损。也有部分线杆靠近乡道边，且线杆高度较低。农忙时期容易受到收割机等农用机械的剐蹭，从而造成损坏。
该次线路改造，新线缆采用多股铜芯线，对测区线缆和瓷壶进行整体更换，为了解决电缆线接头过多的问题。该次改造还采用了电缆线从配线盘至电极引线处无接头处理。对于靠近路边的线杆进行了迁移，或者用高程更高的水泥杆在原位置替代旧线杆。且为了防止漏电及地下水对观测造成影响，施工人员将EW测向向东平移了150 m以达到避开钢架结构厂房和水渠的目的[1]。
2.2 电极埋设
此次更换的电极是1 m×1 m×0.001 m的铅板电极。在电极埋设之前，对引线和铅板的连接处采用电焊的方式进行加固;对电极表面进行清洁，保证其入土前的稳定性。埋设过程中，为避免受地表水下渗影响及保证同测向高差恒定[2]，基坑深度均达到3 m以下。由于台站驻地土质土壤类型复杂多样，有部分基坑内含有大量岩石和白色粘土，为保证电极周围物理环境稳定，此类基坑内原有土壤和杂质均被清理，且采用大量优质黄土回填。
改造过程中，对电缆线进行绝缘和漏电测试、对新埋电极的接地电阻进行检查，试运行期间对观测主机进行数次标定。结果均符合规范要求。
3 观测数据质量对比
3.1 日变化特征对比
由于改造后观测时间较短，暂时无法根据年变化特征进行对比探究。为了使数据时间对等，特选取了改造前后最近一个月的NS向整点值数据，通过MATLAB小波去噪分析，对数据进行消噪处理[3]，绘制出消噪后单月日变化曲线（见图1）。虽然消噪后对随机波动的抗干扰能力增强，但两个月份并不能完全呈现出有周期规律性的日变化形态。且每日极大极小值的时间也并不固定。对比9月与12月这两月份的曲线变化形态，不难发现改造前后并无明显差异。
3.2 月观测精度数值对比
地电阻率的观测精度是恒量数据变化幅度大小的一个重要指标。观测精度越小，离散能力越弱，数据越稳定。反之数据波动性越大。精度可通过均方根误差来表现其特征，用均方根误差σn-1来表示均方根误差表征测量值在均值附近波动大小，公式（1）中，n为观测次数，为第i次的观测值，为的算数平均值[4]。
通过地电数据处理软件计算，对2020年8月到2021年2月这7个月的月观测精度进行统计。因两测向场地环境的差异，从表1中可以发现，改造前NS向精度明显优于EW向，从外装置系统改造完成（2020.11）开始，两测向月精度值较前期数值都有一定幅度下降，其中由于此次改造基于EW向地理位置与电极地下结构的特殊性，对该测向改动投入较大，其变化幅度较EW向也更为显著。根据平均精度计算得出：较改造前提升约29%[5]。
3.3 改造后特定时段的均方差值对比
改造后，值班人员经过多天观察，发现夜间0时到清晨5时两侧向地电阻率数据变化幅度很小。均方差反映的是数据的离散程度，所以对应时段的均方差值也很小，相反，在其余时段，均方差高于夜间0时到清晨5时时段数值且浮动较大（见图2）[6]。通过查阅查询相关文献和相关地电阻率台站数据，得知数据稳定时段和离台站距离最近的南京地铁三号线停运时段刚好吻合（南京地铁三号线林场站距离台站直线距离为80 km）。调取改造前多日均方差数据，发现并无相似于与当前变化的特定时段。
4 结论
通过前期实地考察以及对相关数据的测定，该台设计了精细可靠的改造方案，通过近一个月的施工，对线缆、线杆、电极等进行更换;并对测量、供电极距和电极基坑做了调整。通过对比日变化曲线、月精度值以及改造后特定时段的均方差值，得出以下结论。
（1）消噪后的日变化曲线在改造后并无显著变化，日变不清晰，周期规律性不明显。背景噪声多源于场地环境内各种固定干扰源，由于此次改造受经费制约，未对观测环境进行大范围的整改。
（2）两测向数据精度较改造前都有所提升，其中NS向较好，EW向变化较前期更为明显，但EW向平均精度值仍徘徊在0.4（>0.3）左右，与全国先进地电台站的还存在一定的差距。NS向场地环境基础差是精度值不理想的原因。
（3）改造后夜间0时到清晨5时均方差较其余时段数值小，经类比分析：其余时段受南京地铁三号线干扰影响，但改造前数据变化并无此特征。该台初步分析是由于此地铁干扰源距离台站相对较远，干扰程度有限，且改造后，外装置系统得到了优化，规避过滤掉了部分其他干扰因素，使得此数据变化特征较改造前更容易显现出来。
综上所述，此次外装置系统改造后，观测数据质量相对有所提升，但是受到场地环境基础差、经费有限等不可控因素的制约，并未达到理想预期。后期该台将对改造后影响数据稳定性的干扰因素开展进一步研究分析，嘗试消除或减少各类干扰因素，最大限度地提升地电数据观测质量。
参考文献
[1] 孙亮亮，袁勇，尹天杰，等.嘉山台地电阻率装置系统改造方案设计[J].科技资讯，2020（29）：71-73.
[2] 樊晓春，李伟，叶青，等.江宁台井下地电阻率电极接地电阻分析[J].中国地震，2020（6）：126-135.
[3] 解滔，卢军，闫伟.地电阻率日变化成因分析[J].地震地质，2019（6）：1464-1480.
[4] 郭学增，张蕾，信士民，等.兴济地电阻率观测精度提高实验[J].地震地磁观测与研究，2018（2）70-76
[5] 孙昱，张炜超，张创军，等.陕西省地电阻率观测干扰因素分析研究[J].地震工程学报，2019（2）：489-499
[6] 王燚坤，何康，李军辉，等.合肥中心台地电阻率地铁干扰分析与抑制处理[J].华北地震科学，2019（3）：67-74.
摘 要：该文简要介绍了嘉山台地电阻率外装置系统改造工作。通过整理归纳改造前后的观测数据，采取对比日变化曲线特征、月精度值大小等方式方法，分析改造后的数据质量是否得到优化，以此来对改造效能进行评价。对比分析发现，嘉山台在外装置系统改造后，日变特征并无显著差异，但是通过计算，月观测精度相对于改造前数值变小。并发现改造后两测道均方差值在某些特定时段差异性较大，推断出该台地电阻率观测受南京地铁3号线干扰。通过以上探究，得知此次改造观测数据质量相对有所提升，但是受到相关不可控因素的制约，数据质量还有较大的提升空间。
关键词：地电阻率 装置系统 精度 对比分析
中图分类号：P315 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）03（b）-0066-03
Comparative Study on the Quality of Resistivity Data of Jiashan Station before and after the External Device
System Transformation
YIN Tianjie1 ZHANG Mingming2 SUN Liangliang1 ZHAO Guibao1
（1.Jiashan Seismic Station of Anhui Earthquake Agency， chuzhou， Anhui Province， 239400 China;
2. Mengcheng Seismic Station of Anhui Earthquake Agency， bozhou， Anhui Province， 233500 China）
Abstract： The paper introduces the reconstruction of the external device system of the ground resistivity of Jiashan station. After the transformation， the observation data are summarized and compared with the characteristics of daily variation curve and the size of monthly accuracy value. The data quality after the transformation is optimized is analyzed to evaluate the efficiency of the transformation. The comparison analysis shows that the characteristics of daily variation are not significantly different after the external device system is reformed. However， through calculation， the monthly observation accuracy is smaller than that before the transformation. It is found that the mean square deviation of the two channels is different in some specific periods after the transformation. It is concluded that the earth resistivity observation of our station is disturbed by Nanjing Metro Line 3. Through the above research， we know that the quality of the reconstructed observation data has been improved relatively， but restricted by the relevant uncontrollable factors， the data quality still has a larger space to improve.
Key Words： Earth resistivity; Device system; Accuracy; Comparative analysis
嘉山臺地电阻率自2000年开始数字化观测以来，外装置系统已有20年没有进行大规模改造，由于该台外场地环境复杂，受到电极老化和线杆线缆破损等因素影响，观测数据质量近几年下降明显。该台经过前期方案设计，报上级部门审批，于2020年10月开展外装置系统改造工作，在11月中旬改造完成，开始试运行，并于11月26日投入正式观测。
1 地电阻率观测简述
嘉山台地电阻率于1973年投入观测，第一代仪器为DDC—2A地电仪，1991年和2000年分别更换PZ40数字地电仪和ZD8B地电仪。2013年，数字化地电仪ZD8M投入观测并使用至今。地电外线路采用架空方式，外场地布设在村庄及农田里，测区内有厂房、水渠和养殖场分布，环境较为复杂。布极方式采用四极对称法，共有EW、NS两个测向，供电电极和测量电极各4个。 2 外装置系统改造
2.1 线路改造
该台地电阻率外场地布设于村庄和农田，局部有层次不齐的树木树枝贴靠在线杆周围，一遇强风天气，树枝就有可能与线缆产生摩擦，再加上雨水长此以往对绝缘外皮的侵蚀，线缆出现了严重的磨损。也有部分线杆靠近乡道边，且线杆高度较低。农忙时期容易受到收割机等农用机械的剐蹭，从而造成损坏。
该次线路改造，新线缆采用多股铜芯线，对测区线缆和瓷壶进行整体更换，为了解决电缆线接头过多的问题。该次改造还采用了电缆线从配线盘至电极引线处无接头处理。对于靠近路边的线杆进行了迁移，或者用高程更高的水泥杆在原位置替代旧线杆。且为了防止漏电及地下水对观测造成影响，施工人员将EW测向向东平移了150 m以达到避开钢架结构厂房和水渠的目的[1]。
2.2 电极埋设
此次更换的电极是1 m×1 m×0.001 m的铅板电极。在电极埋设之前，对引线和铅板的连接处采用电焊的方式进行加固;对电极表面进行清洁，保证其入土前的稳定性。埋设过程中，为避免受地表水下渗影响及保证同测向高差恒定[2]，基坑深度均达到3 m以下。由于台站驻地土质土壤类型复杂多样，有部分基坑内含有大量岩石和白色粘土，为保证电极周围物理环境稳定，此类基坑内原有土壤和杂质均被清理，且采用大量优质黄土回填。
改造过程中，对电缆线进行绝缘和漏电测试、对新埋电极的接地电阻进行检查，试运行期间对观测主机进行数次标定。结果均符合规范要求。
3 观测数据质量对比
3.1 日变化特征对比
由于改造后观测时间较短，暂时无法根据年变化特征进行对比探究。为了使数据时间对等，特选取了改造前后最近一个月的NS向整点值数据，通过MATLAB小波去噪分析，对数据进行消噪处理[3]，绘制出消噪后单月日变化曲线（见图1）。虽然消噪后对随机波动的抗干扰能力增强，但两个月份并不能完全呈现出有周期规律性的日变化形态。且每日极大极小值的时间也并不固定。对比9月与12月这两月份的曲线变化形态，不难发现改造前后并无明显差异。
3.2 月观测精度数值对比
地电阻率的观测精度是恒量数据变化幅度大小的一个重要指标。观测精度越小，离散能力越弱，数据越稳定。反之数据波动性越大。精度可通过均方根误差来表现其特征，用均方根误差σn-1来表示均方根误差表征测量值在均值附近波动大小，公式（1）中，n为观测次数，为第i次的观测值，为的算数平均值[4]。
通过地电数据处理软件计算，对2020年8月到2021年2月这7个月的月观测精度进行统计。因两测向场地环境的差异，从表1中可以发现，改造前NS向精度明显优于EW向，从外装置系统改造完成（2020.11）开始，两测向月精度值较前期数值都有一定幅度下降，其中由于此次改造基于EW向地理位置与电极地下结构的特殊性，对该测向改动投入较大，其变化幅度较EW向也更为显著。根据平均精度计算得出：较改造前提升约29%[5]。
3.3 改造后特定时段的均方差值对比
改造后，值班人员经过多天观察，发现夜间0时到清晨5时两侧向地电阻率数据变化幅度很小。均方差反映的是数据的离散程度，所以对应时段的均方差值也很小，相反，在其余时段，均方差高于夜间0时到清晨5时时段数值且浮动较大（见图2）[6]。通过查阅查询相关文献和相关地电阻率台站数据，得知数据稳定时段和离台站距离最近的南京地铁三号线停运时段刚好吻合（南京地铁三号线林场站距离台站直线距离为80 km）。调取改造前多日均方差数据，发现并无相似于与当前变化的特定时段。
4 结论
通过前期实地考察以及对相关数据的测定，该台设计了精细可靠的改造方案，通过近一个月的施工，对线缆、线杆、电极等进行更换;并对测量、供电极距和电极基坑做了调整。通过对比日变化曲线、月精度值以及改造后特定时段的均方差值，得出以下结论。
（1）消噪后的日变化曲线在改造后并无显著变化，日变不清晰，周期规律性不明显。背景噪声多源于场地环境内各种固定干扰源，由于此次改造受经费制约，未对观测环境进行大范围的整改。
（2）两测向数据精度较改造前都有所提升，其中NS向较好，EW向变化较前期更为明显，但EW向平均精度值仍徘徊在0.4（>0.3）左右，与全国先进地电台站的还存在一定的差距。NS向场地环境基础差是精度值不理想的原因。
（3）改造后夜间0时到清晨5时均方差较其余时段数值小，经类比分析：其余时段受南京地铁三号线干扰影响，但改造前数据变化并无此特征。该台初步分析是由于此地铁干扰源距离台站相对较远，干扰程度有限，且改造后，外装置系统得到了优化，规避过滤掉了部分其他干扰因素，使得此数据变化特征较改造前更容易显现出来。
综上所述，此次外装置系统改造后，观测数据质量相对有所提升，但是受到场地环境基础差、经费有限等不可控因素的制约，并未达到理想预期。后期该台将对改造后影响数据稳定性的干扰因素开展进一步研究分析，嘗试消除或减少各类干扰因素，最大限度地提升地电数据观测质量。
参考文献
[1] 孙亮亮，袁勇，尹天杰，等.嘉山台地电阻率装置系统改造方案设计[J].科技资讯，2020（29）：71-73.
[2] 樊晓春，李伟，叶青，等.江宁台井下地电阻率电极接地电阻分析[J].中国地震，2020（6）：126-135.
[3] 解滔，卢军，闫伟.地电阻率日变化成因分析[J].地震地质，2019（6）：1464-1480.
[4] 郭学增，张蕾，信士民，等.兴济地电阻率观测精度提高实验[J].地震地磁观测与研究，2018（2）70-76
[5] 孙昱，张炜超，张创军，等.陕西省地电阻率观测干扰因素分析研究[J].地震工程学报，2019（2）：489-499
[6] 王燚坤，何康，李军辉，等.合肥中心台地电阻率地铁干扰分析与抑制处理[J].华北地震科学，2019（3）：67-74.