雅礱江流域下游水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

馮永祥，李小偉

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都，610051）

0 前言

雅礱江發(fā)源于青海省巴顏喀拉山南麓，干流由北向南流經(jīng)四川甘孜藏族自治州、涼山彝族自治州，在攀枝花市的倮果注入金沙江。雅礱江流域地震地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜，上游地處甘孜阿壩褶皺帶，中下游河段位于“川滇菱形斷塊”北部，在鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、金河-箐河斷裂帶和金沙江斷裂帶所圍限的次級斷塊“雅江-稻城斷塊”內(nèi)，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，地震監(jiān)測工作非常重要。雅礱江流域水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)工作于2008年啟動，2011年8月系統(tǒng)一期工程投入考核運行，2012年3月轉(zhuǎn)入正式運行。系統(tǒng)一期共由38個沿江分布的野外測震臺站組成，地震監(jiān)測范圍覆蓋了流域下游錦屏一級、錦屏二級、官地、二灘和桐子林等5座電站庫壩區(qū)及附近區(qū)域。

1 系統(tǒng)概況

系統(tǒng)一期布置范圍覆蓋了雅礱江流域下游河段電站水庫，由38個野外測震臺、7個中轉(zhuǎn)匯集站及1個流域水庫地震監(jiān)測中心組成，監(jiān)測中心設(shè)在成都。系統(tǒng)采用了反饋式短周期地震計、寬帶地震計、加速度計、24位數(shù)據(jù)采集器等地震觀測設(shè)備及相關(guān)專業(yè)軟件，使用了衛(wèi)星、無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳、CD?MA、SDH、無線超短波等多種傳輸方式，實現(xiàn)了在邊遠(yuǎn)山區(qū)公共通信困難、地形地貌復(fù)雜條件下觀測數(shù)據(jù)有效傳輸。觀測環(huán)境地噪聲水平Ⅰ類臺站13個、Ⅱ類臺站22個、Ⅲ類臺站3個。水庫地震重點監(jiān)測區(qū)，有效地震監(jiān)測能力下限為ML0.5級，震中定位精度優(yōu)于2 km。雅礱江流域中下游水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)臺站分布見圖1。

2 系統(tǒng)組成

圖1 野外測震臺站分布圖Fig.1 Distribution of field seismic stations

雅礱江流域下游水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)由地震臺站系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和監(jiān)測中心組成。采用了衛(wèi)星、無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳、CDMA、SDH、無線超短波等通信傳輸方式，經(jīng)過科學(xué)合理的信號中轉(zhuǎn)與匯集，將分布在從最下游到下游某控制性電站綿延近400 km、約2.3萬km2的攀西大裂谷之中的38個野外測震臺、7個野外中轉(zhuǎn)站監(jiān)測信號匯集至成都監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理中心機房，實現(xiàn)了在邊遠(yuǎn)山區(qū)公共通信困難、地形地貌復(fù)雜條件下觀測數(shù)據(jù)實時有效傳輸，實時傳輸運行率優(yōu)于95%的指標(biāo)要求；實現(xiàn)了流域水庫地震信息化、一體化集中遠(yuǎn)程監(jiān)測，避免了各電站單獨建立臺網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心，優(yōu)化了流域各電站水庫監(jiān)測臺站共享銜接，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)集中處理與監(jiān)測成果實時共享。系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)見圖2，監(jiān)測數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟妶D3。

2.1 野外臺站

野外測震臺站系統(tǒng)由測震、數(shù)據(jù)傳輸、供電避雷等設(shè)備構(gòu)成。地震計將地面運動參量轉(zhuǎn)換為模擬電參量；數(shù)據(jù)采集器再將模擬電參量處理成數(shù)字信號；GPS時鐘提供基準(zhǔn)時間授時服務(wù)；傳輸設(shè)備將數(shù)據(jù)送至系統(tǒng)監(jiān)測中心；供電系統(tǒng)為臺站設(shè)備提供不間斷電力供應(yīng)；避雷設(shè)施用以降低臺站設(shè)備遭受雷擊損壞的風(fēng)險。臺站采用反饋式短周期地震計、寬帶地震計、加速度計、24位數(shù)據(jù)采集器等地震觀測設(shè)備及相關(guān)專業(yè)軟件，使用了衛(wèi)星、無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳、CDMA、SDH、無線超短波等多種傳輸方式，保障各野外測震臺站監(jiān)測數(shù)據(jù)實時有效采集與傳輸。野外臺站系統(tǒng)布置圖見圖4，典型臺站通信傳輸路徑拓?fù)鋱D見圖5。

圖2 流域下游水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)總體構(gòu)架Fig.2 Overall framework of earthquake monitoring system for downstream reservoirs of the Yalong river basin

圖3 流域下游水庫地震信息化監(jiān)測數(shù)據(jù)通信拓?fù)鋱DFig.3 Communication topology for monitoring data

圖4 野外臺站系統(tǒng)布置圖Fig.4 System layout of field seismic station

圖5 典型臺站通信傳輸路徑拓?fù)鋱DFig.5 Topology of communication transmission path of typical station

2.2 監(jiān)測中心

監(jiān)測中心包含數(shù)據(jù)匯集存儲、數(shù)據(jù)處理、臺網(wǎng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等，實現(xiàn)野外臺站實時波形數(shù)據(jù)接收匯集、存儲、數(shù)據(jù)處理與實時在線監(jiān)測，用以時刻掌握系統(tǒng)的運行情況，嚴(yán)密監(jiān)視庫壩區(qū)的發(fā)震信息；還包含地震速報、成果資料產(chǎn)出和水庫地震分析研究等，具備產(chǎn)出各種運行日志、數(shù)據(jù)報表和地震參數(shù)測定的功能。同時，監(jiān)測中心通過SDH專線和四川地震行業(yè)網(wǎng)互聯(lián)互通，實時向省地震局共享雅礱江流域下游水庫地震監(jiān)測成果。監(jiān)測中心預(yù)留了升級擴(kuò)容空間與接口，以備接入后續(xù)建設(shè)的臺網(wǎng)。監(jiān)測中心系統(tǒng)布置見圖6。

3 理論監(jiān)測能力

地震臺網(wǎng)地震監(jiān)測能力（可定位震級下限）取決于臺網(wǎng)臺站的臺基噪聲水平、臺站布局和儀器系統(tǒng)靈敏度三個因素。儀器與臺網(wǎng)布局確定后，臺網(wǎng)地震監(jiān)測能力主要受到臺站環(huán)境臺基噪聲的約束。理論上將至少有4個以上的地震臺記錄到同一地震，確定可定位地震。根據(jù)震級計算公式，即：

圖6 監(jiān)測中心系統(tǒng)布置圖Fig.6 System layout of monitoring center

式中，V為最大S波振幅值與環(huán)境地噪聲水平的比值，取6倍；T為水庫地震優(yōu)勢周期，C為臺基噪聲校正值，取0；R(△)為量規(guī)函數(shù)。

通過R(△)求出單臺在不同震中距下，可觀測到的最小震級。以4個以上臺站，可同時觀測到某一震級地震為標(biāo)準(zhǔn)，劃定臺網(wǎng)對該震級地震的監(jiān)測區(qū)域。若區(qū)域內(nèi)有4個以上臺站能同時監(jiān)測到某一震級地震，則該區(qū)域?qū)儆谂_網(wǎng)的該震級可觀測范圍。據(jù)此進(jìn)行理論計算、作圖，可得流域地震系統(tǒng)監(jiān)測能力圖，如圖7所示。計算表明地震臺布局科學(xué)合理，監(jiān)測能力達(dá)到可定位震級下限為ML≥0.5級的預(yù)期設(shè)計值。

4 運行評價

4.1 運行監(jiān)控

按照GB/T 31077-2014《水庫地震監(jiān)測技術(shù)要求》，地震監(jiān)測臺站月運行率應(yīng)不低于95%。本系統(tǒng)運行情況表明：自投運以來流域水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，月運行率均達(dá)到95%以上，滿足指標(biāo)要求。2016年度各月運行率見圖8。

圖7 流域水庫下游地震遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)地震監(jiān)測能力Fig.7 Seismic monitoring capability of remote automatic moni?toring system

圖8 2016年度各月運行率統(tǒng)計柱形圖Fig.8 Monthly running rate of 2016

4.2 臺基噪聲

按照GB/T 19531.1-2004《地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求》規(guī)定，臺基背景噪聲在1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)速度RMS值作為評估臺站臺基類型的標(biāo)準(zhǔn)。以2016年度每月抽取1 h的連續(xù)波形中的垂直向（UD）波形數(shù)據(jù)為樣本，對臺基噪聲功率譜密度進(jìn)行測定，計算1～20 Hz頻帶內(nèi)的各臺速度噪聲有效值（RMS）的平均值，用以評定臺站目前運行環(huán)境噪聲級別。

經(jīng)計算分析，2016年度38個臺站年臺基噪聲平均水平在6.25×10-9～7.68×10-8m/s范圍內(nèi)，其中臺基噪聲水平達(dá)到Ⅰ類有33個臺站，Ⅱ類有5個臺站，臺站無明顯環(huán)境變化及重大干擾源，臺站運行噪聲環(huán)境有所改善。典型臺站噪聲曲線見圖9。

4.3 監(jiān)測運行能力

圖9 典型臺站噪聲曲線Fig.9 Noise curves of typical stations

利用臺網(wǎng)監(jiān)測區(qū)域?qū)嶋H觀測到的已定位地震，引用古登堡-里克特公式（G-R關(guān)系）來驗證監(jiān)測能力是否達(dá)到可定位震級下限為ML≥0.5級的預(yù)期設(shè)計值。古登堡-里克特公式如下：

lgN(M)=a-bM

式中，N(M)為震級大于M的地震總數(shù)，a、b為常數(shù)，a反映平均地震活動水平，b反映大小地震的比例關(guān)系。

利用臺網(wǎng)記錄到的指定地區(qū)域內(nèi)實際已定位地震來繪制lgN-M曲線，震級低于某個值MC時，實際觀測記錄的地震與擬合直線發(fā)生明顯偏離，此偏離點可定為臺網(wǎng)可定位震級的下限，即最小完整性震級MC。根據(jù)G-R關(guān)系擬合計算確定，流域水庫地震遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)最小完整性震級MC優(yōu)于ML0.5級，表明系統(tǒng)地震記錄完整性及數(shù)據(jù)可用性良好，運行狀況及監(jiān)測能力滿足要求。

4.4 監(jiān)測成果

根據(jù)流域水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)地震監(jiān)測成果，錦屏一級庫區(qū)地震活動主要分布在巖腳-下落府-蓋地庫段，以微小地震為主（ML2.0級及以下的地震占比達(dá)95%），最大震級為MS4.1級，地震活動分布區(qū)域及最大震級總體上與《四川雅礱江錦屏水電站地震安全性評價報告》預(yù)測成果基本一致。庫區(qū)較大地震發(fā)震斷裂產(chǎn)狀一致性較好，庫區(qū)及周邊區(qū)域地震活動總體受區(qū)域構(gòu)造活動的控制。鑒于錦屏一級水電站庫區(qū)所處的大區(qū)域構(gòu)造發(fā)育，存在產(chǎn)生中強地震的地質(zhì)構(gòu)造背景，需要持續(xù)關(guān)注并監(jiān)測、分析庫區(qū)地震活動情況。

5 結(jié)語

水庫地震監(jiān)測臺網(wǎng)是動態(tài)監(jiān)測水庫庫區(qū)一定范圍內(nèi)地震情況的一種手段，也是水庫庫區(qū)防震減災(zāi)工作的重要組成部分，更是國家法律法規(guī)強制要求必須做的一項工作。雅礱江流域下游水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)是四川省首個按流域規(guī)劃設(shè)計并建設(shè)的水庫地震監(jiān)測專用系統(tǒng)，該系統(tǒng)野外測震臺站布局科學(xué)合理、技術(shù)先進(jìn)，實現(xiàn)了水庫地震流域化、信息化、一體化以及實時在線監(jiān)控，實現(xiàn)了野外全臺站無人值守運行模式。系統(tǒng)投入運行至今，運行質(zhì)量、運行環(huán)境和監(jiān)測能力保持良好，甚至有所改善提升。系統(tǒng)為區(qū)域防震減災(zāi)工作和工程安全提供了及時準(zhǔn)確的基礎(chǔ)信息，發(fā)揮了顯著的社會效益。 ■

[1]李小偉,馮永祥,張曉松.雅礱江流域水庫地震監(jiān)測運行管理[C].中國水力發(fā)電工程學(xué)會大壩安全專業(yè)委員會2016年會,2016.

[2]褚孝遠(yuǎn),韓進(jìn),杜瑤,等.雅礱江流域下游梯級水庫地震臺網(wǎng)監(jiān)測能力驗證[J].華南地震,2015,35(1):57-61.

[3]胡先明,邵玉平.水庫地震臺網(wǎng)監(jiān)測能力計算方法——基于G-R關(guān)系式[J].地震地質(zhì),2010,32(4):647-655.

[4]孫學(xué)軍,姚宏,牟劍英,等.巖灘水庫地震監(jiān)測臺網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)[J].地震地磁觀測與研究,2016,37(1):113-118.

[5]傅淑芳,劉寶誠,李文藝.地震學(xué)教程[M].地震出版社,1980.