紫坪鋪水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的災(zāi)后重建

黃 敏，黃 進(jìn)，邵玉平，王翠芳

(四川省地震局，四川 成都 610041）

0 前言

紫坪鋪水庫(kù)緊鄰川西平原所在地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，又處在重力梯度帶和磁異常的陡變帶上，巖石節(jié)理裂隙及各種水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面發(fā)育，是碳酸巖石較為發(fā)育的地區(qū)。庫(kù)區(qū)處于龍門山地震帶上，庫(kù)區(qū)夾持在龍門山主中央斷裂于龍門山主邊界斷裂之間。兩斷裂帶均屬中、晚更新世活動(dòng)斷裂，歷史上沿?cái)嗔褧r(shí)有中、強(qiáng)地震發(fā)生。2004年即建成了 “紫坪鋪水利樞紐水庫(kù)誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)由7個(gè)觀測(cè)臺(tái)站和兩個(gè)中繼站、一個(gè)記錄中心組成。

在2008年5月12日的汶川大地震中，紫坪鋪水庫(kù)地震觀測(cè)系統(tǒng)的微震臺(tái)網(wǎng)和強(qiáng)震臺(tái)陣都處于極震區(qū)，野外觀測(cè)臺(tái)站和中繼站的儀器設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施受到了較大的損害。尤其是觀測(cè)臺(tái)站的圍墻、堡坎、交通小道、交流電桿、太陽(yáng)能電池、無線傳輸系統(tǒng)的天線等都遭受到嚴(yán)重的破壞。除了桃子坪被徹底摧毀，余下的野外觀測(cè)臺(tái)站仍處于供電缺失、基礎(chǔ)設(shè)施無安全保障、數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)不佳的非常脆弱的艱難維持局面。

基于紫坪鋪臺(tái)網(wǎng)所處的重要地理位置，以及不可或缺的震后繼續(xù)監(jiān)測(cè)作用，必須盡快最大限度地恢復(fù)紫坪鋪臺(tái)網(wǎng)的地震監(jiān)測(cè)能力。紫坪鋪水庫(kù)地震觀測(cè)系統(tǒng)的恢復(fù)重建方案完全以原 “紫坪鋪總體技術(shù)設(shè)計(jì)”為主線進(jìn)行。

1 修復(fù)基礎(chǔ)設(shè)施更新技術(shù)系統(tǒng)

1.1 更新野外技術(shù)系統(tǒng),共享專業(yè)臺(tái)網(wǎng)的技術(shù)平臺(tái)

紫坪鋪臺(tái)網(wǎng)野外臺(tái)站的一些設(shè)備從2004年建成并投入使用，經(jīng)多年運(yùn)行后逐步老化。在經(jīng)歷了5.12大地震后，紫坪鋪微震臺(tái)網(wǎng)的維護(hù)運(yùn)行管理處于非常艱難狀態(tài)中。存在交通道路損毀、基礎(chǔ)設(shè)施重創(chuàng)、臺(tái)站設(shè)備老化等諸多不利因素。維持原狀很難達(dá)到預(yù)期的運(yùn)行率，改變現(xiàn)狀缺乏資金支撐。

“紫坪鋪水庫(kù)誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)恢復(fù)重建” （以下簡(jiǎn)稱項(xiàng)目）給了我們一個(gè)很好的契機(jī)，提供了紫坪鋪地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)恢復(fù)重建必不可少的經(jīng)費(fèi)來源。在制定紫坪鋪臺(tái)網(wǎng)恢復(fù)重建方案時(shí)，在滿足監(jiān)測(cè)的基本條件前提下，將野外觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的更新?lián)Q代作為目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。即將臺(tái)站的數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)募夹g(shù)系統(tǒng)全面升級(jí)到網(wǎng)絡(luò)化的技術(shù)平臺(tái)上，臺(tái)站數(shù)據(jù)一站式傳輸?shù)剿拇ㄊ∨_(tái)網(wǎng)記錄中心，實(shí)現(xiàn)與記錄處理中心現(xiàn)有技術(shù)平臺(tái)兼容并實(shí)現(xiàn)資源共享。放棄靈巖寺匯集與中繼站和走石山中繼站，不僅減少了數(shù)據(jù)中繼環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)設(shè)施與儀器設(shè)備的修復(fù)所需投入，還在降低臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)的成本與難度的同時(shí)提高了臺(tái)網(wǎng)的運(yùn)行率。

1.2 修復(fù)基礎(chǔ)設(shè)施

項(xiàng)目涉及到的7個(gè)觀測(cè)臺(tái)站有6個(gè)地震觀測(cè)臺(tái)站是在原址修復(fù)基礎(chǔ)設(shè)施 （包括交通小道、圍墻、供電設(shè)施觀測(cè)室的內(nèi)外修繕），免去臺(tái)站搬遷帶來的征地所需時(shí)間與經(jīng)費(fèi)的雙重壓力，以確保紫坪鋪水庫(kù)地震臺(tái)網(wǎng)盡快恢復(fù)正常運(yùn)行，使臺(tái)網(wǎng)的地震監(jiān)測(cè)能力不受較大影響。

在汶川大地震中損毀嚴(yán)重的桃子坪臺(tái)，過江的索橋與上山小道以及臺(tái)站兩個(gè)觀測(cè)房屋等基礎(chǔ)設(shè)施被損毀，由于桃子坪站點(diǎn)特殊自然條件受限確實(shí)無法原地恢復(fù)重建，只能另行遷址重建 （或緩建）。異地重建的選址只能在自然條件許可的映秀鎮(zhèn)附近選擇。

從圖1臺(tái)站布局圖上看，若在映秀鎮(zhèn)選點(diǎn)，則該點(diǎn)較之桃子坪卻與桂花樹和廟子坪臺(tái)站的距離更近，這就達(dá)不到所期望的監(jiān)測(cè)區(qū)域往外擴(kuò)張以提高微震監(jiān)測(cè)能力的初衷，只是比桃子坪缺失時(shí)略有改善而已。桃子坪臺(tái)的存在與否對(duì)紫坪鋪臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力的影響程度可對(duì)比圖2（a）與圖2（b)桃子坪臺(tái)的缺失確實(shí)導(dǎo)致臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)能力有所降低，但并未影響對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的監(jiān)測(cè)。

2 重建實(shí)施方案

紫坪鋪臺(tái)網(wǎng)的設(shè)備在使用多年后并經(jīng)歷了5.12地震后，除個(gè)別設(shè)備還能發(fā)揮作用，大多設(shè)施與設(shè)備均喪失了原有的功能，我們?cè)诨謴?fù)臺(tái)網(wǎng)的功能時(shí)，不僅要考慮恢復(fù)子臺(tái)的監(jiān)測(cè)能力，還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有記錄處理中心技術(shù)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)化要求，提升子臺(tái)的技術(shù)水平，獲得更高的系統(tǒng)運(yùn)行率與數(shù)據(jù)使用率，更好的擔(dān)負(fù)起地震監(jiān)測(cè)的責(zé)任。

2.1 地震臺(tái)網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紫坪鋪數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)由臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和地震數(shù)據(jù)收集共享處理系統(tǒng)等三個(gè)子系統(tǒng)組成。其中數(shù)據(jù)傳輸部分，通過租用電信CDMA VPDN通信信道和由四川省地震局 “十五”建成的網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)提供的信息節(jié)點(diǎn)完成。 （取消原來超短波傳輸必須的兩個(gè)中繼站，所有臺(tái)站信號(hào)直接回到電信機(jī)房，然后通過有線方式傳到四川省地震局記錄處理中心）[1]。

圖1 紫坪鋪臺(tái)網(wǎng)子臺(tái)布局圖Fig.1 Sub-station distribution of Zipingpu monitoring network

圖2 紫坪鋪臺(tái)網(wǎng)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)能力變化對(duì)比Fig.2 Comparison of the change of Zipingpu network monitoring capacity

（1）通過地震計(jì)和數(shù)據(jù)采集器將地面振動(dòng)變換為數(shù)字信號(hào)。

（2）用CDMA無線路由器，將地震數(shù)據(jù)信號(hào)通過CDMA與VPDN網(wǎng)絡(luò)，可靠地傳送至臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心。

（3）用太陽(yáng)能與免維護(hù)蓄電池組構(gòu)成的直流電源系統(tǒng)與交流供電系統(tǒng)分季節(jié)供電，對(duì)數(shù)字地震臺(tái)的所有設(shè)備提供不間斷的電源供給。

2.2 數(shù)字地震臺(tái)站的技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)備配置

數(shù)字地震臺(tái)站是地震臺(tái)網(wǎng)最為基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，構(gòu)成數(shù)字地震臺(tái)技術(shù)系統(tǒng)的主要設(shè)備是地震計(jì)、地震數(shù)據(jù)采集器、CDMA無線路由器 （包含高增益天線及低損耗天饋線）充電控制穩(wěn)壓器、太陽(yáng)能電池組、蓄電池組和避雷器等。數(shù)字地震臺(tái)站技術(shù)系統(tǒng)框圖如3所示。子臺(tái)設(shè)備配置如表1所示。

子臺(tái)的設(shè)備除了地震計(jì)、交直流浮充電源與部分太陽(yáng)能電池維修后還可以繼續(xù)使用，（個(gè)別臺(tái)的太陽(yáng)能電池板也需要補(bǔ)充和更換），原數(shù)據(jù)采集器僅適宜使用串口傳輸，需要更新便于與網(wǎng)絡(luò)傳輸信道匹配；原數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)需要升級(jí)到基于公共網(wǎng)絡(luò)的CDMA無線路由器及配套系統(tǒng)，一站式直傳到數(shù)據(jù)記錄中心。

圖3 數(shù)字地震臺(tái)站技術(shù)系統(tǒng)框圖Fig.3 Technological system framework of digital seismic station

表1 無線數(shù)字遙測(cè)地震臺(tái)設(shè)備配置Table 1 Equipment configuration of wireless digital seismic station

3 項(xiàng)目實(shí)施情況

在臺(tái)站設(shè)備安裝的實(shí)施中，結(jié)合技術(shù)人員的專業(yè)特長(zhǎng)，對(duì)每道工序的操作責(zé)任都落實(shí)到個(gè)人。層層把關(guān)嚴(yán)格檢查，核實(shí)規(guī)范操作要點(diǎn)，保證重要技術(shù)處理環(huán)節(jié)都留存數(shù)據(jù)資料，確保工程質(zhì)量達(dá)到相關(guān)行業(yè)技術(shù)規(guī)范及 “四川岷江紫坪鋪水利樞紐工程水庫(kù)誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)恢復(fù)重建方案”的要求。

恢復(fù)重建后的紫坪鋪水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由靈巖寺、鉆洞子、白巖、八角、桂花樹和廟子坪6個(gè)臺(tái)站組成，其數(shù)據(jù)傳輸方式均采用CDMA無線傳輸，臺(tái)站設(shè)備安裝示意圖如圖4所示。

3.1 修復(fù)后臺(tái)網(wǎng)的地震監(jiān)測(cè)能力

紫坪鋪水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)恢復(fù)重建期間，系統(tǒng)運(yùn)行率受到了一些影響，項(xiàng)目完工后，系統(tǒng)達(dá)到 “四川岷江紫坪鋪水利樞紐工程水庫(kù)誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)恢復(fù)重建方案”恢復(fù)重建要求，獲得更高的系統(tǒng)運(yùn)行率與數(shù)據(jù)使用率，能擔(dān)負(fù)起紫坪鋪庫(kù)區(qū)地震水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)的責(zé)任。紫坪鋪水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)恢復(fù)重建后的理論地震監(jiān)測(cè)能力如圖5所示。

圖4 臺(tái)站設(shè)備安裝示意圖Fig.4 Installation diagram of station equipments

圖5 紫坪鋪水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)恢復(fù)重建后理論地震監(jiān)測(cè)能力圖Fig.5 Theoretical monitoring capacity of Zipingpu monitoring network after post-disaster

3.2 記錄地震資料

2011-08～2012-05共計(jì)10個(gè)月期間，紫坪鋪水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及四川省地震臺(tái)網(wǎng)，記錄到紫坪鋪水電站地震監(jiān)測(cè)區(qū)域 （30.6°～31.4°N，103.1°～103.9°E）內(nèi)地震2127次， 其中：0.0～0.9級(jí) 338次；1.0～1.9級(jí) 1426次； 2.0～2.9級(jí) 321次； 3.0～3.9級(jí) 35次； 4.0～4.9級(jí) 6次；5.0～5.9級(jí)1次；監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)最大震級(jí)為5.2級(jí)，距紫坪鋪大壩約42.9 km米。其震中分布圖詳見圖6，地震分類統(tǒng)計(jì)表詳見表2。

圖6 2011-08～2012-05紫坪鋪庫(kù)區(qū)地震震中分布圖Fig.6 Epicenter distribution of earthquakes in Zipingpu reservoir area from August 2011 to May 2012

“5.12”汶川地震后，余震趨勢(shì)呈整體起伏性衰減。2011年8月至2012年5月間，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)地震月頻度即月內(nèi)地震次數(shù)-時(shí)間 （N－T）變化圖、震級(jí)-時(shí)間 (MT)變化圖詳見圖7。從圖可見，就紫坪鋪地震臺(tái)網(wǎng)目前監(jiān)測(cè)的地震情況來看，近期地震活動(dòng)頻次未見異常，紫坪鋪水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)沒有發(fā)生對(duì)大壩有破壞性影響的地震。

表2 2011年8月至2012年5月紫坪鋪水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)地震統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of earthquakes in Zipingpu reservoir area from August 2011 to May 2012

4 結(jié)論

項(xiàng)目完工后，不僅臺(tái)站的基礎(chǔ)設(shè)施得到全面改善，臺(tái)站的技術(shù)系統(tǒng)也更新升級(jí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與傳輸全程網(wǎng)絡(luò)化，能與四川省地震局的記錄處理中心數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)兼容，并共享記錄中心的技術(shù)設(shè)備和設(shè)施的資源、以及地震事件數(shù)據(jù)資源，用以補(bǔ)充紫坪鋪水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的地震監(jiān)測(cè)能力。

紫坪鋪水庫(kù)臺(tái)網(wǎng)在修復(fù)后不到一年的時(shí)間內(nèi)記錄到了地震事件達(dá)2000余次， （其中包括1.0級(jí)以下微小地震300余次）。所記錄的地震事件驗(yàn)證了紫坪鋪水庫(kù)臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)能力，修復(fù)后的實(shí)際監(jiān)測(cè)能力完全達(dá)到了 “四川岷江紫坪鋪水利樞紐工程水庫(kù)誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)恢復(fù)重建方案”的要求，并通過了業(yè)主的竣工驗(yàn)收。

[1]劉志剛.達(dá)州數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)建設(shè)可行性研究[J].達(dá)州新論，2008， （3）：50-54.