廣西斜陽島數(shù)字地震臺建設經(jīng)驗

姚 宏， 陳 鑫， 牟劍英， 龍政強， 楊超英

（廣西壯族自治區(qū)地震局， 南寧 530022）

0 引言

廣西具有近1 600 km 長的海岸線， 擁有1 005 km2灘涂， 北部灣海域面積約12.93×104km2，北部灣所屬的廣西海域擁有潿洲島等島嶼。 雖然在 “十五” 期間， 通過實施中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡項目， 已在潿洲島上建設了一個區(qū)域級數(shù)字測震臺站， 但北部灣海域廣闊， 廣西區(qū)域地震臺網(wǎng)對該海域地震監(jiān)測能力依然薄弱。

斜陽島位于潿洲島東南方向約9 海里處， 距北海市區(qū)44 海里， 是由火山噴發(fā)堆凝形成， 面積1.89×104km2， 是廣西有人居住緯度最低的海島，因此， 在斜陽島上建設一個測震臺站， 對于優(yōu)化臺網(wǎng)布局， 提高北部灣海域的地震監(jiān)測能力具有重要的意義。 2010年12月， 根據(jù)國家發(fā)改委批復中國地震局的中國地震背景場探測項目立項申請，斜陽島納入了8個海島地震臺建設地點之一， 其地理位置見圖1 所示。 由于斜陽島遠離陸地， 地勢陡峭， 島上未開放旅游活動， 無共公旅游船只通達該島， 前往斜陽島的交通只能從潿洲島臨時租快艇的方式解決。 斜陽島上無電力部門交流供電網(wǎng)絡， 交通運輸、 通信環(huán)境等條件均較差。 因此， 如何綜合考慮各方面因素， 做好斜陽島數(shù)字地震臺（簡稱斜陽島臺）工程設計與建設， 將直接影響到中國地震背景場探測項目廣西測震分項的順利完成[1]。

1 臺址勘選

1.1 臺址環(huán)境條件

根據(jù)開展中國地震背景場探測項目初步設計要求， 2009年5月， 廣西地震局組織技術人員赴斜陽島進行臺址勘選， 綜合考慮臺基巖性、 土建施工、 超短波數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴臈l件， 最終將臺址選定于斜陽島最高山峰羊尾嶺上， 基巖為火山灰?guī)r， 海拔高度120 m， 在該臺址位置正對西北方向的潿洲島具有良好的通視性， 便于采用無線超短波或擴頻微波電臺傳輸觀測數(shù)據(jù)， 斜陽島臺地形及臺址所在位置見圖2、 圖3 和圖4 所示， 其環(huán)境氣象條件見表1。

圖1 斜陽島臺地理位置圖Fig.1 The geographical location map of Xieyang island

1.2 臺基背景噪聲

通常情況下， 由于受海浪影響， 海島地震臺環(huán)境地噪聲水平均較高， 經(jīng)測試， 斜陽島地震臺臺址靜態(tài)地脈動噪聲功率譜密度均方值為4.52×10-7 m/s， 臺基地動噪聲功率譜密度曲線和地動噪聲隨時間分布柱狀圖分別見圖5 和圖6。 根據(jù)地震臺站觀測環(huán)境技術要求， 評定該臺的環(huán)境地噪聲為Ⅳ級水平， 作為架設寬頻帶地震計的海島地震臺站， 基本滿足環(huán)境地噪聲水平不大于Ⅳ級要求。該臺站將成為廣西最南面的一個海島地震臺。 從臺網(wǎng)布局分布看， 有利于與潿洲島地震臺共同形成對北部灣海域地震的有效監(jiān)測， 改善北部灣海域的地震監(jiān)測能力[2-3]。

圖2 斜陽島臺地形及臺址位置圖Fig.2 The topographic map of Xieyang island and location of the station

1.3 數(shù)據(jù)傳輸方式

圖3 斜陽島臺臺基測試現(xiàn)場環(huán)境狀況Fig.3 On-site foundation testing of Xieyang island station

圖4 斜陽島海對面潿洲島Fig.4 Looking towards Weizhou island on Xieyang island

表1 斜陽島氣象和地質條件Table 1 The meteorological and geological conditions of Xieyang island

由于斜陽島遠離陸地， 島上雖然設有中國電信和中國移動公司的基站， 但由于島上環(huán)境條件的限制， 這些基站工作狀態(tài)極不穩(wěn)定， 若采用CDMA 和GPRS 公網(wǎng)傳輸?shù)卣鹩^測數(shù)據(jù)， 較難保證地震臺站實時觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?為此， 我們只能考慮采用自建無線信道的方式解決該臺 “最后一公里” 的數(shù)據(jù)傳輸問題。 考慮到斜陽島臺距潿洲島僅有18 km 左右， 且與 “十五” 期間建設的潿洲島數(shù)字測震臺具有良好的通視條件， 另一方面， 斜陽島距北海市中心距離為65 km（圖7），理論上也存在由斜陽島往北海市的擴頻微波或超短波的通信路由條件。 為此， 我們將斜陽島臺臺址選定在島上較高的位置， 與潿洲島及北海市區(qū)方向均保持有較好的開闊空間。 經(jīng)過實地對斜陽島臺址超短波信道場強儲備測試， 潿洲島或斜陽島到北海臺的信道由于受到北海市區(qū)建筑高樓大廈的阻擋， 無法實現(xiàn)正常通訊； 而由斜陽島臺至潿洲島臺距離較近， 且無任何障礙物阻擋， 無線電場強儲備較高， 完全滿足超短波電臺要求達到的場強值， 測試結果如表2、 表3。

圖5 斜陽島臺基地動噪聲功率譜密密曲線Fig.5 Power spectrum diagram of ground motion noise at Xieyang island station

圖6 斜陽島臺基地動噪聲隨時間分布柱狀圖Fig.6 Time distribution histogram of ground motion noise at Xieyang island station

潿洲島數(shù)字測震臺為 “十五” 中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡項目建設的區(qū)域數(shù)字測震臺站之一， 該臺采用2M 光纖鏈路實時傳輸觀測數(shù)據(jù)， 滿足增加斜陽島臺觀測數(shù)據(jù)后傳輸?shù)膸捫枰?斜陽島臺到潿洲島臺數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡拓撲結構見圖8。

2 臺站土建工程

2.1 施工難點及處理

圖7 斜陽島臺、 潿州島臺及北海臺位置及距離平面圖Fig.7 Distance between Xieyang island station， Weizhou island station and Beihai station on plan

表2 潿洲島臺、 斜陽島臺至北海臺超短波信道場強儲備測試結果Table 2 Testing result of VHF channel field strength from Weizhou island station and Xieyang island station to Beihai station

表3 斜陽島臺至潿洲島臺超短波信道場強儲備測試結果Table 3 Testing result of VHF channel field strength from Xieyang island station to Weizhou island station

圖8 斜陽島-潿洲島數(shù)據(jù)傳輸拓撲圖Fig.8 Xieyang - Weizhou data transition topological graph

在土建施工過程中， 遇到較多的問題和困難，一是材料的運輸問題， 由于從潿洲島到斜陽島未開通公共運輸業(yè)務， 所有的建筑材料均需要先從北海市運至潿洲島， 再從潿洲島租用漁輪轉運至斜陽島， 材料運抵至斜陽島碼頭后， 還需要人工搬運到距碼頭3~4 km 遠、 高程達179 m 的臺站建設點上， 島上能利用到的機械設備最多是一臺手扶拖拉機， 造成建筑材料費用大幅提高； 二是施工人員在島上的用水、 用電等工作生活條件極為困難， 影響施工進度； 三是受季風影響， 海面上風大、 浪高， 尤其是遇到臺風， 對材料運輸和存放都帶來影響。 為盡可能地降低工程造價和及時完成斜陽島土建工程， 項目實施小組成員與施工方精心組織， 做好材料測算， 準備好沙石、 水泥、磚、 鋼筋等建筑材料， 甚至不銹鋼門、 避雷塔、蓄電池、 太陽能電池板等材料集中在潿州島上后，再一次性租用較大的漁船運往斜陽島， 盡可能降低運輸成本。 同時在施工過程中， 避雷塔、 避雷帶與土建同步施工， 合理地安排施工方案， 較好地處理了施工難度與工程進度、 投資成本與質量的關系。

2.2 防潮、 防腐蝕及保溫措施

為滿足地震儀對觀測環(huán)境的溫度與濕度要求，臺站儀器房設計上考慮雙層墻體結構及全密封設計， 外墻墻厚為200 cm、 內墻墻厚為120 cm， 兩墻之間保持70 cm 寬間隔， 見圖9。 設兩道門， 外層為防盜門， 內層為保溫門。 鑒于海島氣候潮濕、腐蝕性強， 為防止長期暴露在外的門窗、 避雷鐵塔、 電臺天線等金屬構件易受到腐蝕， 專門為該臺訂制了一個不銹鋼防盜保溫雙層門， 天線支架和避雷塔均采用了防銹蝕性強的熱鍍鋅鋼材； 天饋線連接處采用了防水膠做好密封處理。

3 供電與避雷系統(tǒng)建設

3.1 太陽能供電系統(tǒng)

圖9 斜陽島臺儀器房墻體結構示意圖Fig.9 Schematic of plant room wall section at Xieyang island station

斜陽島遠離陸地， 無電力部門提供的交流電源， 夜晚， 島上漁民依靠自備發(fā)電機發(fā)電照明，而島上日照強烈， 為使用太陽能供電提供了良好的條件。 按照臺站設備總功耗10 W 計算， 配備320 W 太陽能電池板和400 AH/12V 容量的電瓶即能滿足設備連續(xù)工作需要。 為確保供電系統(tǒng)穩(wěn)定可靠， 電瓶擬選擇、 過放電能力強的鎘鎳堿性蓄電池， 盡管此類電瓶初期建設投入費用較鉛酸蓄電池高一倍以上， 但正常使用年限至少可在15年以上， 后期運行維護管理帶來方便。 表4 給出相近容量鎘鎳堿性電池與密封鉛酸電池性能對比表，由此可見， 堿性鎘鎳電池較鉛酸電池性價比更高，較適合在野外惡劣的環(huán)境條件下使用。

3.2 避雷與接地工程

雷電對臺站觀測設備的危害一般通過兩個途徑： 一是直擊雷， 既雷電直接擊中觀測系統(tǒng)造成設備的損壞， 直擊雷較少發(fā)生， 但其危害性極大，往往對臺站儀器設備造成嚴重的損壞； 二是感應雷， 通過電力線、 信號線、 傳輸線、 天線等感應出很高的電壓進入觀測系統(tǒng)造成設備的損壞。 斜陽島臺采用太陽能供電方式可有效地防止由交流電力線路引入的感應雷， 而防止直擊雷的措施之一則是在站房旁邊架設12 m 高的避雷針， 使房屋處于避雷針最高處往地下30°夾角所覆蓋的范圍內， 如圖10 所示。

接地是避雷工程最重要的技術環(huán)節(jié)， 不管是直擊雷還是感應雷最終的結果是希望將雷電送入大地， 因此， 臺站避雷性能的好壞與接地網(wǎng)的接地電阻有較大的關系， 根據(jù)建筑防雷設計有關規(guī)范， 臺站避雷要考慮建筑物的避雷和儀器設備的避雷， 建筑物接地電阻要求小于10 Ω， 而儀器避雷地網(wǎng)接地電阻不大于4 Ω。 由于地震臺通常選址在具有大面積完整基巖出露的地方， 這往往與地網(wǎng)建設環(huán)境條件要求相矛盾。 地網(wǎng)建設若遠離臺站， 不利于迅速地將雷電流傳導入大地。 為此，盡可能地就近找到合適的地點埋設地網(wǎng)， 若本地土壤電阻率較高， 擬在接地體的周圍填充化學降阻劑和換土等方式以降低土壤的電阻率， 提高接地效果。 若臺站周邊環(huán)境條件不允許單獨埋設建筑物和儀器接地體， 則可共用一個接地體， 但除保證接地體的可靠外， 還應考慮從地網(wǎng)不同點接入引下線[4]。

3.3 設備安裝及試運行

2013年4月， 斜陽島臺觀測儀器設備全部安裝調試完畢， 系統(tǒng)試運行穩(wěn)定正常， 觀測數(shù)據(jù)實時匯集到廣西地震臺網(wǎng)中心， 數(shù)據(jù)連續(xù)率達99%以上。 根據(jù) 《中國地震背景場探測項目測震強震動聯(lián)調與試運行方案》， 2013年11月又進一步完成了斜陽島臺觀測數(shù)據(jù)實時匯集至中國地震臺網(wǎng)中心的聯(lián)調試運行工作。 2014年4月， 中國地震臺網(wǎng)中心批復同意廣西地震背景場探測項目試運行期自2014年4月15日進入試運行， 經(jīng)對該時間段的試運行率統(tǒng)計， 系統(tǒng)運行率更是達到99.8%， 標志著斜陽島海島地震建設任務取得較滿意的實施效果， 系統(tǒng)運行情況表明該臺的各項技術達到設計要求。 斜陽島臺外觀全貌及內部設備安裝見圖11、 圖12。

表4 GN300 鎘鎳堿性電池與GM450 密封鉛酸電池性能比較Table 4 Performance comparison between GN300 Nickel-cadmium alkaline secondary cells and GM450 sealed lead-acid cells

圖10 數(shù)字地震臺站避雷系統(tǒng)構成示意圖Fig.10 Structure map lightning protection system for digital seismic station

4 結語

廣西地震背景場探測項目自2009年實施以來， 廣西地震局黨組高度重視， 嚴格按照中國地震局臺網(wǎng)中心項目辦的部署全力以赴推進該項目建設。 經(jīng)過近幾年努力， 較好地完成有各項建設任務， 尤其是在斜陽島臺建設過程中， 統(tǒng)籌規(guī)劃，克服了征地難度大、 建臺材料運輸成本高、 通信基礎條件差、 海水腐蝕強等困難， 高質量地完成了臺址勘選、 土建、 電氣、 通信和防雷工程及儀器設備安裝調試工作， 中國地震局、 國家海洋局等有關部門的領導和專家在參觀完斜陽島臺后，對斜陽島臺建設的成功經(jīng)驗給予充分的肯定， 成為中國地震背景場探測項目海島臺建設的示范性工程。

圖11 建設成后的斜陽島數(shù)字測震臺全貌Fig.11 Outline of the accomplished Xieyang island digital seismic station

圖12 斜陽島數(shù)字測震臺內部設備安裝情況Fig.12 Interior of Xieyang island digital seismic station

[1] 姚 宏. 廣西區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)建設與發(fā)展[J]. 華南地震， 2011， 31（4）： 29-38．

[2] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB/T 19531.1-2004 地震臺站觀測環(huán)境技術要求第1 部分：測震[S]. 北京： 地震出版社， 2004．

[3] 姚宏. 廣西區(qū)域測震臺網(wǎng)監(jiān)測能力評定[J]. 地震地磁觀測與研究， 2010， 31（1）： 107～113

[4] 郭德順， 楊建安， 葉春明. 強震動觀測臺站防雷措施探討[J]. 華南地震， 2014， 34（2）： 107-114.