雅礱江流域下游梯級水庫地震臺網(wǎng)監(jiān)測能力驗證

褚孝遠， 韓 進， 杜 瑤， 景 晟

（四川省地震局， 成都 610041）

0 引言

雅礱江流域下游梯級水庫包含錦屏一級、 錦屏二級、 官地、 二灘和桐子林5 級。 其中， 錦屏一級、 二灘兩大水庫是雅礱江上的控制性水庫， 官地、 錦屏二級、 桐子林水庫與兩大控制性水庫聯(lián)合運行， 提高了水庫運行的質(zhì)量。 5 級水庫總庫容達144 億m3， 設(shè)計裝機容量高達1 430 萬千瓦， 約占流域規(guī)劃總發(fā)電量的50% 。

雅礱江流域下游梯級水庫誘發(fā)地震監(jiān)測系統(tǒng)由38個野外測震臺、 7個中轉(zhuǎn)匯集站及1個流域水庫誘發(fā)地震監(jiān)測中心組成， 技術(shù)系統(tǒng)是由固定地震臺站子系統(tǒng)、 地震數(shù)據(jù)匯集中繼子系統(tǒng)和地震數(shù)據(jù)收集處理子系統(tǒng)三個主要部份組成。 固定地震臺站系統(tǒng)通過有線或無線方式將數(shù)字信號從臺站傳送至地震數(shù)據(jù)匯集中繼系統(tǒng)或直接傳送到臺網(wǎng)記錄中心； 匯集中繼子系統(tǒng)則是將接收到的臺站數(shù)據(jù)進行匯集， 通過有線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳回記錄中心； 地震數(shù)據(jù)收集處理子系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)收集、 檢查、 存儲、 交換與處理等功能， 它與地震數(shù)據(jù)收集處理子系統(tǒng)之間通過直接或經(jīng)地震數(shù)據(jù)匯集中繼子系統(tǒng)實現(xiàn)通信。 雅礱江流域下游梯級水庫誘發(fā)地震監(jiān)測系統(tǒng)多數(shù)地震臺站采用有線或衛(wèi)星傳輸方式直接將數(shù)據(jù)傳回記錄中心，僅有少數(shù)地震臺站采用無線超短波中繼方式進行數(shù)據(jù)傳輸。

其中， 錦屏一、 二級和官地水庫為新建水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)， 二灘水庫為對原水庫地震模擬監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)字化改造， 桐子林水庫是在結(jié)合并共享二灘地震監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新建。 本文通過臺基噪聲水平計算和震級頻度對數(shù)分布法兩種方式對梯級水電站地震監(jiān)測系統(tǒng)進行了監(jiān)測能力驗證。

1 監(jiān)測能力驗證方法

近年來， 隨著水庫數(shù)字地震監(jiān)測臺網(wǎng)的不斷建設(shè)， 臺網(wǎng)監(jiān)測能力的估算和驗證也是其中的重要內(nèi)容。 監(jiān)測能力的估算和驗證目前主要有通過臺基噪聲水平、 臺站布局、 儀器系統(tǒng)技術(shù)指標的估算法和引用古登堡-里克特地震震級頻度分布驗證法[1]、 紫坪鋪水利樞紐水庫誘發(fā)地震監(jiān)測預(yù)測系統(tǒng)總體技術(shù)設(shè)計、 瀑布溝水庫誘發(fā)地震監(jiān)測預(yù)測系統(tǒng)總體設(shè)計報告、 武都水利樞紐工程水庫數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)布局設(shè)計[2]。 水庫誘發(fā)地震監(jiān)測臺網(wǎng)地震監(jiān)測能力評估[3]都通過相關(guān)工作成果對上述方法進行了敘述和應(yīng)用。

2 水庫誘發(fā)地震重點監(jiān)視區(qū)的確定和監(jiān)測能力要求

2.1 錦屏一、 二級重點監(jiān)視區(qū)

2.1.1 錦屏一級重點監(jiān)視區(qū)

根據(jù) 《雅礱江錦屏水電站水庫誘發(fā)地震監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)設(shè)計報告》①四川賽思特科技有限責任公司. 雅礱江錦屏水電站水庫誘發(fā)地震監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)設(shè)計報告， 2009.成果， 給出了雅礱江錦屏一級水電站庫區(qū)可能發(fā)生誘發(fā)地震區(qū)為： 壩前庫段； 巖腳-下落府-蓋地庫段； 臥羅河庫段。 在水庫誘發(fā)地震監(jiān)測臺網(wǎng)的設(shè)計中， 上述3 段確定為重點監(jiān)視區(qū)。

2.1.2 錦屏二級重點監(jiān)視區(qū)

按照 《雅礱江錦屏水電站水庫誘發(fā)地震監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)設(shè)計報告》②四川賽思特科技有限責任公司. 官地水電站地震監(jiān)測臺網(wǎng)布設(shè)優(yōu)化及技術(shù)設(shè)計報告， 2009.的成果， 在水庫誘發(fā)地震監(jiān)測臺網(wǎng)的設(shè)計中， 從該水電站位于青藏地震區(qū)的鮮水河-滇東地震帶， 該帶地震活動強烈， 頻度高、 強度大這一特點， 以及一級和二級電站間有一系列規(guī)模宏大洞群實際的情況， 把整個洞群和壩區(qū)均設(shè)置成重點監(jiān)視區(qū)。

2.2 官地重點監(jiān)視區(qū)

按照 《官地水電站地震監(jiān)測臺網(wǎng)布設(shè)優(yōu)化及技術(shù)設(shè)計報告》③四川賽思特科技有限責任公司. 二灘水電站地震監(jiān)測臺網(wǎng)數(shù)字化改造總體設(shè)計報告， 2009.的成果， 官地水庫為高山峽谷型， 庫長58 km， 庫盆主要為碎屑巖、 玄武巖及灰?guī)r， 產(chǎn)狀總體近SN 向傾W， 傾角70°～80°， 其中可溶巖分布面積約占60%。 在巴折、 周家坪一帶有區(qū)域性小高山、 周家坪斷裂通過。 誘發(fā)水庫地震主要距壩址3～49 km 中的6個地段。 因此， 在地震監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中， 把庫壩區(qū)至周家坪庫段，確定為重點監(jiān)視區(qū)。

2.3 二灘和桐子林重點監(jiān)視區(qū)

2.3.1 二灘重點監(jiān)視區(qū)

按照 《二灘水電站地震監(jiān)測臺網(wǎng)數(shù)字化改造總體設(shè)計報告》③四川賽思特科技有限責任公司. 二灘水電站地震監(jiān)測臺網(wǎng)數(shù)字化改造總體設(shè)計報告， 2009.的成果， 二灘水庫地震臺網(wǎng)由于是在原臺網(wǎng)基礎(chǔ)上的改造， 其決定監(jiān)測能力的臺址和布局就已經(jīng)確定， 即以庫壩區(qū)為重點監(jiān)視區(qū)。

2.3.2 桐子林重點監(jiān)視區(qū)

按照 《二灘水電站地震監(jiān)測臺網(wǎng)數(shù)字化改造總體設(shè)計報告》 的成果， 將桐子林水庫誘發(fā)地震重點監(jiān)視區(qū)與二灘重點監(jiān)視區(qū)相結(jié)合， 形成互補，在設(shè)計中， 桐子林水庫整個庫區(qū)被設(shè)計為重點監(jiān)視區(qū)。

2.4 監(jiān)測能力要求

遵循《水利水電工程區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性勘察技術(shù)規(guī)程》（DL/T5335-2006）、 《水利水電工程地質(zhì)觀測規(guī)程》（SL245-1999）、 《中國數(shù)字地震臺網(wǎng)技術(shù)規(guī)程》等[4-8]有關(guān)行業(yè)規(guī)程規(guī)范和《雅礱江流域中下游水庫誘發(fā)地震監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計報告》要求， 水庫誘發(fā)地震監(jiān)測系統(tǒng)重點監(jiān)視區(qū)內(nèi)， 可定位震級下限為ML≥0.5 級。

為了保證在重點監(jiān)視區(qū)內(nèi)的監(jiān)測能力， 在錦屏重點監(jiān)視區(qū)內(nèi)增設(shè)的臺站不但可以加強對錦屏斷裂和壩址附近區(qū)域的監(jiān)測， 同時還擴展了壩下的下限監(jiān)測能力。 在官地級重點監(jiān)視區(qū)內(nèi)可共享錦屏監(jiān)測臺網(wǎng)的6個臺站， 共同構(gòu)成對官地水電站重點監(jiān)視區(qū)有監(jiān)測能力貢獻的官地地震監(jiān)測臺網(wǎng)。

3 監(jiān)測能力驗證

雅礱江下游梯級水庫地震監(jiān)測臺網(wǎng)監(jiān)測能力的特點在于梯級。 在臺站布設(shè)時， 不僅要考慮單個水庫監(jiān)測重點的需要， 還要考慮上下游水庫之間的監(jiān)測臺站的共享， 滿足梯級各水庫監(jiān)測重點的需要， 以節(jié)省資源。 因此， 要驗證梯級水庫的監(jiān)測能力， 首先對各梯級水庫重點監(jiān)視區(qū)和監(jiān)測能力要求敘述如下。

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、 儀器系統(tǒng)技術(shù)指標以及地震衰減因子等因素。 當儀器系統(tǒng)確定后， 臺網(wǎng)地震監(jiān)測能力， 主要由臺站實際記錄的臺基噪聲水平與臺站布局決定。 臺網(wǎng)監(jiān)測能力估算的主要方法有基于臺基噪聲水平的理論估算法和基于古登堡-里克特地震震級頻度對數(shù)線性分布曲線法。

3.1 地震監(jiān)測系統(tǒng)的主要地震學(xué)指標

（1）觀測項目種類： 三分向短周期微震速度觀測；

（2）觀測頻帶； 2 S～40 Hz；

（3）臺基噪聲的速度有效值（RMS）， 在短周期頻段， 低于1×10-7m/s；

（4）分辨率： 2-23；

（5）重點監(jiān)視區(qū)內(nèi)， 可定位震級下限為ML≥0.5 級。

3.2 臺基噪聲水平估算法

選取每個臺站連續(xù)48 h 地脈動波形數(shù)據(jù)， 通過預(yù)處理， 將干擾和地震事件剔除， 再根據(jù)臺站分布和臺站環(huán)境地噪聲值來實際計算臺網(wǎng)監(jiān)測能力。 設(shè)當S 波振幅大于臺基干擾背景2 倍時， 可有效地識別地震事件。 將至少有4個以上地震臺監(jiān)測到同一地震， 確定為能定位地震[2，9]， 作為觀測系統(tǒng)能分辨的最低下限地動速度， 劃定臺網(wǎng)對該震級地震的監(jiān)測區(qū)域。 應(yīng)用近震震級ML的計算公式。

式（1）中， Au為臺站位置的體波最大位移， 單位為微米； R（Δ）為量規(guī)函數(shù)； S 為臺基校正， 這里令S=0。

式（2）中， AV為臺站位置的體波最大速度值， T 為最大速度時的周期。

對于最大速度時的周期T[2]， 取0.2 s 為水庫地震優(yōu)勢周期[3]。 這里設(shè)定T 取0.2 s。 據(jù)此理論計算作圖， 得到雅礱江流域下游梯級水庫誘發(fā)地震監(jiān)測系統(tǒng)地震監(jiān)測能力圖。 對照圖表明， 經(jīng)理論計算， 雅礱江流域下游梯級水庫誘發(fā)地震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測能力要滿足梯級水庫的重點監(jiān)視區(qū)需要。

3.3 震級頻度對數(shù)分布法

雅礱江流域下游梯級水庫誘發(fā)地震監(jiān)測系統(tǒng)的重點監(jiān)視區(qū)地震監(jiān)測能力， 是否達到可定位震級下限為ML≥0.5 級的實際值， 還可利用臺網(wǎng)監(jiān)測區(qū)域?qū)嶋H觀測到的已定位地震， 引用古登堡-里克特地震震級頻度的對數(shù)服從線性分布來驗證[1]。

圖1 監(jiān)測臺網(wǎng)重點監(jiān)測區(qū)示意及監(jiān)測能力估算對比圖Fig.1 The schematic and comparison chart of estimated monitoring capability of key monitoring areas of monitoring network

式（3）中， N 為震級大于或等于M 的地震累積頻度， a 和b 為常數(shù)。 古登堡-里克特關(guān)系式， 反映了某一區(qū)域地震震級與頻度的關(guān)系。 該關(guān)系式指出地震頻度隨震級的增加按指數(shù)規(guī)律減小， 表明在自然界所發(fā)生地震中， 小于某震級的地震事件數(shù)的自然對數(shù)與震級呈線性關(guān)系， 而在小震級端， 由于觀測能力的限制， 會出現(xiàn)地震缺失現(xiàn)象，表現(xiàn)在震級頻度關(guān)系上， 地震震級頻度對數(shù)曲線在小震級端會發(fā)現(xiàn)震級低于某個值時， 實際觀測記錄的地震數(shù)目與擬合直線發(fā)生明顯偏離， 即實際觀測記錄的地震數(shù)目低于擬合直線應(yīng)有的地震數(shù)目， 這表明臺網(wǎng)不能完全觀測到該區(qū)域內(nèi)低于此震級的小震而有所遺漏， 此偏離點則定為臺網(wǎng)可定位震級的下限。 此擬合的前提是臺網(wǎng)應(yīng)有足夠長的觀測時間， 以有足夠多的震例進行擬合。一般而言， 震例達數(shù)百個時， 擬合較為準確。

下面分別從錦屏、 官地庫區(qū)與二灘、 桐子林庫區(qū)兩個監(jiān)測區(qū)域， 利用2011年8月2日至2012年2月1日期間， 記錄的地震分別進行古登堡-里克特地震震級頻度曲線擬合驗證。

在錦屏、 官地水庫監(jiān)測區(qū)域（北緯27.4°～28.7°， 東經(jīng)100.8°～102.2°）， 試運行與考核運行期間， 記錄到0.1～4.0 級地震229 次， 擬合logN-M直線， 得：

該直線用實線繪于圖2 中（圖中數(shù)據(jù)為： a=2.620 3， b=0.643 2， R=-0.988 9， 震級ML范 圍0.0～4.0）， 實線旁的小園點為實測統(tǒng)計值， 可見當≥0.5 級時， 實測值以直線為軸心分散在其兩側(cè)，而ML<0.5 級時， 實測數(shù)明顯低于擬合直線。 不難驗證ML0.5 級為擬合直線的符合較好的低震級點。

在二灘、 桐子林水庫監(jiān)測區(qū)域（北緯26.5°～27.4°， 東經(jīng)101.4°～102.2°）， 試運行與考核運行期間， 記錄0.2 級～2.6 級地震34 次， 擬合logN-M直線， 得：

該直線用實線繪于圖3 中（圖中數(shù)據(jù)為： a=1.783 7， b=0.516 5， R=-0.933 2， 震級M 范圍0.0～2.6）， 實線旁的小原點為實測統(tǒng)計值， 可見當ML≥0.5 級時， 實測值以直線為軸心分散在其兩側(cè)，而ML<0.5 級時， 實測數(shù)明顯低于擬合直線。 不難驗證0.5 級為擬合直線的符合較好的低震級點。

4 結(jié)論

采用臺網(wǎng)實際觀測噪聲計算和古登堡-里克特地震震級頻度曲線擬合兩種方法， 對雅礱江流域下游梯級水庫重點監(jiān)測區(qū)的監(jiān)測能力進行計算和驗證， 其結(jié)果是：

圖2 錦屏、 官地水庫監(jiān)測區(qū)域logN-M 圖Fig2 The logN-M diagrams for monitoring area at Jinping, Guandi hydropower station

圖3 二灘、桐子林水庫監(jiān)測區(qū)域logN-M 圖Fig3 The logN-M diagrams for Monitoring area at Ertan, Tongzilin hydropower station

地震監(jiān)測系統(tǒng)在雅礱江流域下游梯級水庫重點監(jiān)測區(qū)域內(nèi)， 可定位地震震級下限達ML0.5 級，達到系統(tǒng)總體設(shè)計要求。

理論計算表明：

地震監(jiān)測系統(tǒng)對于ML=1.0 級的監(jiān)測能力基本覆蓋雅礱江流域下游梯級水庫主要水庫區(qū)域。

地震監(jiān)測系統(tǒng)對于ML=1.5 級的監(jiān)測能力覆蓋雅礱江流域下游梯級水庫全部水庫區(qū)域。

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