雅礱江流域水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用研究

江曉濤 ，柳存喜 ，丁 朋，雷 學(xué)

（1. 中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州省貴陽市 550000；2. 雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川省成都市 610051；3. 成都理工大學(xué)，四川省成都市 610051）

1 雅礱江流域水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)概況

雅礱江流域水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱“流域地震監(jiān)測系統(tǒng)”）共由38個沿江分布的野外測震臺站組成，從布局上看是一個由官地、錦屏、二灘（含桐子林）3個子系統(tǒng)共同組成的流域型臺網(wǎng)[1-4]。因此，它既可對單個庫區(qū)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行重點觀測與研究，又可對流域下游梯級系列水庫，包括錦屏一級、錦屏二級、官地、二灘和桐子林庫區(qū)進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測，整體上實現(xiàn)了資料共享。流域地震監(jiān)測系統(tǒng)在建設(shè)過程中從臺站布局設(shè)計上，充分考慮網(wǎng)緣臺站對相鄰水庫臺網(wǎng)監(jiān)測能力的雙重貢獻(xiàn)，進(jìn)一步提升臺網(wǎng)布局效率、避免重復(fù)投資，同時考慮到定位精度與臺站分布之間的緊密聯(lián)系，特別是網(wǎng)緣地震，其定位精度決定于網(wǎng)外的地震臺站參與分析的權(quán)重大小，因此在建設(shè)過程中，充分兼顧了與周邊省內(nèi)的地震臺站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享的思路理念，既可節(jié)省投資，又有利于增強(qiáng)臺網(wǎng)自身網(wǎng)緣的地震定位能力和精度。流域地震監(jiān)測系統(tǒng)的成功建立，整體上實現(xiàn)了水庫地震流域化監(jiān)測，優(yōu)化了流域各梯級水庫監(jiān)測臺站共享銜接，同時，流域地震系統(tǒng)的建設(shè)在局部上增強(qiáng)了四川省區(qū)域臺網(wǎng)監(jiān)測能力。

2 流域地震監(jiān)測系統(tǒng)布局與規(guī)模

2.1 錦屏水電站水庫地震監(jiān)測子系統(tǒng)

2.1.1 重點監(jiān)測庫區(qū)

錦屏一級水電站，屬深大水庫，《四川雅礱江錦屏水電站地震安全性評價報告》給出了雅礱江錦屏水電站庫區(qū)重點監(jiān)測區(qū)為：①壩前庫段；②巖腳—下落府—蓋地庫段；③臥羅河庫段，如圖1所示。錦屏二級水電站距離錦屏一級水電站7.5km，是一個引水式電站，雖其庫容較小，但作為世界前列的高水頭大裝機(jī)容量水電站，也必須考慮水庫地震等因素。因此，錦屏水電站水庫地震監(jiān)測子系統(tǒng)必須充分兼顧錦屏一級、二級水電站，較為均勻的展布在二者重點監(jiān)測區(qū)內(nèi)。

2.1.2 錦屏水電站水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)布局

根據(jù)重點監(jiān)測區(qū)域，臥羅河庫段周圍布置棉椏、拉沙河、長柏、牦牛山4個臺站，巖腳—下落府—蓋地庫段布置列瓦、項腳、芽祖、棉布埡、白烏5個臺站，通過多個臺站形成的局部臺陣，讓該區(qū)域下限監(jiān)測能力達(dá)到了ML0.5級；考慮到錦屏一、二級電站之間有錦屏斷裂、馬頭山—周家坪斷裂，屬需要加強(qiáng)監(jiān)測的地方，在該區(qū)域布設(shè)木落腳、聯(lián)合、長腳3個臺站，不但可以加強(qiáng)對錦屏斷裂、錦屏Ⅱ級壩址附近區(qū)域的監(jiān)測，同時還擴(kuò)展了壩下的下限監(jiān)測能力（0.5級地震）；為了使錦屏水電站水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱錦屏臺網(wǎng)）的觀測頻帶向低端延伸，加強(qiáng)監(jiān)測區(qū)對中、遠(yuǎn)地震（面波）的觀測，需要適量增加寬頻帶臺，考慮到四川省地震局在木里已經(jīng)建設(shè)有一個寬頻帶臺站，觀測數(shù)據(jù)可以與之共享，因此錦屏臺網(wǎng)不在重新建設(shè)寬頻帶臺站，節(jié)約了建設(shè)成本；由于測震臺網(wǎng)（短周期）中，系統(tǒng)的觀測動態(tài)范圍（最大）對應(yīng)的地震震級大約是5.0級，可以提高臺網(wǎng)的監(jiān)測動態(tài)范圍。錦屏臺網(wǎng)對于加速度臺的臺址考慮，布設(shè)在兩個短周期臺上（與短周期臺同址），即矮子溝和周家坪臺。矮子溝主要是考慮可向錦屏一級大壩提供壩前區(qū)的加速度數(shù)據(jù)；周家坪臺主要是加強(qiáng)對馬頭山—周家坪斷裂的監(jiān)測。

因此，最終形成的雅礱江錦屏水電站（含一級、二級）水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)整體布局是根據(jù)3個重點監(jiān)測區(qū)，充分兼顧錦屏二級樞紐區(qū)水工建筑物，以提高臺網(wǎng)的監(jiān)測能力（下限監(jiān)測能力）為目的展開，臺網(wǎng)布設(shè)充分考慮了與省內(nèi)網(wǎng)緣臺站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，避免重復(fù)投資，同時在設(shè)備布置上又兼顧了庫區(qū)斷裂帶增設(shè)強(qiáng)震臺，為了使臺網(wǎng)的觀測頻帶向低端延伸，加強(qiáng)監(jiān)測區(qū)對中、遠(yuǎn)地震（面波）的觀測，增加寬頻帶臺布置。規(guī)模上，錦屏臺網(wǎng)共布設(shè)20個測震臺站，其臺網(wǎng)分布及其監(jiān)測能力如圖2所示，對比圖1可見，在重點監(jiān)測區(qū)可定位地震震級下限達(dá)ML0.5級，且覆蓋了重點監(jiān)測庫段。

圖1 錦屏水電站重點監(jiān)測庫段Figure 1 Key monitoring reservoir section of Jinping hydropower station

圖2 錦屏水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測能力Figure 2 Jingping reservoir seismic monitoring network and its monitoring capabilities

2.2 二灘、桐子林水電站水庫地震監(jiān)測子系統(tǒng)

2.2.1 二灘、桐子林水電站重點監(jiān)測區(qū)

二灘水電站庫區(qū)存在4個潛在震源區(qū)和誘震危險區(qū)，其中西番田—鱤魚河口誘震區(qū)和南壩潛在震源區(qū)均位于水庫淹沒區(qū)內(nèi)；桐子林水電站屬二灘電站的尾水電站，據(jù)前期調(diào)查報告，水庫誘發(fā)地震的幾率較小，但是其大壩和庫區(qū)地處中強(qiáng)構(gòu)造地震潛在震源區(qū)內(nèi)（昔格達(dá)斷陷盆地北端的頂角區(qū)）。昔格達(dá)—魚鮓潛震源區(qū)屬于中強(qiáng)構(gòu)造地震活動較強(qiáng)烈地區(qū)，且距離二灘、桐子林水庫大壩最近[3]。

2.2.2 二灘、桐子林水電站水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)布局

二灘水電站水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱二灘臺網(wǎng)）由兩個匯集中繼站、7個高倍率遙測地震臺組成，根據(jù)二灘臺網(wǎng)目前的臺站分布及監(jiān)測能力，臺站分為兩個層次布局，其中有三臺坡、貓頭山、大村子、廖家山、青杠林5個遙測地震臺比較均勻展布在大壩附近，形成了一個平均臺距約12km的重點監(jiān)視區(qū)，將距離大壩最近的頭灘斷裂包入網(wǎng)內(nèi)。另兩個高倍率地震臺磨房梁子和燈草坪設(shè)于離大壩較遠(yuǎn)的李明久—史家溝潛在震源區(qū)（即南壩潛在震源區(qū)）附近。桐子林電站投入建設(shè)后，由于桐子林水電站屬二灘電站的尾水電站，因此將桐子林水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱桐子林臺網(wǎng)）的建設(shè)結(jié)合二灘臺網(wǎng)布局開展，做到資源共享，優(yōu)化投資，本著網(wǎng)緣臺站會對相鄰水庫臺網(wǎng)監(jiān)測能力產(chǎn)生雙重貢獻(xiàn)作用這一思路，根據(jù)二灘臺網(wǎng)的布局，在桐子林水電站附近新增觀音壩、新發(fā)和坊田3個臺站，將桐子林潛在震源區(qū)包入最小監(jiān)測能力ML0.5級的范圍內(nèi)，這樣的臺站布局?jǐn)U大了二灘水電站壩下的監(jiān)測范圍，同時解決了由于汛期泄洪嚴(yán)重影響壩下青杠林、廖家山、三臺坡3個地震臺監(jiān)測的情況，這幾個地震臺的加入能夠彌補(bǔ)壩下在泄洪時監(jiān)測能力的不足。二灘、桐子林臺網(wǎng)通過上、下游這兩個梯級水電站水庫臺網(wǎng)的聯(lián)合監(jiān)測，組成了二灘、桐子林水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)資料共享，優(yōu)化投資的目的，更好地為這兩個水庫地震觀測服務(wù)，二灘、桐子林水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測能力如圖3所示。

圖3 二灘、桐子林水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測能力Figure 3 Ertan and Tongzilin reservoir seismic monitoring station network and its monitoring capabilities

2.3 官地水電站水庫地震監(jiān)測子系統(tǒng)

2.3.1 官地水電站重點監(jiān)測區(qū)

根據(jù)《四川雅礱江官地水電站防震抗震研究設(shè)計專題報告》，沿著官地水庫庫區(qū)狹長地帶，展布著一些可能發(fā)生地震的地段，包括距壩址3~7km、10~13km、15~20km 和 28~33km 等可溶巖出露地段，庫區(qū)蓄水后均會被淹沒，直線覆蓋距離3~40km。故官地水電站重點監(jiān)測區(qū)應(yīng)基本沿官地水庫全庫區(qū)展布，直至大壩水工建筑區(qū)，如圖4所示。

圖4 官地水電站重點監(jiān)測庫段Figure 4 Key monitoring section of Guandi hydropower station

2.3.2 官地水電站水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)布局

官地水電站上游回水與錦屏二級水電站尾水相接，直線距離約50km。無論從水電站建設(shè)工期和地域環(huán)境條件看，都具備構(gòu)建錦屏—官地水電站相互共享的水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)資源的現(xiàn)實基礎(chǔ)，因此在臺站布局設(shè)計上，充分考慮網(wǎng)緣臺站對相鄰臺網(wǎng)監(jiān)測能力的雙重貢獻(xiàn)，進(jìn)一步提升臺網(wǎng)布局效率、避免重復(fù)投資，整體分布如圖5所示。官地水電站水庫地震監(jiān)測子系統(tǒng)共布設(shè)8個地震子臺，包括銀廠、白馬、大橋、茶葉、大鹽池、和平子、蔑絲蘿，其中錦屏水電站水庫地震監(jiān)測子系統(tǒng)的里莊、長腳、聯(lián)合、周家坪臺站可以作為官地水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)的共享臺站，極大限度地提高了官地水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測能力，又節(jié)約了成本。這樣的布局思路和布局密度既滿足重點監(jiān)測區(qū)定位精度要求和可定位震級下限要求，又留有合理的余量，保證了臺網(wǎng)必要的監(jiān)測能力，特別是當(dāng)個別臺站處于故障或標(biāo)定狀態(tài)而停計時。

2.4 雅礱江流域水庫地震實時在線監(jiān)測系統(tǒng)布局與規(guī)模

通過錦屏水庫地震監(jiān)測子系統(tǒng)、二灘、桐子林水庫地震監(jiān)測子系統(tǒng)、官地水庫地震監(jiān)測子系統(tǒng)的建設(shè)組成了雅礱

二灘、桐子林水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)共布設(shè)10個測震臺，其中3個地震臺（磨房梁子、貓頭山、坊田）上增設(shè)了強(qiáng)震觀測。通過采用沿斷裂斷裂帶增加強(qiáng)震動監(jiān)測的方式，與微震監(jiān)測共同監(jiān)視庫區(qū)的地震動狀態(tài)，監(jiān)測和記錄大壩及周邊活動性斷裂的基巖動加速度，以提高中強(qiáng)地震的監(jiān)測能力，通過加強(qiáng)庫區(qū)附近基巖場地上強(qiáng)地面運動的監(jiān)測，為確定地震動影響分布和研究強(qiáng)地面運動特性提供基礎(chǔ)資料，彌補(bǔ)中強(qiáng)地震發(fā)生時微震臺網(wǎng)動態(tài)范圍不足，使系統(tǒng)能夠記錄到庫區(qū)范圍內(nèi)完整的中強(qiáng)以上地震波數(shù)據(jù)。同時，增設(shè)的強(qiáng)震觀測又可作大壩結(jié)構(gòu)強(qiáng)震臺陣的補(bǔ)充，監(jiān)測和記錄大壩附近的基巖震動，積累大壩結(jié)構(gòu)動力特性與庫區(qū)水位和大壩服役年限等因素之間關(guān)系的資料。江流域水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)，其數(shù)量由38個野外測震臺站構(gòu)成，平均臺間距為10~15km，使整個下游流域的重點監(jiān)視區(qū)域全部被臺站所覆蓋。流域地震系統(tǒng)從臺站布局上看，是一個由二灘、桐子林、官地、錦屏3個子系統(tǒng)共同組成的流域地震監(jiān)測系統(tǒng)，在技術(shù)系統(tǒng)上是一個完整的地震監(jiān)測系統(tǒng)，獨立性和流域性相結(jié)合。因此，它既可對單個庫區(qū)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行重點觀測與研究，又可服務(wù)于整個流域下游梯級系列電站。雅礱江下游流域水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)38個臺站布局如圖6所示。

圖5 官地水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測能力Figure 5 Guandi reservoir seismic monitoring network and its monitoring capabilities

圖6 雅礱江流域中下游水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測能力Figure 6 Seismic monitoring system of middle and lower reaches of the Yalong river basin and its monitoring capabilities

3 流域地震系統(tǒng)監(jiān)測能力范圍檢驗

流域地震系統(tǒng)在布局設(shè)計上，將庫區(qū)主要斷裂、庫水位荷載中心、大壩及水工建筑物、庫區(qū)周邊城鎮(zhèn)、遙測質(zhì)量高和建設(shè)維護(hù)費用省、系統(tǒng)可靠、提高監(jiān)測區(qū)中、遠(yuǎn)地震的觀測能力等因素綜合考慮在內(nèi)，不僅讓單個水庫重點監(jiān)測區(qū)域地震監(jiān)測下限能力達(dá)到ML0.5級，所構(gòu)成的流域地震監(jiān)測系統(tǒng)在整體布局上也實現(xiàn)了壩址上游 20km和壩址下游5~10km 、水庫兩側(cè)10km及水庫誘發(fā)地震預(yù)測震級上限為3. 0 級以上區(qū)域地震監(jiān)測下限達(dá)到ML0.5級，其他監(jiān)測區(qū)地震監(jiān)測下限達(dá)到ML1.0級的技術(shù)要求，如圖7所示。流域地震系統(tǒng)的成功建立在局部上增強(qiáng)了四川省監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測能力，提高了四川省“川滇菱形斷塊”主要斷裂區(qū)域涉及的甘孜西北、道孚、康定、石棉、冕寧、西昌、德昌、會理、理塘、德巫、麥地龍，卡拉等地區(qū)監(jiān)測能力[5]，使之監(jiān)測能力下限也達(dá)到了ML0.5級。

圖7 臺網(wǎng)ML0.5級地震監(jiān)測能力檢驗Figure 7 Seismic monitoring capability of the ML0.5 earthquake on the platform

為了驗證流域地震監(jiān)測系統(tǒng)臺站布局合理化及其實際監(jiān)測能力是否達(dá)到理論監(jiān)測能力的水平[6-9]，分別選取各監(jiān)測區(qū)的地震（錦屏監(jiān)測范圍：25.5~29.5, 100.5~103；二灘監(jiān)測范圍26.8~27.8,101.7~102.1；桐子林監(jiān)測范圍：26.5~26.8,101.7~101.9；官地監(jiān)測范圍：27.8~28.7, 101.7~102.1）共計803個ML1.5級以下地震事件，通過地震在理論監(jiān)測能力底圖上的分布區(qū)域，識別不同震級的地震所在監(jiān)測能力區(qū)段控制范圍，由此可以確定臺網(wǎng)的實際監(jiān)測能力是否達(dá)到理論監(jiān)測能力，其中0.0＜ML≤0.5震級段，選擇298個地震；0.5＜ML≤1.0震級段，選擇273個地震；1.0＜ML≤1.5震級段，選擇232個地震。圖7是震級范圍在0.0＜ML≤0.5級之間的地震分布圖，圖中可以看到各監(jiān)測區(qū)域地震成不均勻分布，大部分地震都落在各自ML0.5級重點監(jiān)測范圍以內(nèi)，也有部分地震落在ML0.5級監(jiān)測范圍外，這說明臺網(wǎng)實際監(jiān)測能力大于理論監(jiān)測能力的，滿足重點監(jiān)測區(qū)的監(jiān)測能力達(dá)到近震震級ML0.5級的設(shè)計要求。

如圖8所示是震級范圍在0.5＜ML≤1.0級之間的地震分布圖，顯示大多數(shù)地震落在ML1.0級監(jiān)測范圍內(nèi)，少數(shù)分布在ML1.0至ML1.2級監(jiān)測區(qū)間內(nèi)；1.0＜ML≤1.5震級段的地震大多集中分布在ML1.4級監(jiān)測范圍內(nèi)（如圖9所示），可以看出ML1.5以內(nèi)的地震監(jiān)測控制地區(qū)都可以很好地控制ML1.4級地震，實際監(jiān)測能力完全達(dá)到或優(yōu)于理論監(jiān)測能力，符合《水庫地震監(jiān)測技術(shù)要求》[10]中所提到的水庫臺網(wǎng)監(jiān)測能力達(dá)到近震震級ML1.5級的要求。

圖8 臺網(wǎng)ML1.0級地震監(jiān)測能力檢驗Figure 8 Seismic monitoring capability of the ML1.0 earthquake on the platform

圖9 臺網(wǎng)ML1.5級地震監(jiān)測能力檢驗Figure9 Seismic monitoring capability of the ML1.5 earthquake on the platform

4 結(jié)束語

（1）流域地震監(jiān)測系統(tǒng)著眼流域全局戰(zhàn)略開發(fā)，實行流域規(guī)劃，優(yōu)化資源，節(jié)約成本，分步實施，系統(tǒng)開展，整體上實現(xiàn)了水庫地震流域化監(jiān)測。整個系統(tǒng)在建設(shè)過程中秉承獨立性和流域性相結(jié)合，各個水電站地震監(jiān)測系統(tǒng)是一個相對獨立的單元，既能夠滿足本水庫區(qū)域地震監(jiān)測要求的完整體系，又兼顧了上下游梯級水電站的銜接，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)處理集中與地震成果共享，做到資源共享，避免重復(fù)建設(shè)。

（2）流域地震系統(tǒng)在建設(shè)過程中，為了使觀測頻帶向低端延伸，加強(qiáng)監(jiān)測系統(tǒng)對中、遠(yuǎn)地震（面波）的觀測，增設(shè)了寬頻帶臺，通過采用沿斷裂斷裂帶增加強(qiáng)震動監(jiān)測的方式，與微震監(jiān)測共同監(jiān)視庫區(qū)的地震動狀態(tài)，彌補(bǔ)中強(qiáng)地震發(fā)生時微震臺網(wǎng)動態(tài)范圍不足，使系統(tǒng)能夠記錄到庫區(qū)范圍內(nèi)完整的中強(qiáng)以上地震波數(shù)據(jù)，同時，增設(shè)的強(qiáng)震觀測又可作大壩結(jié)構(gòu)強(qiáng)震臺陣的補(bǔ)充，監(jiān)測和記錄大壩附近的基巖震動。規(guī)模上，沿江分布的38個野外測震臺站，臺間距10~15km，其布局密度，保證了個別臺站處于故障或標(biāo)定狀態(tài)而停計時，留有合理的余量，確保臺網(wǎng)必要的監(jiān)測能力。

（3）雅礱江流域水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了庫區(qū)主要斷裂、庫水位荷載中心、大壩及水工建筑物、庫區(qū)周邊城鎮(zhèn)等重要地區(qū)監(jiān)測能力下限達(dá)到ML0.5級的設(shè)計規(guī)范要求，布局合理性得到檢驗。流域地震系統(tǒng)建立后，從局部增強(qiáng)了四川省“川滇菱形斷塊”主要斷裂涉及地區(qū)監(jiān)測能力，使之監(jiān)測能力下限也達(dá)到了ML0.5級，流域地震監(jiān)測系統(tǒng)目前也成為四川省級區(qū)域臺網(wǎng)的重要補(bǔ)充，二者結(jié)合極大地增強(qiáng)了四川省地區(qū)地震監(jiān)測能力，為四川省的防震減災(zāi)事業(yè)做出了一定的貢獻(xiàn)。