碩曲河去學(xué)水電站地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)建設(shè)及應(yīng)用

王宇璽，丁 勇，趙 昱

（四川省地震局，四川 成都610041）

由于人類(lèi)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水庫(kù)的依賴(lài)性，全世界水庫(kù)的建設(shè)速度不斷加快，數(shù)量激增，而且出現(xiàn)巨型、流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)和復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)建設(shè)的水庫(kù)（毛玉平等，2007）。水庫(kù)蓄水后，其巨大的水壓和滲透能力會(huì)改變水庫(kù)周?chē)牡刭|(zhì)和應(yīng)力環(huán)境，容易導(dǎo)致已有斷層的復(fù)活，從而誘發(fā)地震。觀測(cè)研究表明，部分水庫(kù)蓄水后，庫(kù)區(qū)的地震活動(dòng)水平和活動(dòng)特征都與蓄水前有明顯的差異，尤其是高壩大庫(kù)，蓄水后常伴有地震異?；顒?dòng)（楊松文，2010）。而且大型水庫(kù)蓄水和放水作業(yè)還可能影響庫(kù)區(qū)周?chē)^大范圍的原有平衡狀態(tài)（包括應(yīng)力狀態(tài)和介質(zhì)狀態(tài)），從而有可能加速庫(kù)區(qū)附近斷層的應(yīng)力積累進(jìn)程并觸發(fā)大震（Rice et al，1976；Bell et al，1978）。因此，建立專(zhuān)用水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)能提高水電站地震監(jiān)測(cè)能力，實(shí)時(shí)捕捉庫(kù)區(qū)有影響的地震活動(dòng)。

四川碩曲河去學(xué)水電站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“去學(xué)水電站”）位于定曲河的最大支流碩曲河干流上，水庫(kù)庫(kù)區(qū)位于四川省甘孜藏族自治州（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“甘孜州”）得榮縣與云南省迪慶藏族自治州（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“迪慶州”）香格里拉縣境內(nèi)。去學(xué)水電站庫(kù)容和規(guī)模雖不是很大，但其所處區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜，地處中國(guó)大陸最主要的強(qiáng)震活動(dòng)區(qū)之一——川滇菱形塊體西邊界（吳微微等，2015）。區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要以SN向和NW向的斷裂構(gòu)造為主；復(fù)雜的構(gòu)造環(huán)境和地形地貌，也使得該地區(qū)的水庫(kù)建設(shè)存在誘發(fā)水庫(kù)地震的可能性（王宇璽，2019）。按照《中華人民共和國(guó)防震減災(zāi)法》和《四川省水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)規(guī)定》的有關(guān)規(guī)定和要求，為保證工程運(yùn)行安全和穩(wěn)定庫(kù)區(qū)人民群眾正常的生產(chǎn)、生活秩序，減輕地震災(zāi)害損失，在進(jìn)行大壩結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)開(kāi)展去學(xué)水電站水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)，以提高庫(kù)區(qū)及周邊地區(qū)的地震監(jiān)測(cè)能力、地震突發(fā)事件的快速響應(yīng)能力和地震數(shù)據(jù)信息的共享與服務(wù)能力，保障水庫(kù)的正常運(yùn)行。本文從地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境、臺(tái)網(wǎng)設(shè)計(jì)、臺(tái)址勘選測(cè)試、臺(tái)站技術(shù)系統(tǒng)和地震監(jiān)測(cè)等方面闡述去學(xué)水電站的臺(tái)網(wǎng)建設(shè)及其應(yīng)用。

1 臺(tái)網(wǎng)設(shè)計(jì)

去學(xué)水電站庫(kù)區(qū)及其附近區(qū)域主要斷裂為近SN向的金沙江斷裂帶和NW向的德欽—中甸—大具斷裂。大壩蓄水前，近區(qū)域發(fā)生的顯著地震為2013年8月28日、8月31日香格里拉、得榮M5.1、M5.9雙震，震中距離水庫(kù)壩址區(qū)約30 km（見(jiàn)圖1）。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造和當(dāng)?shù)赝ㄓ崱⒐╇?、交通、看護(hù)及施工條件等情況，對(duì)庫(kù)區(qū)內(nèi)擬選臺(tái)站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘；再按照《水利水電工程地質(zhì)觀測(cè)規(guī)程》（SL 245—2013）（中華人民共和國(guó)水利部，2013）相關(guān)規(guī)定：重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)庫(kù)段地震監(jiān)測(cè)能力應(yīng)滿足ML≥0.5，震中定位精度應(yīng)優(yōu)于1 km；結(jié)合去學(xué)庫(kù)區(qū)地震監(jiān)測(cè)目的，最后確定去學(xué)水電站地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)規(guī)模為4個(gè)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)，平均臺(tái)距約10 km，其中2個(gè)位于四川省甘孜藏族自治州得榮縣境內(nèi)，2個(gè)臺(tái)位于云南省迪慶州境內(nèi)，臺(tái)站分布見(jiàn)圖1。

圖1 去學(xué)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站分布

2 勘選測(cè)試

在臺(tái)址勘選中，除了需要掌握地震臺(tái)站所必要的供電、交通、安全、維護(hù)等工作條件外，還需了解臺(tái)址臺(tái)基（花崗巖、灰?guī)r、沉積巖或變質(zhì)巖等）的動(dòng)力學(xué)特性和臺(tái)基背景噪聲水平以及周?chē)h(huán)境振動(dòng)干擾源的影響情況，這直接決定了地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)能力。所以必須對(duì)臺(tái)址臺(tái)基進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足要求后，才能最終定點(diǎn)建臺(tái)。

臺(tái)基選擇方面，臺(tái)基應(yīng)選擇在無(wú)風(fēng)化、無(wú)破碎夾層、完整、大面積出露的基巖上，巖性要致密堅(jiān)硬，如花崗巖、輝綠巖、石英砂巖或灰?guī)r等，不宜選擇在風(fēng)化層、卵石層和砂土層上。吉里臺(tái)址位于東旺鄉(xiāng)新聯(lián)村委會(huì)吉里組，測(cè)試點(diǎn)地表有完整基巖巖體出露，巖性為花崗巖（圖2a）。色從臺(tái)址位于東旺鄉(xiāng)新聯(lián)村委會(huì)色從組，測(cè)試點(diǎn)地表有完整基巖巖體出露，巖性為灰?guī)r（圖2b）。毛屋臺(tái)址位于古學(xué)鄉(xiāng)毛屋村，測(cè)試點(diǎn)地表有完整基巖巖體出露，巖性為花崗巖（圖2c）。下?lián)砼_(tái)址位于古學(xué)鄉(xiāng)下?lián)泶澹瑴y(cè)試點(diǎn)地表有完整基巖巖體出露，巖性為板巖（圖2d）。

圖2 地震臺(tái)站的臺(tái)基情況

實(shí)地測(cè)試時(shí)應(yīng)選擇基巖出露狀況和周邊環(huán)境較好的點(diǎn)，對(duì)每個(gè)臺(tái)址進(jìn)行24小時(shí)以上連續(xù)記錄，剔除明顯人為干擾部分的波形數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析處理，主要從環(huán)境地噪聲功率譜密度曲線和地噪聲水平兩個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)。

環(huán)境地噪聲功率譜密度曲線評(píng)價(jià)方面，通過(guò)對(duì)儀器記錄的臺(tái)基地脈動(dòng)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，繪制出在一定頻段內(nèi)的臺(tái)基地動(dòng)噪聲功率譜密度曲線圖（如圖3）。圖中NHNM和NLNM分別是J.Peterson（1993）全球地動(dòng)速度高噪聲新模型和低噪聲模型，是衡量一個(gè)地震臺(tái)站臺(tái)基背景噪聲水平的基本標(biāo)準(zhǔn)。從擬選臺(tái)站臺(tái)址測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在短周期地震計(jì)的頻帶通帶范圍內(nèi)，這些臺(tái)站均未見(jiàn)明顯干擾噪聲頻率，噪聲功率均未靠近高噪聲曲線，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖3 臺(tái)基地動(dòng)噪聲功率譜密度曲線

地噪聲水平評(píng)價(jià)方面，在相應(yīng)觀測(cè)頻帶范圍內(nèi)，按公式計(jì)算得到每個(gè)臺(tái)站的rms值，即地噪聲水平（如表1）。根據(jù)《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求》（GB／T 19531.1—2004）（中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2004），使用速度型或加速度型地震儀記錄觀測(cè)并記錄地噪聲時(shí)，環(huán)境地噪聲水平Enl可分為五個(gè)等級(jí)：Ⅰ級(jí)環(huán)境地噪聲水平：Enl＜3.16×10-8m／s；Ⅱ級(jí)環(huán)境地噪聲水平：3.16×10-8m／s≤Enl＜1.00×10-7m／s；Ⅲ級(jí)環(huán)境地噪聲水平：1.00×10-7m／s≤Enl＜3.16×10-7m／s；Ⅳ級(jí)環(huán)境地噪聲水平：3.16×10-7m／s≤Enl＜1.00×10-6m／s；Ⅴ級(jí)環(huán)境地噪聲水平：1.00×10-6m／s≤Enl＜3.16×10-6m／s。

根據(jù)中國(guó)大陸背景噪聲區(qū)域劃分（《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求》，2004），四川和云南屬于B類(lèi)地區(qū)，應(yīng)滿足Ⅲ級(jí)環(huán)境地噪聲水平，從表1可以看出，在測(cè)試的4個(gè)臺(tái)站中，臺(tái)址的背景噪聲均能達(dá)到Ⅲ級(jí)或以上水平，滿足《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求》（GB／T 19531.1—2004）對(duì)臺(tái)址背景噪聲的要求。其中毛屋、下?lián)韮蓚€(gè)Ⅲ級(jí)臺(tái)均位于電站施工區(qū)域，在電站建成后施工作業(yè)減少，臺(tái)址應(yīng)能夠達(dá)到Ⅱ級(jí)水平。

表1 臺(tái)基噪聲測(cè)試結(jié)果及臺(tái)基類(lèi)型 單位：m／s

3 臺(tái)站技術(shù)系統(tǒng)

臺(tái)站技術(shù)系統(tǒng)的任務(wù)是完成地動(dòng)信號(hào)的拾取、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和發(fā)送，系統(tǒng)按其功能可分為地震觀測(cè)與存儲(chǔ)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和供電系統(tǒng)，臺(tái)站技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。臺(tái)站地震觀測(cè)系統(tǒng)由地震計(jì)和地震數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成。地震計(jì)選用GLCS2型三分向一體電子反饋型短周期地震計(jì)，其監(jiān)測(cè)頻帶為2 s～40 Hz，靈敏度可達(dá)2 000 v／（m／s），雙端平衡輸出；地震數(shù)據(jù)采集器型號(hào)為EDAS-24GN，其具有標(biāo)準(zhǔn)以太接口、RS232串行口，配置有8GCF卡，支持GPS和北斗授時(shí)系統(tǒng)功能和地震數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。臺(tái)站數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)依據(jù)當(dāng)?shù)赝ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)接入條件，利用CDMA為廣域信道和VPDN虛擬撥號(hào)專(zhuān)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，所有數(shù)據(jù)傳輸基于TCP／IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了IP到儀器和臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)化。在此種臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，臺(tái)站數(shù)據(jù)采集器和CDMA數(shù)據(jù)傳輸終端采用全臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃和分配的固定內(nèi)網(wǎng)IP地址。臺(tái)站供電均采用太陽(yáng)能浮充蓄電池供電方式，每個(gè)臺(tái)站由6×80 W太陽(yáng)能電池板和5只12 v／100 Ah蓄電池等組成太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，能夠?yàn)榕_(tái)站提供持續(xù)不斷的電能保證。臺(tái)站配置的設(shè)備種類(lèi)分為地震監(jiān)測(cè)專(zhuān)用設(shè)備和通用設(shè)備兩種，地震監(jiān)測(cè)專(zhuān)用設(shè)備嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配備，如：地震數(shù)據(jù)采集器、地震計(jì)。對(duì)于通用設(shè)備，既要考慮設(shè)備的先進(jìn)性，又要注重設(shè)備的成熟性和穩(wěn)定性，如：路由器、充電控制器等。去學(xué)水電站地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站設(shè)備配置見(jiàn)表2。

表2 去學(xué)水電站地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站設(shè)備配置表

圖4 地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖

4 臺(tái)網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)與應(yīng)用

去學(xué)水電站地震臺(tái)網(wǎng)的技術(shù)系統(tǒng)（見(jiàn)圖5）主要由地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。成。地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是安裝于野外的測(cè)震臺(tái)站，其主要功能為記錄去學(xué)庫(kù)區(qū)及網(wǎng)緣范圍內(nèi)地震事件的連續(xù)波形觀測(cè)數(shù)據(jù)；地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)則安裝于臺(tái)網(wǎng)中心，主要功能是對(duì)發(fā)生在庫(kù)區(qū)的地震事件進(jìn)行及時(shí)分析處理，為震后迅速得出評(píng)估意見(jiàn)和合理處置震情事件提供決策依據(jù)。地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在去學(xué)水電站水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)中心，可以基于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、流服務(wù)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)，為用戶提供各種類(lèi)型的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與其它數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)交換與共享，達(dá)到為地震監(jiān)測(cè)及科研提供數(shù)據(jù)服務(wù)的目標(biāo)。

圖5 臺(tái)網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)

建成后的去學(xué)水電站地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)達(dá)到了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的標(biāo)準(zhǔn)，臺(tái)站布局和臺(tái)站密度確保了庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)滿足編目規(guī)范要求。寬頻帶、大動(dòng)態(tài)、高靈敏度數(shù)字地震觀測(cè)設(shè)備的投入使用，豐富了重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)域內(nèi)觀測(cè)資料的信息量，提高了庫(kù)區(qū)內(nèi)地震數(shù)據(jù)資料的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)發(fā)揮系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中心先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別精度和定位精度大幅度提高；加之專(zhuān)業(yè)的分析處理隊(duì)伍，結(jié)合人機(jī)交互處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)內(nèi)及網(wǎng)緣特別是重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)內(nèi)地震的優(yōu)質(zhì)高效編目，并定期產(chǎn)出目錄相關(guān)報(bào)告。

2016年12月至2017年8月，去學(xué)水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)共監(jiān)測(cè)到ML0.0～2.9地震1 201次，其中ML0.0～0.9地震1 098次，ML1.0～1.9地震97次，ML2.0～2.9地震6次。地震震中分布（見(jiàn)圖6）顯示，地震活動(dòng)主要集中在2個(gè)區(qū)域：一個(gè)沿壩址上游的碩曲河水庫(kù)區(qū)分布，地震主要以震級(jí)小于ML2.0的小震為主，僅2次地震震級(jí)超過(guò)ML2.0，這些地震的產(chǎn)生可能與水庫(kù)的蓄放水有關(guān)；另一個(gè)地震活動(dòng)集中區(qū)分布在德欽—中甸—大具斷裂上，該區(qū)域正好位于2013年8月28日、8月31日香格里拉、得榮M5.1、M5.9雙震的余震區(qū)內(nèi)，表明由于水庫(kù)臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)，提高了該余震區(qū)的監(jiān)測(cè)能力，這些小震可能是這兩個(gè)地震的余震。

圖6 臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力及區(qū)域小震空間分布

5 結(jié)論

建成后的去學(xué)水電站地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，數(shù)字地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站數(shù)量為4個(gè)，由吉里臺(tái)、色從臺(tái)、毛屋臺(tái)、下?lián)砼_(tái)組成，臺(tái)站分布在水電站壩下和庫(kù)壩區(qū)內(nèi)，組網(wǎng)孔徑為NS10 km×EW16 km，臺(tái)站布局和臺(tái)站密度能夠保證重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)域內(nèi)有較高的定位精度和較低的震級(jí)下限。該臺(tái)網(wǎng)可監(jiān)測(cè)去學(xué)水電站庫(kù)壩區(qū)內(nèi)ML≥1.0的地震，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)地震監(jiān)測(cè)能力可達(dá)ML≥0.5，滿足《水電水利工程區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性勘察技術(shù)規(guī)程》（DL／T 5335—2006）（中華人民共和國(guó)發(fā)展和改革委員會(huì)，2006）要求。碩曲河去學(xué)水電站地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)工程的建設(shè)完成，標(biāo)志著流域水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，使去學(xué)庫(kù)區(qū)及周邊地區(qū)的地震監(jiān)測(cè)能力、地震突發(fā)事件的快速響應(yīng)能力和地震數(shù)據(jù)信息的共享與服務(wù)能力得到整體提升，為防震減災(zāi)決策提供技術(shù)支持，同時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)捕捉對(duì)庫(kù)區(qū)有影響的地震活動(dòng)，保障了水庫(kù)的安全運(yùn)維。

致謝：碩曲河去學(xué)水電站地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)工程項(xiàng)目的順利完成，得到了四川省地震局、甘孜藏族自治州得榮縣應(yīng)急管理局、甘孜藏族自治州得榮縣古學(xué)鄉(xiāng)鄉(xiāng)政府和大唐香電得榮電力開(kāi)發(fā)有限公司的關(guān)心和大力支持，在此表示衷心感謝！