羅漢橋水電站對超寬頻帶地震計(jì)記錄資料的影響分析

何思源，趙乃千，李貴元，劉華姣，龔 康

（四川省地震局成都地震監(jiān)測中心站，四川 成都 611730）

隨著數(shù)字化地震臺站的快速建設(shè)，寬頻帶數(shù)字地震儀被廣泛應(yīng)用在各個臺站上，極大地提升了臺站的地震觀測能力和水平，同時也帶來了更高的采樣率和分辨率、更寬的記錄頻帶以及更大的動態(tài)范圍（陳運(yùn)泰等，2000）。成都地震監(jiān)測中心站是四川地震臺唯一擁有超寬頻帶地震計(jì)的臺站，超寬頻帶地震計(jì)JCZ-1T于2012年架設(shè)于成都地震監(jiān)測中心站，設(shè)計(jì)思路是替換站內(nèi)已使用了十余年的JCZ-1地震計(jì)，JCZ-1T地震計(jì)在高頻端和低頻端有比JCZ-1地震計(jì)更高的分辨率和信噪比（田文德等，2013）。超寬頻帶JCZ-1T地震計(jì)記錄了豐富的數(shù)字波形資料，為地震研究提供了扎實(shí)的基礎(chǔ)。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，成都地震監(jiān)測中心站的測震資料存在2～4 Hz的干擾以及凌晨5時至6時時間段內(nèi)水平分向所記錄的低頻長周期波動。由于2～4 Hz干擾是全日范圍的影響且持續(xù)年限較長（何思源等，2019），結(jié)合低頻長周期波動至今已經(jīng)存在長達(dá)十幾年的事實(shí)以及臺站周邊走訪調(diào)查的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)最近的設(shè)施就是位于測震山洞東偏南位置的羅漢橋水電站，與測震山洞直線距離約121 m。本研究圍繞羅漢橋水電站進(jìn)行多方位移動觀測，在低頻長周期波動時段內(nèi)利用實(shí)地調(diào)查情況與波形實(shí)時形態(tài)進(jìn)行對比分析，以此驗(yàn)證2～4 Hz干擾以及固定時段低頻長周期波動與羅漢橋水電站的關(guān)聯(lián)。

1 成都站測震資料中的2～4 Hz干擾

文中選擇JCZ-1T超寬頻帶地震計(jì)記錄的2017年12月10日8時14分四川九寨溝地震（M 2.7）及一段背景噪聲，通過帶阻濾波器壓制2～4 Hz頻率范圍內(nèi)的信號，得到濾波前后的對比圖（圖1）。圖2是2019年6月9日2時被成都地震監(jiān)測中心站的四臺地震計(jì)同一時間記錄的一段背景噪聲頻譜圖。圖1、圖2的結(jié)果表明：2～4 Hz頻率區(qū)間包含了干擾信息，宏觀特征為波形“毛刺”。

圖1 濾除2～4 Hz頻率范圍前后對比圖

圖2 四臺地震計(jì)同一時間記錄的地震波形頻譜圖

2 成都站測震資料中的低頻長周期波動

圖3a是2019年6月30日5時JCZ-1T記錄的波形，低頻長周期波動開始于5時32分，持續(xù)的時間為14分鐘。對這1小時波形的南-北分向采用希爾伯特-黃變換進(jìn)行時頻分析，從希爾伯特譜（見圖3b）中可知在5時32分附近出現(xiàn)了低頻信號，信號強(qiáng)度從逐漸增大到衰退持續(xù)時間約14分鐘，對應(yīng)了低頻波動開始以及持續(xù)時間。

圖3 JCZ-1T地震計(jì)低頻長周期波動及其希爾伯特譜

為了排查該波動是否因?yàn)閮x器設(shè)備所引發(fā)，將臺站另外三臺地震計(jì)（分別是一臺超寬頻帶地震計(jì)ITCF360、兩臺甚寬頻帶地震計(jì)BBVS-120以及ITC-120）記錄的波形進(jìn)行對比。結(jié)果表明，ITC-F360、BBVS-120和ITC-120地震計(jì)均在同一時間記錄到該低頻長周期波動（圖4），排除了由儀器設(shè)備引起該低頻長周期波動的可能性。其中，甚寬頻帶地震計(jì)BBVS-120以及ITC-120僅在南-北分向記錄到低頻長周期波動且形態(tài)不夠完整光滑；超寬頻帶地震計(jì)JCZ-1T以及ITC-F360能記錄到的低頻長周期波動更加清晰、波形形態(tài)更加完整光滑。

圖4 不同地震計(jì)記錄的低頻長周期波動（2019年6月15日05時）

由于低頻長周期波動只存在于固定時段內(nèi)，因此首先考慮人為因素的可能性。臺站附近固定時間作業(yè)單位便是重點(diǎn)關(guān)注對象。通過對成都地震監(jiān)測中心站歷史數(shù)據(jù)資料的整理，發(fā)現(xiàn)記錄到的低頻長周期波動時期可追溯到2004年。如圖5所示，低頻長周期波動每日的形態(tài)并不完全一致，南-北分向的波動幅度略大于東-西分向，但南-北分向的形態(tài)變化在相位上總是略晚于東-西分向。

圖5 低頻長周期波動連續(xù)3日形態(tài)變化（JCZ-1T）

3 羅漢橋水電站對測震資料的影響

3.1 對羅漢橋水電站的多點(diǎn)位監(jiān)測

以羅漢橋水電站為中心布設(shè)了9個測點(diǎn)進(jìn)行移動觀測，如圖6所示。以測震山洞到水電站的直線距離作為基本距離單位，通過擴(kuò)大測點(diǎn)與水電站的距離來研究2～4 Hz干擾是否隨距離的改變而變化。為了避免河流水流的影響，測點(diǎn)的分布基本垂直于河道。西南方向由于離成灌公路較近，數(shù)據(jù)受車輛干擾過大，未過多布設(shè)測點(diǎn)。研究中采用40T短周期地震計(jì)搭配EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行測點(diǎn)數(shù)據(jù)的記錄。

圖6 測點(diǎn)位置

首先選擇相對平靜的波形記錄，然后盡可能地剔除其中行人、機(jī)動車產(chǎn)生的干擾，所得的結(jié)果如圖7所示。1、2、3號測點(diǎn)到水閘的直線距離與測震山洞到羅漢橋水電站的直線距離一致（約121 m），2～4 Hz頻率范圍的幅值非常明顯；4號測點(diǎn)距離羅漢橋水電站最近且2～4 Hz頻率范圍的幅值在9個測點(diǎn)中為最高；5、6號測點(diǎn)到羅漢橋水電站的距離是2倍測震山洞到羅漢橋水電站的直線距離（約259 m），2～4 Hz頻率范圍的幅值較1、2、3號測點(diǎn)有所下降；7、8號測點(diǎn)到羅漢橋水電站的距離是3倍測震山洞到羅漢橋水電站的直線距離（約404 m），2～4 Hz頻率范圍的幅值下降幅度較5、6號測點(diǎn)更明顯；9號測點(diǎn)距離羅漢橋水電站最遠(yuǎn)，是10倍于測震山洞到羅漢橋水電站的直線距離（約1018 m），2～4 Hz頻率范圍的幅值最低。9個測點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：距離水閘越遠(yuǎn)，2～4 Hz干擾對波形數(shù)據(jù)的影響越小，證明2～4 Hz干擾與羅漢橋水電站之間存在直接關(guān)聯(lián)。圖中同一圓圈上的點(diǎn)表示距離羅漢橋水庫的距離相等。

圖7 9個測點(diǎn)的頻譜圖

3.2 對低頻長周期時間段的分析研究

羅漢橋水電站始建于1997年，內(nèi)部水閘有3道閘門，總寬8 m。近年來每日凌晨5時至6時值守人員會抬起水閘閘門進(jìn)行“沖閘”，“沖閘”過程中三道閘門依次開啟及關(guān)閉?！皼_閘”目的即是通過快速流動的河水帶走河道內(nèi)沉積的雜物。

經(jīng)過多次在低頻長周期波動時段內(nèi)的實(shí)地考查驗(yàn)證，證明了低頻長周期波動是由羅漢橋水電站沖閘引起的。本研究以2021年7月9日低頻長周期波形的變化為例說明在沖閘的過程中不同時間節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和波形形態(tài)變化的對應(yīng)關(guān)系。由于東-西分向波形形態(tài)變化啟動更快，因此以東-西分向進(jìn)行闡述。如圖8所示，第一道閘門在05∶31∶54啟動時，水流量開始變大，波形上也逐漸出現(xiàn)了向上抬升的現(xiàn)象；三道閘門在05∶33∶42均完全開啟，水流量達(dá)到最大；第一道閘門在05∶35∶30開始關(guān)閉，水流量開始逐漸減小，波形開始出現(xiàn)一些小幅度的高頻反應(yīng)，這是由于閘門關(guān)閉時閘門和閘身摩擦及撞擊產(chǎn)生的震動；三道閘門在05∶36∶30依次關(guān)閉，水流量逐漸恢復(fù)到起始水平，波形中出現(xiàn)的較大幅度的高頻震動是由于第三道水閘關(guān)閉是和底部產(chǎn)生的較大碰撞所致。由于執(zhí)行“沖閘”操作的值守人員會輪換，控制水閘抬起時間難以統(tǒng)一，則河水流量以及水位變化量也不一致，因此便會造成不同時間的低頻長周期波動形態(tài)有所差異。然而，低頻長周期波動的形態(tài)變化的原理還未能形成解釋，后續(xù)將繼續(xù)與羅漢橋水電站接洽，以獲取足夠的水位、水流量數(shù)據(jù)支撐下一步的研究工作。

圖8 2021年7月9日低頻長周期波動形態(tài)變化與沖閘時間節(jié)點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系（JCZ-1T）

4 結(jié)論

通過對研究結(jié)果進(jìn)行匯總，可歸納為四點(diǎn)：（1）2～4 Hz干擾會隨著與水電站距離的改變而變化，距離水電站越遠(yuǎn)的區(qū)域2～4 Hz干擾對波形數(shù)據(jù)的影響越小，證明羅漢橋水電站是成都地震監(jiān)測中心站測震資料中2～4 Hz干擾產(chǎn)生的重要原因。（2）成都地震監(jiān)測中心站凌晨5時至6時的低頻長周期波動是由于臺站附近的羅漢橋水電站每日凌晨“沖閘”操作所致。南-北分向波動幅度略大于東-西分向，但南-北分向形態(tài)變化在相位上總是略晚于東-西分向。由于執(zhí)行“沖閘”操作的值守人員會輪換，控制水閘抬起時間難以統(tǒng)一，則河水流量以及水位變化量也不一致，因此便會造成不同時間的低頻長周期波動形態(tài)有所差異。（3）羅漢橋水電站“沖閘”造成的低頻長周期波動對于超寬頻帶地震計(jì)記錄的測震資料的影響較大，對甚寬頻帶地震計(jì)記錄的測震資料的影響有限。水電站產(chǎn)生的2～4 Hz對超寬頻帶、甚寬頻帶地震計(jì)均有較大影響。（4）羅漢橋水電站“沖閘”引發(fā)低頻長周期波動的形態(tài)變化的原理、東-西分向形態(tài)變化快于南-北分向的原因以及形態(tài)變化與“沖閘”過程的水流水位變化量的相關(guān)性仍需更多沖閘過程中水位、水流量數(shù)據(jù)支撐后續(xù)的研究。