國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程山西子項(xiàng)目綜述及應(yīng)用分析

竇立婷，李冬梅，任力偉，馮凱宇，丁學(xué)文

(1.山西省地震局,山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

“國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程山西子項(xiàng)目”(以下簡(jiǎn)稱山西子項(xiàng)目)自2015年10月開始初步建設(shè)，先后經(jīng)過四個(gè)階段：可行性研究、初步設(shè)計(jì)、實(shí)施方案編寫、進(jìn)場(chǎng)實(shí)施。目前已完成臺(tái)站勘選、實(shí)施方案編制、新建臺(tái)站招標(biāo)及合同簽訂、終端點(diǎn)位復(fù)核、土建項(xiàng)目進(jìn)場(chǎng)施工等各項(xiàng)工作。為保障項(xiàng)目的順利實(shí)施，山西省地震局成立了項(xiàng)目管理和專業(yè)實(shí)施團(tuán)隊(duì)，制定了相應(yīng)的規(guī)章制度(1)李冬梅，賈建喜，梁 艷，等.國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程山西子項(xiàng)目實(shí)施方案設(shè)計(jì)和實(shí)施預(yù)算報(bào)告，2018.。各項(xiàng)工作正按照實(shí)施方案有序推進(jìn)。本文將重點(diǎn)介紹地震預(yù)警的發(fā)展歷史、國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程概況及山西子項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)展情況，淺析在山西地震活動(dòng)背景下山西子項(xiàng)目的應(yīng)用前景及存在的不足，以期為“山西國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程”項(xiàng)目的后續(xù)工作提供參考。

1 地震預(yù)警的發(fā)展歷史[1-7]

地震預(yù)警的設(shè)想最先由美國(guó)庫珀博士在1868年提出，但是一直沒有技術(shù)條件支持實(shí)施，直到20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)通信技術(shù)和數(shù)字強(qiáng)震觀測(cè)技術(shù)的成熟，墨西哥、日本、土耳其等國(guó)家以及我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)先后建立了自己的地震預(yù)警系統(tǒng)，并在防震減災(zāi)中取得顯著成效。

世界上首個(gè)面向公眾的可用地震預(yù)警是墨西哥城1991年正式運(yùn)行的SAS系統(tǒng)，主要服務(wù)于學(xué)校和地鐵預(yù)警。SAS系統(tǒng)能夠探測(cè)到災(zāi)害性地震的發(fā)生并能提供預(yù)警，但震級(jí)估計(jì)的準(zhǔn)確性并不能保證公共預(yù)警和預(yù)防性警告的合理性差別，所以2003年發(fā)展起來SASO系統(tǒng)，由于資金等原因，該系統(tǒng)未能持續(xù)運(yùn)行。

1992年日本建成的UrEDAS系統(tǒng)正式在新干線鐵路上安裝使用，由于1995年神戶地震的發(fā)生，日本全國(guó)建立了一系列的地震臺(tái)網(wǎng)，極大地推動(dòng)了日本地震預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展。隨著各類觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的建成，在2004年日本新瀉中越M6.6破壞性地震中，對(duì)正在行駛的火車發(fā)布了預(yù)警。從2006年8月向部分用戶提供預(yù)警信息到2007年10月后開始向公眾提供預(yù)警信息。截至2009年已經(jīng)有2 100萬人可以通過手機(jī)收到預(yù)警信息，并且各類用戶把收到的警告信息收集合并到預(yù)警系統(tǒng)中，2014年2月日本氣象廳開始對(duì)地震早期預(yù)警做實(shí)驗(yàn)。

土耳其伊斯坦布爾市、中國(guó)臺(tái)灣省分別在1999年、2001年開始使用一個(gè)或多個(gè)用戶提供信息的地震預(yù)警系統(tǒng)。地震預(yù)警系統(tǒng)正在意大利、瑞士、中國(guó)、美國(guó)(夏威夷、加利福尼亞)等各類地震臺(tái)網(wǎng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)試驗(yàn)。作為一種新型地震減災(zāi)手段，地震預(yù)警系統(tǒng)得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用，這些地震預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展可以為我國(guó)地震預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、建設(shè)實(shí)施、社會(huì)服務(wù)等方面提供支撐與借鑒。

2 國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程概況及其建設(shè)意義

中國(guó)地處環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶的交匯地區(qū)，是全球地震活動(dòng)最強(qiáng)烈和地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。近年來，四川汶川、青海玉樹、四川蘆山、云南魯?shù)榈却笳鸬陌l(fā)生，造成巨大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，借鑒日本、美國(guó)等國(guó)家先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)全國(guó)范圍內(nèi)的分鐘級(jí)烈度速報(bào)、秒級(jí)地震預(yù)警系統(tǒng)就變得十分必要。四川汶川地震發(fā)生后，根據(jù)震情、災(zāi)情、救災(zāi)等實(shí)際情況，為解決存在的問題，于2009年啟動(dòng)了工程項(xiàng)目的預(yù)研究等工作。2010年青海玉樹地震發(fā)生后，加快了項(xiàng)目進(jìn)度，正式開啟立項(xiàng)工作[8]。2015年6月，項(xiàng)目建議書被國(guó)務(wù)院獲批；2017年2月，國(guó)家發(fā)展改革委批復(fù)項(xiàng)目可研報(bào)告；2018年7月項(xiàng)目實(shí)施正式啟動(dòng)；計(jì)劃2021-2022年進(jìn)行試運(yùn)行。屆時(shí)，將建成規(guī)模龐大、總數(shù)超過10 000個(gè)臺(tái)站的地震烈度速報(bào)與預(yù)警觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)[9-10]。

臺(tái)站系統(tǒng)方面，將在全國(guó)新建、改造三大類臺(tái)站，即1 960個(gè)配置測(cè)震儀和強(qiáng)震儀的基準(zhǔn)站、3 309個(gè)配置強(qiáng)震儀的基本站、10 241個(gè)配置烈度儀的一般站，共計(jì)15 510個(gè)臺(tái)站。所謂“基準(zhǔn)站”是“測(cè)震”和“強(qiáng)震動(dòng)”兩個(gè)測(cè)項(xiàng)的組合臺(tái)站，是地震預(yù)警功能的骨干臺(tái)，輔助用于烈度速報(bào)；“基本站”則只觀測(cè)“強(qiáng)震動(dòng)”一個(gè)測(cè)項(xiàng)，主要用于烈度速報(bào)，輔助用于地震預(yù)警；“一般站”是烈度儀臺(tái)站，進(jìn)行密集布設(shè)，是地震預(yù)警和烈度速報(bào)的輔助臺(tái)站[11]。

近年來，中國(guó)的防震減災(zāi)工作實(shí)現(xiàn)從注重災(zāi)后救助向注重災(zāi)前預(yù)防轉(zhuǎn)變，強(qiáng)調(diào)提高對(duì)自然災(zāi)害的防治能力[12]。國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程項(xiàng)目是增強(qiáng)防震減災(zāi)服務(wù)能力、防范化解地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的有效手段。同時(shí)，對(duì)地球物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地震工程學(xué)等科技領(lǐng)域的發(fā)展也將起到積極的推動(dòng)作用。

3 山西子項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模及進(jìn)展

3.1 建設(shè)內(nèi)容及規(guī)模簡(jiǎn)介

山西子項(xiàng)目建設(shè)作為國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程的重要項(xiàng)目之一，其中臺(tái)站建設(shè)數(shù)量位居全國(guó)前5名，主要是由于山西地震強(qiáng)度大，地震災(zāi)害頻繁，是中國(guó)大陸東部地震活動(dòng)最強(qiáng)烈的省份之一。該項(xiàng)目將于2021-2022年進(jìn)行試運(yùn)行，主要實(shí)現(xiàn)山西大部分地區(qū)形成完善的秒級(jí)地震預(yù)警能力和基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)實(shí)測(cè)值的分鐘級(jí)烈度速報(bào)能力，為政府應(yīng)急決策、公眾逃生避險(xiǎn)、重大工程地震緊急處置、地球科學(xué)研究等提供服務(wù)。

項(xiàng)目主要建設(shè)內(nèi)容包括臺(tái)站觀測(cè)、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理、緊急地震信息服務(wù)、技術(shù)支持與保障五大技術(shù)系統(tǒng)(見圖1)。各技術(shù)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模如表1所示。

圖1 技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)(2)崔慶谷.云南地震預(yù)警項(xiàng)目進(jìn)展情況，2015.Fig.1 Technical system architecture

序號(hào)系統(tǒng)內(nèi)容數(shù)量1臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)1 0961.1基準(zhǔn)站811.2基本站1541.3一般站8612通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)132.1Ⅰ類省級(jí)中心通信分系統(tǒng)12.2匯聚節(jié)點(diǎn)通信分系統(tǒng)112.3Ⅰ類省級(jí)中心安全保障分系統(tǒng)13數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)13.1Ⅰ類省級(jí)數(shù)據(jù)處理中心14緊急地震信息服務(wù)系統(tǒng)2694.1終端I型104.2終端Ⅱ型2484.3市級(jí)信息服務(wù)平臺(tái)建設(shè)115技術(shù)支持與保障系統(tǒng)15.1一類省級(jí)保障中心1

3.1.1 臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)

臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)為項(xiàng)目實(shí)施和效益體現(xiàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，是其重要的組成部分。建設(shè)內(nèi)容包括改造和新建基準(zhǔn)站81個(gè)、基本站154個(gè)、一般站861個(gè)，共計(jì)1 096個(gè)臺(tái)站(見第54頁圖2)。81個(gè)基準(zhǔn)站平均臺(tái)間距約40.67 km，其中51個(gè)測(cè)震臺(tái)站作為改造基準(zhǔn)站，30個(gè)為新建基準(zhǔn)站；在重點(diǎn)區(qū)內(nèi)的141個(gè)基本站平均臺(tái)間距約30.29 km，一般區(qū)內(nèi)13個(gè)基本站平均臺(tái)間距約42.06 km；861個(gè)一般站間距約12 km。

圖2 山西省預(yù)警臺(tái)站分布圖Fig.2 Distribution of early warning stations in Shanxi province

3.1.2 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在現(xiàn)有地震通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)基礎(chǔ)上，新建覆蓋全省重點(diǎn)區(qū)及一般區(qū)的烈度速報(bào)與預(yù)警通信系統(tǒng)。建設(shè)內(nèi)容包括1個(gè)省級(jí)匯聚點(diǎn)、11個(gè)市級(jí)匯聚點(diǎn)、1個(gè)省級(jí)中心安全保障分系統(tǒng)。

3.1.3 數(shù)據(jù)處理中心

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是項(xiàng)目主要功能的核心，主要任務(wù)是根據(jù)站點(diǎn)觀測(cè)系統(tǒng)匯集的實(shí)時(shí)觀測(cè)記錄，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的分析、判斷、加工，及時(shí)產(chǎn)出地震預(yù)警、地震速報(bào)、烈度速報(bào)以及抗震救災(zāi)和行業(yè)急需的技術(shù)服務(wù)產(chǎn)品，并將這些產(chǎn)品分發(fā)推送到緊急地震信息發(fā)布系統(tǒng)。建設(shè)內(nèi)容包括1個(gè)Ⅰ類省級(jí)數(shù)據(jù)處理中心，總建設(shè)面積388.8 m2。

3.1.4 緊急地震信息服務(wù)系統(tǒng)

緊急地震信息服務(wù)系統(tǒng)是直接為最終用戶提供服務(wù)的窗口，是整個(gè)工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)的關(guān)鍵。該系統(tǒng)建設(shè)的核心目標(biāo)是為政府機(jī)構(gòu)、社會(huì)公眾、行業(yè)企業(yè)提供及時(shí)有效的緊急地震信息服務(wù)，為示范中小學(xué)、政府應(yīng)急部門、新聞媒體、企事業(yè)單位、重大工程等提供預(yù)警信息，為自愿接收緊急地震信息的公眾用戶提供基于互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的烈度速報(bào)和預(yù)警信息示范應(yīng)用服務(wù)，充分發(fā)揮國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程的減災(zāi)效益。建設(shè)內(nèi)容包括1個(gè)省級(jí)信息發(fā)布中心；安裝緊急信息服務(wù)平臺(tái)的省級(jí)抗震救災(zāi)指揮部成員單位、省應(yīng)急部門、省電視臺(tái)共計(jì)10個(gè)；安裝緊急信息服務(wù)平臺(tái)的本省重點(diǎn)預(yù)警區(qū)內(nèi)市級(jí)地震部門共計(jì)11個(gè)；安裝信息服務(wù)終端的本省重點(diǎn)預(yù)警區(qū)內(nèi)試點(diǎn)中小學(xué)校共計(jì)248個(gè)。

3.1.5 省級(jí)技術(shù)保障中心

技術(shù)保障系統(tǒng)是國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程發(fā)揮效能的重要保障，確保項(xiàng)目的時(shí)效性、可靠性、運(yùn)行率。該系統(tǒng)用于支撐國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)，支撐觀測(cè)設(shè)備的檢測(cè)和維修，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，評(píng)估系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。建設(shè)內(nèi)容包括1個(gè)Ⅰ類省級(jí)技術(shù)保障中心。

3.2 山西子項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)展

子項(xiàng)目于2015年10月進(jìn)入項(xiàng)目可行性研究階段，2016年1月至5月完成臺(tái)站勘選工作，2017年1月至6月完成臺(tái)站、中心和終端的初步設(shè)計(jì)信息調(diào)查及初步設(shè)計(jì)方案的確認(rèn)，2018年8月6日山西子項(xiàng)目得到正式批復(fù)，2018年12月完成施工圖設(shè)計(jì)及預(yù)算編制、實(shí)施方案編寫，2019年3月開始土建工程的進(jìn)場(chǎng)實(shí)施，截至9月臺(tái)站土地合同和終端點(diǎn)位核查工作全部完成。其中，新建基準(zhǔn)站已進(jìn)場(chǎng)實(shí)施26個(gè)，防雷地網(wǎng)工程已進(jìn)場(chǎng)實(shí)施17個(gè)，基準(zhǔn)站改造工程已進(jìn)場(chǎng)實(shí)施8個(gè)；新建基本站已進(jìn)場(chǎng)實(shí)施10個(gè)，場(chǎng)地勘測(cè)已完成鉆孔73個(gè)；中心機(jī)房改造工程的招投標(biāo)工作已完成(見表2)。

表2 工程建設(shè)內(nèi)容及完成情況Table 2 Project construction content and completion

4 山西地震預(yù)警項(xiàng)目的應(yīng)用前景

我國(guó)地震預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)雖然起步晚，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加完善，服務(wù)更加全面，有著較廣闊的應(yīng)用前景。山西子項(xiàng)目的建設(shè)完成也將起到重要的作用，得到廣泛的應(yīng)用。主要表現(xiàn)在：

(1) 為開展抗震救災(zāi)指揮決策提供科學(xué)支撐，服務(wù)政府應(yīng)急救援決策。向314個(gè)國(guó)家和省級(jí)抗震救災(zāi)相關(guān)單位發(fā)布地震參數(shù)速報(bào)、地震烈度速報(bào)、地震動(dòng)參數(shù)速報(bào)等信息，為各級(jí)政府和抗震救災(zāi)指揮機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確掌握震情、采取有效救援措施、合理配置救援資源提供科技支撐。

(2) 向中央電視臺(tái)、中央人民廣播電臺(tái)、省市縣級(jí)電視臺(tái)、有影響力的新媒體企業(yè)等，有針對(duì)性地發(fā)布原地報(bào)警、地震預(yù)警、地震參數(shù)速報(bào)、地震烈度速報(bào)等信息，并由其向社會(huì)公眾傳播，服務(wù)公眾的地震應(yīng)急行動(dòng)。

(3) 向重點(diǎn)區(qū)內(nèi)1 500所中小學(xué)校發(fā)布地震預(yù)警信息，服務(wù)學(xué)校師生的地震逃生避險(xiǎn)。

(4) 向鐵路部門發(fā)布原地報(bào)警、地震預(yù)警、遠(yuǎn)場(chǎng)大震預(yù)警、地震參數(shù)速報(bào)、地震烈度速報(bào)、地震動(dòng)參數(shù)等定制化緊急地震信息，服務(wù)高速鐵路的地震緊急處置。

(5) 向核電、水利、燃?xì)?、化工、醫(yī)療衛(wèi)生、商業(yè)等行業(yè)的1至2個(gè)示范企業(yè)發(fā)布定制化緊急地震信息，服務(wù)有關(guān)企業(yè)的地震緊急處置。

(6) 通過公共廣播設(shè)施或手機(jī)版警報(bào)軟件直接向社會(huì)公眾發(fā)布地震預(yù)警信息。

(7) 其他特殊需求的經(jīng)濟(jì)體或個(gè)人定制的預(yù)警信息服務(wù)[1]。

為加強(qiáng)社會(huì)公眾對(duì)地震預(yù)警及應(yīng)用前景的了解，6月18日，山西省地震局預(yù)警中心主任、高級(jí)工程師李冬梅接受媒體采訪，做了一次地震預(yù)警和地震預(yù)報(bào)的科普講解，介紹了預(yù)警工程推進(jìn)情況和主要功能[13]。社會(huì)公眾對(duì)該項(xiàng)目有了一定的了解，對(duì)地震預(yù)警的應(yīng)用前景有了一定的認(rèn)識(shí)。

5 山西地震預(yù)警系統(tǒng)存在的不足

(1) 存在一定范圍的預(yù)警盲區(qū)。強(qiáng)震動(dòng)發(fā)生后，因預(yù)警臺(tái)站數(shù)據(jù)接收、處理及預(yù)警系統(tǒng)觸發(fā)需要時(shí)間，不能為震中周圍部分區(qū)域提供地震預(yù)警，此區(qū)域即為預(yù)警盲區(qū)。山西地震預(yù)警臺(tái)站平均臺(tái)間距及盲區(qū)半徑分布比較合理，但在特定條件下仍然存在一定范圍的預(yù)警盲區(qū)，根據(jù)山西省土地面積和1 096個(gè)地震預(yù)警臺(tái)站空間分布，山西省預(yù)警臺(tái)站平均臺(tái)間距集中在10 km和20 km，98.91%的地震臺(tái)站平均臺(tái)間距小于20 km，盲區(qū)半徑集中在22 km、23 km[14]。

(2) 預(yù)警終端數(shù)量和信息發(fā)布方式不能完全滿足社會(huì)發(fā)展需要。以福建省為例，該省作為“國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程”的先行示范區(qū)，已逐漸形成官方推廣樣本的“福建經(jīng)驗(yàn)”。根據(jù)計(jì)劃，到2020年，福建省將在全省18 400個(gè)學(xué)校、社區(qū)(村)建設(shè)地震預(yù)警信息專用接收終端，而山西預(yù)警項(xiàng)目建設(shè)的目標(biāo)終端僅有258個(gè)，分布密度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。另外，隨著信息化、智能化的高度發(fā)展，人們獲取信息的方式發(fā)生了顯著變化，地震預(yù)警信息的發(fā)布方式仍然采用“傳統(tǒng)”終端，覆蓋范圍和傳播速度受到限制，預(yù)警效益還不能實(shí)現(xiàn)最大化，預(yù)警發(fā)布能力還有待加強(qiáng)。下一步應(yīng)按照山西的人口分布和重點(diǎn)預(yù)警區(qū)大量增加終端的建設(shè)，研究推廣智能化、信息化、自動(dòng)化集成程度更高的發(fā)布手段，提高預(yù)警效果。