中國大陸強震動觀測發展研究＊

盧大偉李小軍

1）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

2）地殼運動監測工程研究中心，北京 100036

中國大陸強震動觀測發展研究＊

盧大偉1，2）李小軍1）

1）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

2）地殼運動監測工程研究中心，北京 100036

本文通過全局性、長期性、前瞻性的開展強震動觀測發展研究，總結了目前國內外強震動觀測的現狀及兩者之間的差距，在此基礎上，總結分析了21世紀前20年我國強震動觀測領域發展趨勢與態勢，提出關于強震動觀測發展系統的、整體的觀點和看法，為領導決策提供咨詢意見，為國家制定中長期發展規劃，特別是“十二五”發展規劃和重點項目提供參考。

強震動觀測；現狀；發展趨勢；發展領域

引言

強震動觀測是認識地震動特征和各類工程結構地震反應特性的主要手段［1］。我國是世界上地震災害最嚴重的國家之一，地震引起的建筑物和工程設施倒塌破壞是導致人員傷亡和經濟損失的主要原因。發展強震動觀測，積累實際強震動數據，對于確定地震動衰減規律、研究場地土層反應、分析結構的抗震性能、進行地震危險性分析和地震區劃，進而為建筑結構的抗震設計提供科學依據具有重要的意義［2－3］。

在過去的幾十年里，強震動觀測在地震工程學與近場地震學發展、地震區劃圖編制及工程結構抗震設計規范修訂等方面發揮了重要的作用。近年來，隨著社會經濟的發展和數字觀測技術的廣泛應用，強震動觀測臺網規模與密度有了顯著增長，強震動觀測在地震工程學中的作用日益明顯，應用領域也開始向地震烈度速報、地震預警、震害快速評估、地震應急反應與智能控制、結構安全診斷等方面逐步擴展，強震動觀測已發展成為震災預防與地震應急的重要基礎［4－7］。

1 強震動觀測現狀

1.1 國際強震動觀測現狀

自1933年世界上第一個強震動觀測臺站建設以來，全球用于強震動觀測的儀器數量現達3萬余臺。美國布設的強震儀有5 000臺以上，其中結構臺陣有400多個，目前正在實施ANSS計劃，在26個地震危險性較高的大城市布設的7 000臺強震儀分別位于自由地表和結構上，其中結構臺陣不低于3 000個［8］；中國臺灣已布設了700多個自由場強震動臺站、100多個結構臺陣，都市區內自由場臺站的平均間距已近3km。日本的強震動觀測儀器也有近5 000臺，其中規模較大的強震動觀測臺網有：K－NET有線遙測強震動臺網，由1 000個布設于自由場地的寬頻帶、大動態范圍數字強震動臺站組成，臺站平均間距為25km；KiK－NET有線遙測強震動臺網，由522個加速度計布設于井下100～2 000m的數字強震動臺站組成；氣象廳地震烈度觀測臺網，由522個使用簡易強震儀的觀測臺站組成。

近年來，大震預警系統和地震快速反應系統在國際上也發展迅速［9－11］。墨西哥墨西哥市、日本東京和中國臺北先后建立了基于實時強震動觀測臺網的城市地震預警系統，主要用于高速鐵路的緊急制動、化工廠和核電站采取緊急防震措施、高層建筑電梯的地震控制、海嘯報警以及消防部門和醫院及時采取應急措施等。

同時，在基于強震動觀測臺網的震害快速評估系統方面也取得了很大進展［12］。例如，日本東京煤氣公司建立了一個用于評估煤氣管道系統震后破壞狀況的SIGNAL系統。1998年1月，東京煤氣公司又開始建立高密度實時地震監測系統SUPREME。在約3 100km2的范圍內布設約3 600臺新地震計（譜烈度計）。這種地震儀不僅能記錄加速度時程，還能測定譜烈度以及根據最大加速度、譜烈度、估計位移和估計周期判斷是否發生液化，目的是能夠高精度地估計地震破壞和實時判定液化，以便及時采取應急措施。

另外，美國科學家還發展了一種基于微機的地震記錄系統，用于進行震后快速安全評估。這種系統已在中國臺灣的許多建筑物上布設，在震后1小時內就可以自動完成對建筑物的安全評估。

1.2 國內強震動觀測現狀

（1）現有觀測規模

圖1 我國大陸強震動臺網分布

我國地震工程界歷來十分重視強震動觀測。目前，地震系統及其他部門和企業在自由場地及建筑物、橋梁和大壩等工程結構上布設了2 000多個強震動觀測臺站（圖1），其中包括以獲取自由地表強震動記錄為目的的自由場地強震動臺站，以烈度速報為目的的大城市地震動強度（烈度）速報臺站，以獲取研究特殊場地強地面運動特征為目的的活斷層影響臺陣、地震動衰減臺陣、場地影響臺陣、地形影響臺陣，以獲取結構地震反應數據進而依此研究結構抗震性能，改進結構設計方法為目的的典型建筑地震反應臺陣、大型橋梁地震反應臺陣、大型水壩地震反應臺陣，以及以地震快速反應為目的的核電站、高速鐵路、輸油氣管線、化工廠等特殊工程防災安全臺網等，但是多以自由場地強震動臺站為主，特殊目的的臺站僅見于少數示范工程。強震動流動觀測基地配備了大量先進的儀器，能夠實施大規模的地震應急流動觀測，大幅提升了獲取近場強震動記錄的能力，并可為地震救災決策提供可靠依據。研制出一套具有規范性和科學性的數據處理軟件，建立了完整的強震動記錄數據庫，能夠快速有效地提供數據資料的共享服務。通過前期的建設，我國強震動觀測在臺網規模和服務能力方面都取得了很大突破，強震動觀測記錄的獲取能力得到了較大提高［13］。值得一提的是，在汶川8.0級地震中，我國現有的強震動觀測臺網獲取了2萬余條主、余震強震動加速度記錄，極大地豐富了我國的強震動記錄數據庫，填補了我國獲取強地震近場加速度記錄的空白［14－18］。

另外，正在進行的“中國地震背景場探測項目”準備建設240個強震動觀測臺站，其中首都圈、蘭州預警臺站和自由場地觀測臺站各80個。廣東、江蘇、陜西、重慶、內蒙古等省、市、自治區地方政府將投資建設一大批強震動觀測臺站，而且在各地有繼續擴大規模的趨勢。

（2）相關規定

正是基于強震動觀測在地震工程中的重要意義和作用，強震動觀測已成為相關法律法規、技術標準的重要內容。

2009年5月1日開始實施新修訂的《中華人民共和國防震減災法》［19］明確規定：“水庫、油田、核電站等重大建設工程的建設單位，應當按照國務院有關規定，建設專用地震監測臺網或者強震動監測設施”，“國家支持全國地震烈度速報系統的建設”。2004年頒布的《地震監測管理條例》［20］明確規定：“核電站、水庫大壩、特大橋梁、發射塔等重大建設工程應當按照國家有關規定，設置強震動監測設施”。國家標準GB50267－97《核電廠抗震設計規范》和電力行業標準DL5073－2000《水工建筑物抗震設計規范》以強制性條款提出了強震動觀測系統的布設要求［21－22］；GB 50011－2001《建筑抗震設計規范》、SL60－94《土石壩安全監測技術規范》以推薦性條款提出了強震動觀測系統的布設要求［2324］；部分地方法規（如北京、上海、河北、重慶、江蘇、廣東等）也明確了強震動觀測系統的布設要求。

1.3 與國外先進國家的差距

盡管我國強震動觀測取得了巨大進展，但是由于我國幅員遼闊，地震活動范圍廣，受經濟發展水平等多種因素的制約，強震動觀測在臺網規模和密度、觀測技術水平、強震動記錄的獲取能力和質量、數據積累和工程服務等方面與日本、美國、中國臺灣等發達國家和地區相比尚有較大的差距。

（1）強震動臺網臺站的數量和布局遠遠不能滿足防震減災工作的需要。即使“十一五”項目完成后，重點監視防御區覆蓋密度約為19臺/10 000km2，而全國重點監視防御區僅占總國土面積的10%，全國覆蓋密度約1.9臺/10 000km2，與其他地震多發國家的覆蓋密度相比差距非常大，與日本比，覆蓋密度僅為日本的1/67，遠遠不能滿足地震工程研究和防震減災工作的需要。

（2）地震工程專業臺陣無法滿足抗震理論研究及結構本身抗震的需求。包括結構臺陣、場地放大效應臺陣、液化臺陣、土－基礎－結構相互作用臺陣工程數量極其有限，主要是示范性的，全國不超過50個，與其他地震多發國家相比差距更大，與美國比，僅為美國的1/68。另外，隨著經濟的快速發展，各種新型復雜結構大量涌現，現有臺陣遠遠不能滿足抗震理論研究及結構本身的抗震需求。

（3）現有強震動臺網技術系統有待進一步升級。我國現有強震動觀測臺網主要觀測目的是獲取近場強地面運動加速度記錄，為抗震工程提供基礎數據，技術系統滿足基本需求，但距離建立烈度速報系統和地震預警系統要求還很遠，需要在臺網的密度和技術系統組成上進行升級改造。強震動觀測的應用領域雖涉及較多，但實際社會服務能力有待進一步挖掘。而日本、美國、新西蘭等國家強震動觀測技術系統早已相當成熟，廣泛應用于地震烈度速報、地震預警和結構健康監測與診斷等方面。

（4）目前，相關法律規定和執法主體不明確、法律法規執行力度不夠嚴重制約強震動觀測發展。一方面，地震部門作為防震減災的執法主體，負有監督防震減災相關法律法規執行的法定職責，但是與之緊密相關的工程設計、建設和質量監督的主管部門并非地震部門，部門之間的職能交叉、職能不明，客觀上造成了相關審批把關環節上的脫節；另一方面，對于強震動觀測設施的布設雖有相關規定，但是除核電廠外多為行業抗震設計規范中的推薦性條款，《地震監測管理條例》和部分地方法規中的規定也是依存于行業抗震設計規范，客觀上造成了法律規定不明確，而且由于在工程建設中設置強震動觀測設施會增加工程成本，許多建設單位就不考慮布設強震動觀測設施，法律執行力度不夠。而美國除重大生命線工程要求必須布設強震動觀測設施外，洛杉磯市還明確規定6層以上建筑必須布設強震動觀測設備，并納入監督管理程序，嚴格執行。

2 強震動觀測未來發展總體趨向和態勢分析

作為防震減災的一項基礎工作，強震動觀測與應用已日益受到社會和各級政府的重視，面臨前所未有的發展機遇。根據我國實際情況，采取正確的發展策略，將有助于我國強震動觀測的發展。強震動觀測記錄是構建震害防御體系的重要數據基礎，同時強震動觀測信息又是應急救援體系的重要參數指標。強震動觀測工作應是在這兩大體系工作要求下而不斷發展的，其未來發展和建設方向應兼顧二者的工作要求。

強震動觀測是科學地開展震災預防、地震應急、救災與重建等防震減災工作不可或缺的基礎（表1）。強震動觀測獲得的不同震源機制、不同距離、不同場地條件下的地震動數據，可以應用于震源機制研究、地震動衰減特征研究、場地效應研究、抗震設計反應譜的確定、重大工程抗震性能分析與試驗研究、工程結構地震反應研究、工程抗震方法與技術研究等，為地震安全性評價、地震動參數區劃圖的編制、工程結構抗震設計規范制定提供依據，從而使建設工程抗震設防要求的確定更為科學與合理。近幾年來，隨著實時或近實時數據傳輸的數字強震儀的廣泛應用和強震動觀測臺網規模與密度的顯著增大，強震動觀測不再局限于為近場地震學研究和地震工程學研究提供基礎數據，而是拓寬到直接服務于減輕地震災害實踐，如：地震動強度（烈度）速報、地震預警、震害快速評估、工程結構健康監測與診斷、地震應急反應與智能控制等等。強震動觀測應用領域不斷拓展，使之在防震減災事業中的地位得以大幅度提高。

表1 強震動觀測應用體系

綜上所述，強震動觀測未來發展方向及重點領域應包括：強震動觀測相關法律法規制定，強震動觀測技術支撐平臺建設，強震動觀測臺網建設（包括烈度速報臺網和預警臺網），工程結構強震動臺陣建設，針對重大工程的地震緊急處置工程建設，強震動觀測社會服務平臺建設，強震動觀測國際合作與人才隊伍建設。

3 強震動觀測發展的指導思想和發展思路

3.1 指導思想

強震動觀測的發展規劃在規模、應用、機制及法規建設上與國家防震減災規劃保持高度一致，促進強震動觀測工作健康、有序、有效發展。結合強震動觀測及其應用的自身特點，通過科技創新、技術攻關，提升強震動觀測技術支撐能力，提高觀測質量和社會服務水平；通過協調發展，統籌國家、地方和社會資源，合理布局，逐步擴大臺網規模，提高強震動觀測能力；通過國際合作，引進發達國家先進技術，提高我國強震動觀測工作的技術水平。

3.2 發展思路

（1）強化法律法規，完善行業標準

一方面要加強與立法部門的溝通，從發展我國地震工程科學的角度，根據國民經濟、科學技術發展水平和需求，建立完善相應的法律法規，加大監督管理力度，引導重大建設工程布設強震動觀測設施；另一方面，積極推進相關行業抗震設計規范的修訂，從地震安全角度出發，根據實際需要，進一步明確強震動設施布設的原則和要求。同時，要加快強震動觀測相關技術規范和標準的制定，指導臺站的建設和強震動觀測相關技術工作，實現強震動臺網建設、運行、管理和應用的規范化、標準化、程序化，提高觀測效益。

（2）統籌臺網布局，擴大強震動觀測臺網的規模和密度

統籌規劃全國強震動觀測臺網的布局，加大投入力度，有計劃有步驟地加密建設自由場強震動臺站以及專用臺陣，努力提高我國強震動記錄的獲取能力，積累強震動數據；在穩定國家投入基礎上，鼓勵多元化、多渠道的投入，引導地方和企業投資發展強震動觀測，對臺網布局和觀測技術加強指導，實現觀測數據的共享，形成優勢互補，共同促進強震動觀測事業的發展。

（3）建立強震動觀測技術支撐系統，提高觀測技術水平

開展強震動觀測方法與應用研究，針對不同功能需求，在通訊、條件保障、先進儀器開發、設備穩定性等方面開展技術攻關，建立強震動觀測技術支撐系統。進一步補充功能并發展強震動觀測與應用相關的軟件及基礎數據庫，加強強震動觀測社會服務平臺建設。通過國際合作、產學研結合，提高技術支撐能力。

（4）完善人才培訓機制，加強人才隊伍建設

完善人才培訓機制，加大國際合作和技術培訓、交流力度，充分發揮專業技術人員的主觀能動性，開展相關研究工作，努力提升業務水平，建設一支強有力的強震動觀測專家隊伍。同時，推進不同層次強震動觀測隊伍建設和人才培養工作，提高地方和企業自身管理和服務能力。

（5）拓展應用領域，提升強震動觀測的服務意識和能力

加強強震動記錄在地震區劃圖編制、抗震設計規范修訂、建設工程抗震設計等領域的應用研究；同時，也要加強強震動觀測在地震烈度速報、地震預警、震害快速評估、地震緊急處置、結構健康監測與診斷等方面的研究，逐步拓展其服務領域，提升強震動觀測服務于社會的能力。

4 強震動觀測未來發展的戰略目標

4.1 總體目標

以提高強震動觀測和社會服務能力為核心，通過強化相關法律法規，完善技術規范和標準，引導和規范強震動觀測的建設與發展；通過發展新的地震傳感器技術和觀測理論，開展地表、深井、結構和海洋觀測；通過合理的繼承和揚棄，集成創新工作思路，大力發展強震動觀測臺網，增強觀測基礎；通過國際合作、交流和完善人才培訓機制，培養一支適應我國強震動觀測事業發展戰略需求的人才隊伍；同時著重加強結構健康監測與診斷系統和重要工程地震緊急處置系統建設，加速推進科技成果向公共服務產品轉化，提高社會服務能力和水平。

4.2 階段目標

“十二五”期間，應著眼于強震動觀測臺網規模的進一步擴大和社會服務體系的建立。結合國家防震減災工作的要求，出臺一系列的法律法規、技術規范和標準；開展強震動觀測領域的科技創新，加大臺網建設與應用的投入，全面提升臺網強震動記錄獲取能力；推進基礎理論與應用研究，完善臺網數據收集和處理技術，研發具有自主知識產權的強震動觀測設備；加強各級強震動觀測人才的培養，建立強震動學科領域的專家智囊和技術管理隊伍。

強震動觀測在“十二五”期間應達到的主要指標包括：臺網規模和密度得到進一步的擴大，重點監視防御區平均臺距不超過25km；強震動臺網的自動化能力進一步提高，具備快速獲取強震動觀測記錄的技術手段和機制，國家強震動臺網中心在震后1小時向指揮機構提供初步的強震動數據分析結果；社會服務能力得到進一步加強，能夠根據不同行業需求，實現數據共享；結構健康監測與診斷系統與地震緊急處置系統得到大量推廣應用。

5 重點技術發展領域與重大項目探討

5.1 重點技術發展領域

（1）強震動觀測相關技術標準

現階段急需制定或修訂的技術規范和標準：強震動臺站建設標準、強震動觀測儀器標準、強震動臺站基礎建設定額標準、強震動觀測規程、強震動數據規范。有效指導臺站建設和強震動觀測相關技術工作，實現強震動觀測和管理的標準化、程序化，從而提高觀測質量和觀測水平，同時強震動的應用服務同樣需要相關標準體系進行指導。

（2）結構健康監測與診斷技術

選取典型重大結構布設地震反應臺陣，研究結構健康監測與診斷方法與技術。涉及內容包括臺陣的布設技術，數據處理技術，結構自振特性（自振頻率、振型及阻尼）、傳遞函數、自相關及互相關函數、頻譜（反應譜、Fourier譜、功率譜）等的分析計算，實現結構損傷識別與健康診斷。

（3）重要工程地震緊急處置技術

選擇典型重要工程，開展地震緊急處置系統建設，研究其關鍵技術與方法，推進地震緊急處置社會服務相關法律法規的制定。涉及內容包括不同處置模式的特點和作用，異地與本地預警技術，多種觀測手段相結合的綜合預警技術，地震預警及緊急處置輔助決策技術，地震信息檢測與緊急處置聯動技術，地震緊急處置級別準則與風險分析，為震前震害預防和震時次生災害預防與人員緊急避險提供技術方法。

（4）地震動影響場快速判定技術

建立基于密集強震動臺網的地震動影響場快速生成與發布系統，涉及內容包括強震動臺網優化布局、地震動臺站數據實時傳輸關鍵技術、地震動加速度時程實時處理技術、地震動影響場空間分布確定及場地影響調整方法、地震動影響場圖像生成與發布系統研發，推進破壞性地震的地震動影響場快速判定與發布技術的發展和應用，提高我國抗震救災決策能力。

5.2 重大工程

（1）地震動強度（烈度）速報臺網工程

合理布設具備烈度速報功能的強震動觀測臺站，建設烈度速報中心，組成地震動強度（烈度）速報臺網，實現大震后地震動強度（烈度）的速報，提高震害快速評估能力和抗震救災的決策能力，同時豐富我國近場強震動觀測數據。內容包括：臺址勘選、臺站基本建設、設備選型、安裝、通訊保障、烈度速報中心建設、記錄實時處理及速報結果生成與發布。

（2）地震工程觀測綜合實驗場建設工程

選取同時具有不同場地條件、典型工程結構、生命線工程的某一城市布設以強震動觀測為主的綜合觀測臺陣，為地震工程及防震減災研究提供基礎數據與天然試驗場。內容包括：實驗場場地的選取和勘測；典型工程結構與設施的選擇；建造抗震技術選擇和施工建設；強震動觀測臺陣布設；結構損傷、場地震害和全過程監測；震害的綜合評估方法；工程結構的健康診斷。

（3）典型重要工程地震預警與緊急處置系統工程

選取典型生命線工程布設強震動臺網，開展地震預警與緊急處置系統工程建設，提高生命線工程防御地震災害特別是次生災害的能力。內容包括：地震預警與緊急處置臺網或臺站布設及相關技術；地震數據實時傳輸技術和快速處理方法；地震信息檢測與緊急處置設備聯動技術；防止誤觸發技術以及處置方案。

（4）強震動觀測信息管理與服務平臺建設

在現有國家強震動臺網中心和區域臺網部的基礎上，建立功能覆蓋全國，控制局部，具有聯動功能的強震動觀測信息管理與服務技術支持平臺，實現與國務院及地方抗震救災指揮中心信息快速互動與協同工作，以及對城市、重大工程地震緊急處置快速服務。內容包括：1個國家強震動觀測信息管理與服務中心，3個區域強震動觀測信息管理與服務中心。

6 結語

隨著時代的發展，科技的進步，我們對強震動觀測的認識在不斷地深化，對強震動記錄數據的應用在深入地拓展，新的內容、新的方法、新的技術會在強震動觀測領域不斷涌現。強震動觀測的發展面臨前所未有的機遇和挑戰，強震動觀測事業的發展，需要地震部門與相關行業部門的緊密協作和配合。我們必須與時俱進，不斷開拓，將強震動觀測的發展與應用逐步引向更高的層次，為社會防震減災事業做出積極的貢獻。

本文及有關研究得到了杜瑋、周雍年、溫瑞智、周正華等研究員的幫助和支持，在此一并致謝。

（作者電子信箱，盧大偉：dwlu＠neis.gov.cn）

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［23］中華人民共和國國家標準.GB50011－2001建筑抗震設計規范.2001

［24］中華人民共和國行業標準.SL60－94土石壩安全監測技術規范.1994

Study on development of strong motion observation in China

Lu Dawei1，2），Li Xiaojun1）
1）Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China
2）National Earthquake Infrastructure Service，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China

After a systematic search of the history and development of strong motion observation，we present in this paper a summary of the current situation of strong motion observation.On this basis，development trend in the future is prospected and some problems at present are analyzed.Finally，advices are given about how to promote the development of strong motion observation in protecting against and mitigating earthquake disasters.

strong motion observation；present situation；development trend；development areas

P315；

A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2010.10.007

2010－07－13。

中國地震局“十二五”發展規劃研究項目資助。