基于貝葉斯方法的雙江口水電站水庫誘發地震危險性預測評估

袁國慶，高建祥，李　靜

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都　610072)

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基于貝葉斯方法的雙江口水電站水庫誘發地震危險性預測評估

袁國慶，高建祥，李靜

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都610072)

目前國內對水庫誘發地震的預測評價一般都采用貝葉斯方法進行，本文通過對雙江口水電站的水庫基本條件、區域地質構造、工程地質條件及地震活動特點的分析，計算出三個庫段多因素誘發不同震級地震的概率。綜合分析評價認為,雙江口水庫蓄水后發生小于5級地震的可能性大，發生大于5級地震的可能性小，其中主要發震區域為花崗巖庫段。

貝葉斯方法;水庫誘發地震;雙江口水電站

1　工程概況

雙江口水電站壩址位于綽斯甲河與腳木足河交匯處下游段。其中水庫綽斯甲河回水至觀音橋附近，腳木足河回水至干木鳥附近。水庫正常蓄水位2 500 m，堆石壩最大壩高314 m，對應庫容約28.97億m3，具有年調節能力，電站裝機容量2 000 MW。

雙江口水庫屬高壩大庫，從水庫壩高、庫容來考慮，雙江口水庫存在一定的發震概率。水庫庫盆巖性主要為花崗巖，花崗巖在冷卻過程中易產生節理、裂隙等張性結構面，在地殼抬升及河流下切過程中易產生卸荷裂隙等，水庫蓄水后易引起庫水的滲透而誘發地震。水庫區內的主要構造形跡以NW、NE向的褶皺和壓性斷裂為主，庫區范圍沒有大規模的活動斷裂通過，庫區主要斷裂有松崗斷裂、觀音橋斷裂、業隆溝斷裂等及規模較小的小斷層，斷裂為中更新世活動斷裂，晚更新世以來不活動。庫區節理裂隙發育，蓄水后庫水可沿節理、裂隙滲透而誘發地震，但斷層、節理裂隙發育規模有限，發生破壞性地震的可能性很小，以微震形式為主。雙江口水庫區地震活動頻度比較高，但活動的強度較弱，震中烈度為Ⅵ～Ⅶ度。庫區應力場的最大主應力方向為NW～NWW方向。

2　水庫誘發地震背景

目前水庫誘發地震的危險性評估和預測預報問題仍然是世界上的科學難題，其主要原因是目前我們對水庫誘發地震產生的機理與活動規律仍有許多問題沒有足夠的認識和了解。國內外對水庫潛在的誘發地震危險性評估主要采用的是根據地質環境、水文環境、地震活動、斷層構造、巖性、壩高、水位、庫容、水庫特征參數等對已發生水庫誘發地震的水庫震例進行類比分析，同時根據概率統計學的貝葉斯方法建立數學模型，綜合評估給出水庫誘發地震潛在危險的預測結果[1]。本文也采用此方法對雙江口水庫的誘發地震危險性進行預測評估。

3　貝葉斯方法及預測統計

貝葉斯方法基本思想是:假定對所研究的對象在抽樣前己有一定的認識，常用先驗分布來描述這種認識，然后基于抽取的樣本再對先驗認識作修正，得到后驗分布，而各種統計推斷都基于后驗分布進行。主要特點是使用先驗分布，而在得到樣本觀測值X=(x1，x2，…，xn)后，由X與先驗分布提供的信息，經過計算和處理，組成較完整的后驗信息。

該方法在水庫誘發地震中的應用首先由美國地質調查所Baecher(1982)等最先提出，采用了庫容、庫深、構造應力環境、斷層活動性及地質條件(主要是巖性)5個影響因子。中國地震局胡毓良等在國家八五重點科技攻關項目專題研究中，針對三峽水庫誘發地震危險性的預測，提出了改進的誘震因子集，其構成有庫深、庫容、區域應力狀態、斷層活動性、巖性條件和地震活動背景6個因子，按誘震的震級劃分成4類。I類是3.0>M1、II類為5.0>M2≥3.0、III類為M3≥5.0級。雙江口水庫采用胡毓良等研究成果的基礎上進行預測評價。

同一誘震因素不同狀態出現的概率計算公式為：

(1)

式中A——為不同震級水庫震例數;

M——為RIS事件震級;

i——為發生i類地震;

j——為誘震因素中j類因子。

綜合考慮六種誘震因素的發震概率則公式為：

(2)

式中的h、v、s、f、r、b分別表示RIS事件庫深、庫容、區域應力狀態、斷裂活動性、誘震區巖性和地震活動背景六種因素，每種因素的狀態范圍列在表1中。P(Mi)=Ni/N，Ni為發生i類地震次數，N為發生地震的總數。研究證明h、v、s、f、r和b等六種因素狀態是相互獨立的。

則有：

P(h，v，s，f，r，b/Mi)=

P(h/Mi)P(v/Mi)P(s/Mi)P(f/Mi)P(r/Mi)P(b/Mi)

(3)

從1931年希臘馬拉松水庫首次發現水庫地震以來，迄今為止，全世界發生的水庫地震約有120例。我國專家胡毓良、楊清源等在上世紀90年代對這些水庫地震進行了統計分析，在109個震例中將各因素進行分類(見表1)，在巖性欄中為提高精確度,把誘發地震較多的碳酸鹽巖和花崗巖單獨列出。將這些震例數按公式(1)計算其分布概率(見表1)[2]。

表1　各因素狀態下不同震級水庫震例數及分布概率

注：本表根據中國地震局地質研究所楊清源等的資料。

4　雙江口水庫誘發地震預測

雙江口水庫區由腳木足河和綽斯甲河構成(見圖1)，從壩址算起，腳木足河庫尾到干木鳥，全長約62 km。綽斯甲河庫尾到觀音橋附近，全長約35 km,庫容28.97億m3，為v2。壩前庫深250 m(正常蓄水位與可爾因河床海拔之差，2 500～2 250 m)，根據庫深與庫長的比，計算得到東西兩支河流河床縱坡降分別是4.5‰和8‰。

圖1　水庫誘發地震預測示意

將雙江口水庫根據庫深分成三個庫段，即庫首段，水庫中段和庫尾段，各庫段的誘震因素狀態和計算結果分述如下：

庫首段：腳木足河按河床縱坡降4.5‰計算，從壩址往上27 km，約到神山(直波)附近；綽斯甲河床縱坡降按8‰計算，從壩址-年克庫段約16 km；庫深降到了140 m。這兩段庫深均為140～260 m，庫深為h1。巖性均為燕山期花崗巖即r2。腳木足河無斷層。綽斯甲河有NE向業隆溝斷層，正斷層，應力狀態取拉張s2，晚更新世以來不活動，斷層活動性屬f2。

水庫中段：腳木足河從神山—大西木爾巴附近，綽斯甲河從年克-504林場轉運站附近，庫水深度降到90～140 m的范圍，水深為h2。綽斯甲河巖性仍為燕山期花崗巖r2，而神山—大西木爾巴為三迭系變質砂巖，千枚巖，取變質巖r4，NW向的松崗斷層，向北延伸至腳木足河沙市附近穿過未來庫區，該斷層長約70 km，左旋逆走滑斷層，屬早-中更新世斷層。斷層活動性取f2。應力狀態取區域擠壓應力狀態s1。

庫尾段：腳木足河從大西木爾巴到干木鳥，綽斯甲河從504林場轉運站-觀音橋附近，庫水深度小于90 m，水深為h3。NW向的松崗斷層，向北延伸至腳木足河扎爾都庫段,該斷層長約70 km，左旋逆走滑斷層，屬早-中更新世斷層。綽斯甲河NE向的觀音橋斷層在斯多德和觀音橋附近穿過未來水庫區。兩條斷層主要發育在三迭系的變質砂巖、板巖中，巖性為變質巖r4。兩斷層晚更新世以來均不活動，斷層活動性為f2。這兩庫段中的斷層是逆斷層或壓扭性斷層，區域應力狀態取擠壓s1。

水庫區位于北西向鮮水河斷裂帶與北東向龍門山斷裂帶所夾持的川青斷塊區東南部，以緊密線狀弧形褶皺構造為主，斷裂構造不發育。挽近時期以來，新構造運動主要表現為以斷塊本身的間歇性整體抬升，處于構造相對穩定區。工程區受外圍強震帶的波及影響較小，壩址區遭受歷史地震的最大影響烈度僅為Ⅵ度；其地震危險性主要來自近場的松崗潛在震源區(震級上限6.5級)、兩河口(撫邊河)潛在震源區(震級上限7.0級)強震的影響。庫區地震背景取b2，考慮到水庫周圍的地震活動情況b1的狀態也進行了計算。

把這三個庫段的各誘震因素狀態的單因子按先驗分布概率賦值，分別代入(1)、(2)式，即可計算出三個庫段多因素誘發不同震級地震的概率(見表2)。各庫段結果分述如下：

庫首段發生1類地震的概率為0.02～0.08，發生2類地震的概率為0.71～0.74，發生3類地震的概率為0.18～0.26；水庫中段綽斯甲河段發生1類地震的概率為0.19～0.45，發生2類地震的概率為0.38～0.51，發生3類地震的概率為0.16～0.31；水庫中段腳木足河段發生1類地震的概率為0.19～

表2　六種因素組合發震概率

0.45，發生2類地震的概率為0.46～0.63，發生3類地震的概率為0.09～0.18；庫尾段發生1類地震的概率為0.25～0.52，發生2類地震的概率為0.46～0.70，發生3類地震的概率為0.02～0.06。

5　結論與認識

綜合分析評價認為，雙江口水庫蓄水后發生小于5級地震的可能性大，發生大于5級地震的可能性小，其中主要發震區域為花崗巖庫段(見圖1)。貝葉斯方法對誘發地震強度的預測與因素組合的選擇及樣本的數量有關，水庫地震震例只有一百多個，限制了信息量的數量，并且在地震活動區地震成因復雜,尤其是發生中小地震的水庫區難以區別是水庫誘發地震還是背景地震，因此該方法的預測精確度十分有限，可作為一種宏觀判斷的依據。

[1]秦嘉政,劉麗芳,等.水庫誘發地震活動特征及其預測方法研究[J].地震研究,2009(02):105-113.

[2]楊清源,陳曉莉,等.水庫誘發地震的最大震級及其發震時間的預測研究[J].地震學報,2001(05):523-529.

2015-03-10

袁國慶(1979-)，男，湖北黃岡人，高級工程師，從事水電站工程地質勘測工作。

P315.7

B

1003-9805(2016)03-0073-03