雅礱江流域水庫地震監測系統及其應用研究

江曉濤 ，柳存喜 ，丁 朋，雷 學

（1. 中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州省貴陽市 550000；2. 雅礱江流域水電開發有限公司，四川省成都市 610051；3. 成都理工大學，四川省成都市 610051）

1 雅礱江流域水庫地震監測系統概況

雅礱江流域水庫地震監測系統（以下簡稱“流域地震監測系統”）共由38個沿江分布的野外測震臺站組成，從布局上看是一個由官地、錦屏、二灘（含桐子林）3個子系統共同組成的流域型臺網[1-4]。因此，它既可對單個庫區監控區域進行重點觀測與研究，又可對流域下游梯級系列水庫，包括錦屏一級、錦屏二級、官地、二灘和桐子林庫區進行聯合監測，整體上實現了資料共享。流域地震監測系統在建設過程中從臺站布局設計上，充分考慮網緣臺站對相鄰水庫臺網監測能力的雙重貢獻，進一步提升臺網布局效率、避免重復投資，同時考慮到定位精度與臺站分布之間的緊密聯系，特別是網緣地震，其定位精度決定于網外的地震臺站參與分析的權重大小，因此在建設過程中，充分兼顧了與周邊省內的地震臺站進行數據交換和共享的思路理念，既可節省投資，又有利于增強臺網自身網緣的地震定位能力和精度。流域地震監測系統的成功建立，整體上實現了水庫地震流域化監測，優化了流域各梯級水庫監測臺站共享銜接，同時，流域地震系統的建設在局部上增強了四川省區域臺網監測能力。

2 流域地震監測系統布局與規模

2.1 錦屏水電站水庫地震監測子系統

2.1.1 重點監測庫區

錦屏一級水電站，屬深大水庫，《四川雅礱江錦屏水電站地震安全性評價報告》給出了雅礱江錦屏水電站庫區重點監測區為：①壩前庫段；②巖腳—下落府—蓋地庫段；③臥羅河庫段，如圖1所示。錦屏二級水電站距離錦屏一級水電站7.5km，是一個引水式電站，雖其庫容較小，但作為世界前列的高水頭大裝機容量水電站，也必須考慮水庫地震等因素。因此，錦屏水電站水庫地震監測子系統必須充分兼顧錦屏一級、二級水電站，較為均勻的展布在二者重點監測區內。

2.1.2 錦屏水電站水庫地震監測系統布局

根據重點監測區域，臥羅河庫段周圍布置棉椏、拉沙河、長柏、牦牛山4個臺站，巖腳—下落府—蓋地庫段布置列瓦、項腳、芽祖、棉布埡、白烏5個臺站，通過多個臺站形成的局部臺陣，讓該區域下限監測能力達到了ML0.5級；考慮到錦屏一、二級電站之間有錦屏斷裂、馬頭山—周家坪斷裂，屬需要加強監測的地方，在該區域布設木落腳、聯合、長腳3個臺站，不但可以加強對錦屏斷裂、錦屏Ⅱ級壩址附近區域的監測，同時還擴展了壩下的下限監測能力（0.5級地震）；為了使錦屏水電站水庫地震監測系統（以下簡稱錦屏臺網）的觀測頻帶向低端延伸，加強監測區對中、遠地震（面波）的觀測，需要適量增加寬頻帶臺，考慮到四川省地震局在木里已經建設有一個寬頻帶臺站，觀測數據可以與之共享，因此錦屏臺網不在重新建設寬頻帶臺站，節約了建設成本；由于測震臺網（短周期）中，系統的觀測動態范圍（最大）對應的地震震級大約是5.0級，可以提高臺網的監測動態范圍。錦屏臺網對于加速度臺的臺址考慮，布設在兩個短周期臺上（與短周期臺同址），即矮子溝和周家坪臺。矮子溝主要是考慮可向錦屏一級大壩提供壩前區的加速度數據；周家坪臺主要是加強對馬頭山—周家坪斷裂的監測。

因此，最終形成的雅礱江錦屏水電站（含一級、二級）水庫地震監測系統整體布局是根據3個重點監測區，充分兼顧錦屏二級樞紐區水工建筑物，以提高臺網的監測能力（下限監測能力）為目的展開，臺網布設充分考慮了與省內網緣臺站進行數據交換，避免重復投資，同時在設備布置上又兼顧了庫區斷裂帶增設強震臺，為了使臺網的觀測頻帶向低端延伸，加強監測區對中、遠地震（面波）的觀測，增加寬頻帶臺布置。規模上，錦屏臺網共布設20個測震臺站，其臺網分布及其監測能力如圖2所示，對比圖1可見，在重點監測區可定位地震震級下限達ML0.5級，且覆蓋了重點監測庫段。

圖1 錦屏水電站重點監測庫段Figure 1 Key monitoring reservoir section of Jinping hydropower station

圖2 錦屏水庫地震監測系統及其監測能力Figure 2 Jingping reservoir seismic monitoring network and its monitoring capabilities

2.2 二灘、桐子林水電站水庫地震監測子系統

2.2.1 二灘、桐子林水電站重點監測區

二灘水電站庫區存在4個潛在震源區和誘震危險區，其中西番田—鱤魚河口誘震區和南壩潛在震源區均位于水庫淹沒區內；桐子林水電站屬二灘電站的尾水電站，據前期調查報告，水庫誘發地震的幾率較小，但是其大壩和庫區地處中強構造地震潛在震源區內（昔格達斷陷盆地北端的頂角區）。昔格達—魚鮓潛震源區屬于中強構造地震活動較強烈地區，且距離二灘、桐子林水庫大壩最近[3]。

2.2.2 二灘、桐子林水電站水庫地震監測系統布局

二灘水電站水庫地震監測系統（以下簡稱二灘臺網）由兩個匯集中繼站、7個高倍率遙測地震臺組成，根據二灘臺網目前的臺站分布及監測能力，臺站分為兩個層次布局，其中有三臺坡、貓頭山、大村子、廖家山、青杠林5個遙測地震臺比較均勻展布在大壩附近，形成了一個平均臺距約12km的重點監視區，將距離大壩最近的頭灘斷裂包入網內。另兩個高倍率地震臺磨房梁子和燈草坪設于離大壩較遠的李明久—史家溝潛在震源區（即南壩潛在震源區）附近。桐子林電站投入建設后，由于桐子林水電站屬二灘電站的尾水電站，因此將桐子林水庫地震監測系統（以下簡稱桐子林臺網）的建設結合二灘臺網布局開展，做到資源共享，優化投資，本著網緣臺站會對相鄰水庫臺網監測能力產生雙重貢獻作用這一思路，根據二灘臺網的布局，在桐子林水電站附近新增觀音壩、新發和坊田3個臺站，將桐子林潛在震源區包入最小監測能力ML0.5級的范圍內，這樣的臺站布局擴大了二灘水電站壩下的監測范圍，同時解決了由于汛期泄洪嚴重影響壩下青杠林、廖家山、三臺坡3個地震臺監測的情況，這幾個地震臺的加入能夠彌補壩下在泄洪時監測能力的不足。二灘、桐子林臺網通過上、下游這兩個梯級水電站水庫臺網的聯合監測，組成了二灘、桐子林水庫地震監測系統，實現資料共享，優化投資的目的，更好地為這兩個水庫地震觀測服務，二灘、桐子林水庫地震監測系統及其監測能力如圖3所示。

圖3 二灘、桐子林水庫地震監測系統及其監測能力Figure 3 Ertan and Tongzilin reservoir seismic monitoring station network and its monitoring capabilities

2.3 官地水電站水庫地震監測子系統

2.3.1 官地水電站重點監測區

根據《四川雅礱江官地水電站防震抗震研究設計專題報告》，沿著官地水庫庫區狹長地帶，展布著一些可能發生地震的地段，包括距壩址3~7km、10~13km、15~20km 和 28~33km 等可溶巖出露地段，庫區蓄水后均會被淹沒，直線覆蓋距離3~40km。故官地水電站重點監測區應基本沿官地水庫全庫區展布，直至大壩水工建筑區，如圖4所示。

圖4 官地水電站重點監測庫段Figure 4 Key monitoring section of Guandi hydropower station

2.3.2 官地水電站水庫地震監測系統布局

官地水電站上游回水與錦屏二級水電站尾水相接，直線距離約50km。無論從水電站建設工期和地域環境條件看，都具備構建錦屏—官地水電站相互共享的水庫地震監測系統資源的現實基礎，因此在臺站布局設計上，充分考慮網緣臺站對相鄰臺網監測能力的雙重貢獻，進一步提升臺網布局效率、避免重復投資，整體分布如圖5所示。官地水電站水庫地震監測子系統共布設8個地震子臺，包括銀廠、白馬、大橋、茶葉、大鹽池、和平子、蔑絲蘿，其中錦屏水電站水庫地震監測子系統的里莊、長腳、聯合、周家坪臺站可以作為官地水庫地震監測系統的共享臺站，極大限度地提高了官地水庫地震監測系統監測能力，又節約了成本。這樣的布局思路和布局密度既滿足重點監測區定位精度要求和可定位震級下限要求，又留有合理的余量，保證了臺網必要的監測能力，特別是當個別臺站處于故障或標定狀態而停計時。

2.4 雅礱江流域水庫地震實時在線監測系統布局與規模

通過錦屏水庫地震監測子系統、二灘、桐子林水庫地震監測子系統、官地水庫地震監測子系統的建設組成了雅礱

二灘、桐子林水庫地震監測系統共布設10個測震臺，其中3個地震臺（磨房梁子、貓頭山、坊田）上增設了強震觀測。通過采用沿斷裂斷裂帶增加強震動監測的方式，與微震監測共同監視庫區的地震動狀態，監測和記錄大壩及周邊活動性斷裂的基巖動加速度，以提高中強地震的監測能力，通過加強庫區附近基巖場地上強地面運動的監測，為確定地震動影響分布和研究強地面運動特性提供基礎資料，彌補中強地震發生時微震臺網動態范圍不足，使系統能夠記錄到庫區范圍內完整的中強以上地震波數據。同時，增設的強震觀測又可作大壩結構強震臺陣的補充，監測和記錄大壩附近的基巖震動，積累大壩結構動力特性與庫區水位和大壩服役年限等因素之間關系的資料。江流域水庫地震監測系統，其數量由38個野外測震臺站構成，平均臺間距為10~15km，使整個下游流域的重點監視區域全部被臺站所覆蓋。流域地震系統從臺站布局上看，是一個由二灘、桐子林、官地、錦屏3個子系統共同組成的流域地震監測系統，在技術系統上是一個完整的地震監測系統，獨立性和流域性相結合。因此，它既可對單個庫區監控區域進行重點觀測與研究，又可服務于整個流域下游梯級系列電站。雅礱江下游流域水庫地震監測系統38個臺站布局如圖6所示。

圖5 官地水庫地震監測系統及其監測能力Figure 5 Guandi reservoir seismic monitoring network and its monitoring capabilities

圖6 雅礱江流域中下游水庫地震監測系統及其監測能力Figure 6 Seismic monitoring system of middle and lower reaches of the Yalong river basin and its monitoring capabilities

3 流域地震系統監測能力范圍檢驗

流域地震系統在布局設計上，將庫區主要斷裂、庫水位荷載中心、大壩及水工建筑物、庫區周邊城鎮、遙測質量高和建設維護費用省、系統可靠、提高監測區中、遠地震的觀測能力等因素綜合考慮在內，不僅讓單個水庫重點監測區域地震監測下限能力達到ML0.5級，所構成的流域地震監測系統在整體布局上也實現了壩址上游 20km和壩址下游5~10km 、水庫兩側10km及水庫誘發地震預測震級上限為3. 0 級以上區域地震監測下限達到ML0.5級，其他監測區地震監測下限達到ML1.0級的技術要求，如圖7所示。流域地震系統的成功建立在局部上增強了四川省監測系統監測能力，提高了四川省“川滇菱形斷塊”主要斷裂區域涉及的甘孜西北、道孚、康定、石棉、冕寧、西昌、德昌、會理、理塘、德巫、麥地龍，卡拉等地區監測能力[5]，使之監測能力下限也達到了ML0.5級。

圖7 臺網ML0.5級地震監測能力檢驗Figure 7 Seismic monitoring capability of the ML0.5 earthquake on the platform

為了驗證流域地震監測系統臺站布局合理化及其實際監測能力是否達到理論監測能力的水平[6-9]，分別選取各監測區的地震（錦屏監測范圍：25.5~29.5, 100.5~103；二灘監測范圍26.8~27.8,101.7~102.1；桐子林監測范圍：26.5~26.8,101.7~101.9；官地監測范圍：27.8~28.7, 101.7~102.1）共計803個ML1.5級以下地震事件，通過地震在理論監測能力底圖上的分布區域，識別不同震級的地震所在監測能力區段控制范圍，由此可以確定臺網的實際監測能力是否達到理論監測能力，其中0.0＜ML≤0.5震級段，選擇298個地震；0.5＜ML≤1.0震級段，選擇273個地震；1.0＜ML≤1.5震級段，選擇232個地震。圖7是震級范圍在0.0＜ML≤0.5級之間的地震分布圖，圖中可以看到各監測區域地震成不均勻分布，大部分地震都落在各自ML0.5級重點監測范圍以內，也有部分地震落在ML0.5級監測范圍外，這說明臺網實際監測能力大于理論監測能力的，滿足重點監測區的監測能力達到近震震級ML0.5級的設計要求。

如圖8所示是震級范圍在0.5＜ML≤1.0級之間的地震分布圖，顯示大多數地震落在ML1.0級監測范圍內，少數分布在ML1.0至ML1.2級監測區間內；1.0＜ML≤1.5震級段的地震大多集中分布在ML1.4級監測范圍內（如圖9所示），可以看出ML1.5以內的地震監測控制地區都可以很好地控制ML1.4級地震，實際監測能力完全達到或優于理論監測能力，符合《水庫地震監測技術要求》[10]中所提到的水庫臺網監測能力達到近震震級ML1.5級的要求。

圖8 臺網ML1.0級地震監測能力檢驗Figure 8 Seismic monitoring capability of the ML1.0 earthquake on the platform

圖9 臺網ML1.5級地震監測能力檢驗Figure9 Seismic monitoring capability of the ML1.5 earthquake on the platform

4 結束語

（1）流域地震監測系統著眼流域全局戰略開發，實行流域規劃，優化資源，節約成本，分步實施，系統開展，整體上實現了水庫地震流域化監測。整個系統在建設過程中秉承獨立性和流域性相結合，各個水電站地震監測系統是一個相對獨立的單元，既能夠滿足本水庫區域地震監測要求的完整體系，又兼顧了上下游梯級水電站的銜接，優化了流域各電站水庫監測臺站共享銜接、實現了數據處理集中與地震成果共享，做到資源共享，避免重復建設。

（2）流域地震系統在建設過程中，為了使觀測頻帶向低端延伸，加強監測系統對中、遠地震（面波）的觀測，增設了寬頻帶臺，通過采用沿斷裂斷裂帶增加強震動監測的方式，與微震監測共同監視庫區的地震動狀態，彌補中強地震發生時微震臺網動態范圍不足，使系統能夠記錄到庫區范圍內完整的中強以上地震波數據，同時，增設的強震觀測又可作大壩結構強震臺陣的補充，監測和記錄大壩附近的基巖震動。規模上，沿江分布的38個野外測震臺站，臺間距10~15km，其布局密度，保證了個別臺站處于故障或標定狀態而停計時，留有合理的余量，確保臺網必要的監測能力。

（3）雅礱江流域水庫地震監測系統實現了庫區主要斷裂、庫水位荷載中心、大壩及水工建筑物、庫區周邊城鎮等重要地區監測能力下限達到ML0.5級的設計規范要求，布局合理性得到檢驗。流域地震系統建立后，從局部增強了四川省“川滇菱形斷塊”主要斷裂涉及地區監測能力，使之監測能力下限也達到了ML0.5級，流域地震監測系統目前也成為四川省級區域臺網的重要補充，二者結合極大地增強了四川省地區地震監測能力，為四川省的防震減災事業做出了一定的貢獻。