碩曲河去學水電站地震監測臺網建設及應用

王宇璽，丁 勇，趙 昱

（四川省地震局，四川 成都610041）

由于人類社會、經濟發展對水庫的依賴性，全世界水庫的建設速度不斷加快，數量激增，而且出現巨型、流域梯級開發和復雜地質構造區建設的水庫（毛玉平等，2007）。水庫蓄水后，其巨大的水壓和滲透能力會改變水庫周圍的地質和應力環境，容易導致已有斷層的復活，從而誘發地震。觀測研究表明，部分水庫蓄水后，庫區的地震活動水平和活動特征都與蓄水前有明顯的差異，尤其是高壩大庫，蓄水后常伴有地震異常活動（楊松文，2010）。而且大型水庫蓄水和放水作業還可能影響庫區周圍較大范圍的原有平衡狀態（包括應力狀態和介質狀態），從而有可能加速庫區附近斷層的應力積累進程并觸發大震（Rice et al，1976；Bell et al，1978）。因此，建立專用水庫地震監測臺網能提高水電站地震監測能力，實時捕捉庫區有影響的地震活動。

四川碩曲河去學水電站（以下簡稱“去學水電站”）位于定曲河的最大支流碩曲河干流上，水庫庫區位于四川省甘孜藏族自治州（以下簡稱“甘孜州”）得榮縣與云南省迪慶藏族自治州（以下簡稱“迪慶州”）香格里拉縣境內。去學水電站庫容和規模雖不是很大，但其所處區域地質構造背景復雜，地處中國大陸最主要的強震活動區之一——川滇菱形塊體西邊界（吳微微等，2015）。區域內斷裂構造發育，主要以SN向和NW向的斷裂構造為主；復雜的構造環境和地形地貌，也使得該地區的水庫建設存在誘發水庫地震的可能性（王宇璽，2019）。按照《中華人民共和國防震減災法》和《四川省水庫地震監測規定》的有關規定和要求，為保證工程運行安全和穩定庫區人民群眾正常的生產、生活秩序，減輕地震災害損失，在進行大壩結構抗震設防的同時，應當開展去學水電站水庫地震監測系統的建設，以提高庫區及周邊地區的地震監測能力、地震突發事件的快速響應能力和地震數據信息的共享與服務能力，保障水庫的正常運行。本文從地質構造環境、臺網設計、臺址勘選測試、臺站技術系統和地震監測等方面闡述去學水電站的臺網建設及其應用。

1 臺網設計

去學水電站庫區及其附近區域主要斷裂為近SN向的金沙江斷裂帶和NW向的德欽—中甸—大具斷裂。大壩蓄水前，近區域發生的顯著地震為2013年8月28日、8月31日香格里拉、得榮M5.1、M5.9雙震，震中距離水庫壩址區約30 km（見圖1）。根據地質構造和當地通訊、供電、交通、看護及施工條件等情況，對庫區內擬選臺站進行現場踏勘；再按照《水利水電工程地質觀測規程》（SL 245—2013）（中華人民共和國水利部，2013）相關規定：重點監視區庫段地震監測能力應滿足ML≥0.5，震中定位精度應優于1 km；結合去學庫區地震監測目的，最后確定去學水電站地震監測臺網規模為4個地震監測臺，平均臺距約10 km，其中2個位于四川省甘孜藏族自治州得榮縣境內，2個臺位于云南省迪慶州境內，臺站分布見圖1。

圖1 去學地震監測臺網臺站分布

2 勘選測試

在臺址勘選中，除了需要掌握地震臺站所必要的供電、交通、安全、維護等工作條件外，還需了解臺址臺基（花崗巖、灰巖、沉積巖或變質巖等）的動力學特性和臺基背景噪聲水平以及周圍環境振動干擾源的影響情況，這直接決定了地震監測臺網的監測能力。所以必須對臺址臺基進行實地測試，測試結果滿足要求后，才能最終定點建臺。

臺基選擇方面，臺基應選擇在無風化、無破碎夾層、完整、大面積出露的基巖上，巖性要致密堅硬，如花崗巖、輝綠巖、石英砂巖或灰巖等，不宜選擇在風化層、卵石層和砂土層上。吉里臺址位于東旺鄉新聯村委會吉里組，測試點地表有完整基巖巖體出露，巖性為花崗巖（圖2a）。色從臺址位于東旺鄉新聯村委會色從組，測試點地表有完整基巖巖體出露，巖性為灰巖（圖2b）。毛屋臺址位于古學鄉毛屋村，測試點地表有完整基巖巖體出露，巖性為花崗巖（圖2c）。下擁臺址位于古學鄉下擁村，測試點地表有完整基巖巖體出露，巖性為板巖（圖2d）。

圖2 地震臺站的臺基情況

實地測試時應選擇基巖出露狀況和周邊環境較好的點，對每個臺址進行24小時以上連續記錄，剔除明顯人為干擾部分的波形數據后進行分析處理，主要從環境地噪聲功率譜密度曲線和地噪聲水平兩個方面來評價。

環境地噪聲功率譜密度曲線評價方面，通過對儀器記錄的臺基地脈動波形數據進行處理計算，繪制出在一定頻段內的臺基地動噪聲功率譜密度曲線圖（如圖3）。圖中NHNM和NLNM分別是J.Peterson（1993）全球地動速度高噪聲新模型和低噪聲模型，是衡量一個地震臺站臺基背景噪聲水平的基本標準。從擬選臺站臺址測試結果來看，在短周期地震計的頻帶通帶范圍內，這些臺站均未見明顯干擾噪聲頻率，噪聲功率均未靠近高噪聲曲線，滿足相關規范要求。

圖3 臺基地動噪聲功率譜密度曲線

地噪聲水平評價方面，在相應觀測頻帶范圍內，按公式計算得到每個臺站的rms值，即地噪聲水平（如表1）。根據《地震臺站觀測環境技術要求》（GB／T 19531.1—2004）（中國國家標準化管理委員會，2004），使用速度型或加速度型地震儀記錄觀測并記錄地噪聲時，環境地噪聲水平Enl可分為五個等級：Ⅰ級環境地噪聲水平：Enl＜3.16×10-8m／s；Ⅱ級環境地噪聲水平：3.16×10-8m／s≤Enl＜1.00×10-7m／s；Ⅲ級環境地噪聲水平：1.00×10-7m／s≤Enl＜3.16×10-7m／s；Ⅳ級環境地噪聲水平：3.16×10-7m／s≤Enl＜1.00×10-6m／s；Ⅴ級環境地噪聲水平：1.00×10-6m／s≤Enl＜3.16×10-6m／s。

根據中國大陸背景噪聲區域劃分（《地震臺站觀測環境技術要求》，2004），四川和云南屬于B類地區，應滿足Ⅲ級環境地噪聲水平，從表1可以看出，在測試的4個臺站中，臺址的背景噪聲均能達到Ⅲ級或以上水平，滿足《地震臺站觀測環境技術要求》（GB／T 19531.1—2004）對臺址背景噪聲的要求。其中毛屋、下擁兩個Ⅲ級臺均位于電站施工區域，在電站建成后施工作業減少，臺址應能夠達到Ⅱ級水平。

表1 臺基噪聲測試結果及臺基類型 單位：m／s

3 臺站技術系統

臺站技術系統的任務是完成地動信號的拾取、轉換、存儲和發送，系統按其功能可分為地震觀測與存儲系統、數據傳輸系統和供電系統，臺站技術結構如圖4所示。臺站地震觀測系統由地震計和地震數據采集器構成。地震計選用GLCS2型三分向一體電子反饋型短周期地震計，其監測頻帶為2 s～40 Hz，靈敏度可達2 000 v／（m／s），雙端平衡輸出；地震數據采集器型號為EDAS-24GN，其具有標準以太接口、RS232串行口，配置有8GCF卡，支持GPS和北斗授時系統功能和地震數據存儲功能。臺站數據通信系統依據當地通信網絡接入條件，利用CDMA為廣域信道和VPDN虛擬撥號專網技術，構建臺站數據傳輸系統，所有數據傳輸基于TCP／IP協議，實現了IP到儀器和臺站數據傳輸的網絡化。在此種臺站數據傳輸系統中，臺站數據采集器和CDMA數據傳輸終端采用全臺網統一規劃和分配的固定內網IP地址。臺站供電均采用太陽能浮充蓄電池供電方式，每個臺站由6×80 W太陽能電池板和5只12 v／100 Ah蓄電池等組成太陽能供電系統，能夠為臺站提供持續不斷的電能保證。臺站配置的設備種類分為地震監測專用設備和通用設備兩種，地震監測專用設備嚴格按照行業標準進行配備，如：地震數據采集器、地震計。對于通用設備，既要考慮設備的先進性，又要注重設備的成熟性和穩定性，如：路由器、充電控制器等。去學水電站地震監測臺網臺站設備配置見表2。

表2 去學水電站地震監測臺站設備配置表

圖4 地震監測臺站技術結構示意圖

4 臺網技術系統與應用

去學水電站地震臺網的技術系統（見圖5）主要由地震監測系統和地震數據處理系統兩個部分組成。成。地震監測系統是安裝于野外的測震臺站，其主要功能為記錄去學庫區及網緣范圍內地震事件的連續波形觀測數據；地震數據處理系統則安裝于臺網中心，主要功能是對發生在庫區的地震事件進行及時分析處理，為震后迅速得出評估意見和合理處置震情事件提供決策依據。地震監測系統采集的數據通過網絡傳輸至地震數據處理系統。在去學水電站水庫地震監測臺網中心，可以基于數據存儲系統、流服務系統和網絡信息平臺，為用戶提供各種類型的地震觀測數據，并通過網絡信息平臺實現與其它數據中心的數據交換與共享，達到為地震監測及科研提供數據服務的目標。

圖5 臺網技術系統

建成后的去學水電站地震監測臺網達到了數字化、網絡化的標準，臺站布局和臺站密度確保了庫區范圍內滿足編目規范要求。寬頻帶、大動態、高靈敏度數字地震觀測設備的投入使用，豐富了重點監視區域內觀測資料的信息量，提高了庫區內地震數據資料的應用價值。同時發揮系統監測中心先進的技術優勢，使計算機自動識別精度和定位精度大幅度提高；加之專業的分析處理隊伍，結合人機交互處理，實現了對網內及網緣特別是重點監控區內地震的優質高效編目，并定期產出目錄相關報告。

2016年12月至2017年8月，去學水庫地震監測臺網共監測到ML0.0～2.9地震1 201次，其中ML0.0～0.9地震1 098次，ML1.0～1.9地震97次，ML2.0～2.9地震6次。地震震中分布（見圖6）顯示，地震活動主要集中在2個區域：一個沿壩址上游的碩曲河水庫區分布，地震主要以震級小于ML2.0的小震為主，僅2次地震震級超過ML2.0，這些地震的產生可能與水庫的蓄放水有關；另一個地震活動集中區分布在德欽—中甸—大具斷裂上，該區域正好位于2013年8月28日、8月31日香格里拉、得榮M5.1、M5.9雙震的余震區內，表明由于水庫臺網的監測，提高了該余震區的監測能力，這些小震可能是這兩個地震的余震。

圖6 臺網監測能力及區域小震空間分布

5 結論

建成后的去學水電站地震監測臺網，數字地震監測臺站數量為4個，由吉里臺、色從臺、毛屋臺、下擁臺組成，臺站分布在水電站壩下和庫壩區內，組網孔徑為NS10 km×EW16 km，臺站布局和臺站密度能夠保證重點監視區域內有較高的定位精度和較低的震級下限。該臺網可監測去學水電站庫壩區內ML≥1.0的地震，重點監測區內地震監測能力可達ML≥0.5，滿足《水電水利工程區域構造穩定性勘察技術規程》（DL／T 5335—2006）（中華人民共和國發展和改革委員會，2006）要求。碩曲河去學水電站地震監測臺網系統工程的建設完成，標志著流域水庫地震監測系統實現了數字化和網絡化，使去學庫區及周邊地區的地震監測能力、地震突發事件的快速響應能力和地震數據信息的共享與服務能力得到整體提升，為防震減災決策提供技術支持，同時系統實現了實時捕捉對庫區有影響的地震活動，保障了水庫的安全運維。

致謝：碩曲河去學水電站地震監測臺網系統工程項目的順利完成，得到了四川省地震局、甘孜藏族自治州得榮縣應急管理局、甘孜藏族自治州得榮縣古學鄉鄉政府和大唐香電得榮電力開發有限公司的關心和大力支持，在此表示衷心感謝！