巖灘水庫地震監測臺網技術系統

孫學軍 姚 宏 牟劍英 龍政強（中國南寧530022廣西壯族自治區地震局）

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巖灘水庫地震監測臺網技術系統

孫學軍 姚 宏 牟劍英 龍政強
（中國南寧530022廣西壯族自治區地震局）

摘要介紹巖灘水庫地震監測臺網技術系統，評估巖灘水庫地震監測臺網對庫區的地震監測能力，并利用發生在巖灘庫區附近的一次典型地震記錄，分析該臺網的運行成效。該臺網技術系統先進，地震臺站布局科學合理，投入運行兩年多來，為保障巖灘水電站的運行安全發揮了重要作用。

關鍵詞巖灘水庫；地震臺網；技術系統

0 引言

巖灘水電站是紅水河梯級水電站中的第5級水電站，位于紅水河中游，廣西大化縣境內，是一座以發電為主，兼有防洪和航運等綜合效益的工程。水庫總庫容33.5億m3，正常蓄水位223 m時，相應正常蓄水位庫容為26.0億m3，調節庫容4.25億m3。電站一期工程裝機容量1 210 MW，擴建工程裝機容量600 MW，合計總裝機容量為1 810 MW（李桂生，2014）。歷史上庫區附近發生的最大地震是1934年12月20日巴馬4.8級地震。該地震距巖灘水電站僅11.5 km。水利水電建設史表明，建設高壩大型水庫有可能影響庫區及周邊區域的地震活動性，甚至誘發中強以上破壞性地震（湖興娥等，2003）。為了增強庫區的地震監測能力，為巖灘水電站的安全運行提供地震安全的科學決策依據，大唐巖灘水力發電有限責任公司投資建設了巖灘水庫地震監測臺網，由6個遙測數字地震臺、3個強震動觀測臺和1個臺網中心組成。

1 臺網概況

巖灘水電站庫區重點監視區范圍在24.02°N至24.22°N，107.26°E至107.64°E之間，面積約6億m3，遙測子臺主要布置在此區域。6個遙測子臺分別為都陽臺、盤當臺、鳳凰臺、板生臺、七百弄臺和巖灘臺，其中Ⅰ類臺站4個、Ⅱ類臺站2個。遙測子臺的平均臺間距保持在15 km左右（圖1）。由于遙測子臺大多分布在山區，無法接入交流電，臺站設備供電方式以太陽能電源為主，而數據傳輸則采用中國電信的3G網絡實現（表1）。臺站地脈動噪聲有效值和觀測動態范圍見表2。

大壩強震動觀測主要用于評估水庫壩體遭受地震的影響程度，并為水庫大壩的安全平穩運行提供科學決策依據。當地震發生時，特別是較強烈地震發生時，記錄壩體和壩基自由場的地震反應，可以為震后大壩安全的快速評估和大壩抗震設計的復核提供基礎數據（胡平等，2002）。巖灘水庫地震監測臺網分別在230廊道26壩、206廊道出口處附近、133廊道16壩豎井附近共建設3個強震動觀測臺。

圖1　巖灘水庫地震監測臺網臺站分布Fig.1 Station distribution of Yantan Reservoir Seismic Network

表1　巖灘水庫地震監測臺網測震臺站參數Table 1 Station general parameters of Yantan Reservoir Seismic Network

表2　巖灘水庫地震監測臺網臺站地脈動噪聲有效值和觀測動態范圍Table 2 Station background noise and dynamic range of Yantan Reservoir Seismic Network

2 技術系統

巖灘水庫地震監測臺網技術系統由地震臺站技術系統、數據傳輸技術系統和臺網中心技術系統組成（圖2）。巖灘庫區的數字遙測地震臺觀測數據，經中國電信3G網絡，實時匯集到巖灘水庫地震監測臺網中心流服務器，進行相應的人機交互分析、編目、速報等地震分析處理工作；強震動臺網中心利用中國移動GPRS網絡和光纖SDH等信道，獲取大壩廊道內3個強震動觀測臺數據，進行狀態監控和數據分析處理。

2.1 數字遙測地震臺

數字遙測地震臺技術系統由地震計、數據采集器、GPS時鐘、數據傳輸設備、供電避雷設備等構成。設備避雷接地電阻小于4 Ω，觀測房建筑避雷接地電阻小于10 Ω。專業設備采用北京港震機電技術有限公司生產的FSS-3M短周期地震計和EDAS-24GN數據采集器。由于巖灘庫區地處紅水河流域山區，遙測子臺不具備光纖SDH數據傳輸條件，而建設超短波/擴頻微波傳輸信道將大幅增加臺網建設成本，因此遙測子臺數據傳輸采用中國電信3G無線網絡 VPDN信道來實現。在設備供電方式選擇上，除巖灘臺為改造臺且已接入交流電外，其他5個子臺均使用太陽能電源。此外，地震計加裝密封玻璃擺罩進行防風和防潮處理，以降低觀測噪聲，提高觀測數據精度。巖灘水庫地震監測臺網遙測子臺系統見圖3。

圖2　巖灘水庫地震監測臺網系統構成Fig.2 General structure of Yantan Reservoir Seismic Network

圖3　數字遙測地震臺系統Fig.3 The system of digital telemetry seismic station

2.2 強震動觀測臺

巖灘水電站大壩廊道內有3個強震動觀測臺，配備英國Guralp公司生產的CMG-5TD便攜式一體化數字加速度計。該儀器由加速度計CMG-5T和CMG-DM24數據采集器一體化設計而成，是一款具有大動態范圍、低噪音、力平衡反饋式加速度計。3個強震動觀測臺均接入大壩廊道內專用交流電線路，且設備使用交流供電。數據傳輸方式上，230廊道26壩和206廊道出口附近的強震觀測臺采用中國移動GPRS無線網絡信道傳輸，而133廊道的強震動觀測臺則使用單模光纖連接強震觀測臺，與巖灘水電站觀測班機房進行中繼。巖灘水庫地震監測臺網中心通過中國移動GPRS信道和光纖SDH信道，獲取大壩廊道內強震動觀測臺數據（圖4）。

圖4　強震動觀測臺系統Fig.4 The system chart of strong motion observation station

2.3 臺網中心

臺網中心技術系統由數據接收、數據處理、數據存儲等服務器、打印機、專用供電設備和網絡通訊設備等組成。采用廣東省地震局研發的JOPENS數字地震臺網中心數據處理系統架構，進行設備安裝部署，并進行測震數據采集和分析處理（吳永權，2010）。其中，作為完成數據匯集和共享交換服務的數據流服務器，實時接收庫區6個遙測子臺波形數據流，為波形監視、實時處理、波形歸檔、人機交互分析等工作提供數據流服務。臺網中心數據流程見圖5。此外，強震動觀測數據主要使用英國Guralp公司的Scream軟件進行分析處理。

圖5　巖灘水庫地震監測臺網中心數據流程Fig.5 Data fl ow diagram of Yantan Reservoir Seismic Network

3 地震監測能力評估

地震臺網地震監測能力取決于臺基、觀測系統的響應靈敏度、儀器的動態范圍、臺網密度及臺網布局等因素（劉洋君等，2014）。而當地震臺網布局確定以后，地震監測能力主要受限于臺址背景噪聲。理論上將至少有4個以上地震臺監測到同一地震，確定為能定位地震（傅傳芳等，1980）。

為了計算地震臺網地震監測能力，將震級計算公式轉換為以最大速度量的表達形式，即

式中，V取6倍水平向速度干擾背景值；C為臺基校正值，此處取C = 0；T為水庫地震優勢周期，Δ≤100 km時，T = 0.2 s；100 km＜Δ≤200 km時，T = 0.3 s；200 km＜Δ≤400 km時，T = 0.4 s。按照震級不同反推出各子臺地震監測距離Δ，以Δ為半徑畫出圓弧，按照4個以上地震臺站記錄區域，確定地震監測能力范圍（姚宏等，2008）。

根據上述地震臺網監測能力的理論和計算方法，繪制巖灘水庫地震監測臺網理論監測能力圖，見圖6(a)。由圖6(a)可見，中心區域的地震監測能力達ML0.5，滿足巖灘水庫地震監測臺網對重點監視區地震監測能力可定位震級下限優于ML0.5的需要。

為了檢測巖灘地震臺網實際地震監測能力，統計2012年7月25日至9月25日記錄清晰的爆破和地震事件共77個，其中ML0.0—0.5地震16次，并繪于理論計算獲得的監測能力圖［圖6(b)］。從圖6(b)可見，理論地震監測能力ML1.1覆蓋范圍即可監測到這些爆破和地震事件，說明巖灘地震臺網實際地震監測能力超過理論計算范圍。

圖6　巖灘水庫地震監測臺網理論監測能力及檢驗（a）理論地震監測能力；（b）地震監測能力檢驗Fig.6 Theory monitoring capability of Yantan Reservoir Seismic Network and test of monitoring capabilities

4 運行成效

巖灘水庫地震監測臺網于2012年11月投入運行，2013年庫區附近平果縣和田東縣交界發生4.5級地震，地震波形見圖7，是廣西陸地近年來最大的1次地震，對巖灘水庫地震監測臺網技術系統進行了1次全面檢驗。

圖7　平果4.5級地震波形Fig.7 The seismic waveform of Pingguo MS4.5 earthquake

2013年2月20日3時21分，廣西百色市平果縣和田東縣交界（23.80°N，107.41°E）發生4.5級地震，震源深度約7 km，震中距巖灘水電站大壩約21 km。巖灘水庫地震監測臺網6個遙測子臺和大壩強震動觀測臺清晰記錄到此次地震，記錄波形清晰、震相易于識別，見圖7。從壩頂230廊道26壩強震觀測臺記錄波形（圖8），可以發現，在此次地震中，大壩的震動持續時間約17 s。為了評估地震對大壩的影響程度，利用ART3.0軟件計算峰值加速度值PGA，其中垂直PGA 為0.218 m/s2，南北PGA為0.322 m/s2，東西PGA為0.393 m/s2。東西向峰值加速度值最大，最大PGA值＜ 0.05 g，觀測點地震烈度值小于Ⅳ度，與現場宏觀調查結果一致。可見，該地震對巖灘水電站大壩的影響不大，巖灘水電站大壩在平果4.5級地震中是安全的。

圖8　平果4.5級地震的強震動觀測波形Fig.8 The seismic waveform of strong motion observation of Pingguo MS4.5 earthquake

5 結束語

巖灘水庫地震監測臺網是巖灘水電站專用地震監測臺網，與廣西區域地震臺網實現數據共享。該臺網子臺布局科學合理、技術系統先進，投入運行后，庫區及周邊地區的地震監測能力得到提高，為深入研究巖灘水庫誘發地震成因機理、評估水庫壩體遭受地震的影響程度，提供了豐富的數據資料和科學依據。巖灘水庫地震監測臺網的建設，對保障巖灘庫區及水庫下游人民生命財產安全及社會公共利益具有重要意義。

參考文獻

傅傳芳，劉寶成，李文藝. 地震學教程（下冊）[M]. 北京：地震出版社，1980.

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吳永權，黃文輝. 數據處理系統軟件JOPENS的架構設計與實現[J]. 地震地磁觀測與研究，2010，31（6）：59-63.

姚宏，孫學軍，楊超英. 龍灘水電工程數字遙測地震臺網技術系統[J]. 華南地震，2008，28（4）：53-62.

Technical system of Yantan Reservoir Seismic Network

Sun Xuejun，Yao Hong，Mu Jianying and Long Zhengqiang
(Earthquake Administration of Guangxi Autonomous Region，Nanning 530022，China)

Abstract

In this paper the technical system of Yantan Reservoir Seismic Network is introduced， and the monitoring capacity of this network is accessed. The effects of Yantan Seismic Network by analyzing the data of a typical earthquake happened in Yantan dam area is demonstrated. The technical system of Yantan Seismic Network is advanced and it has a reasonable layout. Which has been running for more than two years， this network plays an important role in the protection of Yantan hydropower's safety.

Key words：Yantan reservoir，seismic network，technical system

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 019

基金項目：社會臺網建設項目

作者簡介：孫學軍（1968—），男，高級工程師，地球物理專業畢業，主要從事地震監測和研究工作

本文收到日期：2015-07-09