江口水庫地震監(jiān)測臺網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)分析與研究

摘" 要：[A1]"江口水庫位于重慶市武隆縣，庫區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，水體滲透可能誘發(fā)地震。為提高水庫運行安全、降低地震風險，構(gòu)建了一套高效、可靠的地震監(jiān)測臺網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)遵循統(tǒng)一規(guī)劃、先進技術(shù)、分區(qū)監(jiān)測等原則，結(jié)合高頻與低頻觀測，采用數(shù)字化遙測技術(shù)，實現(xiàn)地震事件的自動觸發(fā)、記錄與處理。監(jiān)測臺網(wǎng)依托分布式處理系統(tǒng)開展數(shù)據(jù)采集、分析與共享，并結(jié)合監(jiān)測能力評估，確保地震活動的精準監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析，在科學研究與社會安全方面具有重要意義。

關(guān)鍵詞：江口水庫 ""地震監(jiān)測" "臺網(wǎng)建設(shè)" "系統(tǒng)設(shè)計 ""數(shù)據(jù)分析

中圖分類號： TV697.24

Analysis and Research on the Construction of the EarthquakeSeismic Monitoring Network System for Jiangkou Reservoir

XING ChangshengState Power Investment Corporation Chongqing Jiangkou Hydropower Chongqing Jiangkou Hydropower Co.， Ltd.， SPIC， Chongqing， 408506 China

Abstract： The Jiangkou Reservoir is located in Wulong County， Chongqing， where the complex geological conditions in the reservoir area and water infiltration may trigger earthquakes. induce seismic activity. To enhance reservoir operational safety and reduce mitigate earthquake risks， an efficient and reliable earthquakea highly efficient and reliable seismic monitoring network has been established. This system follows the principles of unified planning， advanced technology， and zonal monitoring， integrating high-frequency and low-frequency observations while employing digital telemetry technology to enable automatic triggering， recording， and processing of earthquakeseismic events. The monitoring network relies on a distributed processing system to carry outfor data acquisition， analysis， and sharing， combined with monitoring capability assessment to ensure precise earthquakeseismic activity monitoringsurveillance and data analysis. This system holds significant value in both scientific research and socialpublic safety.

Key Wwords： Jiangkou reservoir; EarthquakeSeismic monitoring; Network construction; System design; Data analysis

江口庫區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，以奧陶系石灰?guī)r地層為主，巖石堅固，同時廣泛分布二疊系、三疊系、寒武系和奧陶系石灰?guī)r地層，并且沿文復(fù)斷層和芙蓉江斷層，發(fā)育了一系列近乎垂直的“天坑”、溶洞和地下暗河。這些復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，加之年代久遠的斷層，在外界環(huán)境影響下可能重新活化，進一步增加了地震風險。因此，設(shè)計并建立一套高效、可靠的地震監(jiān)測臺網(wǎng)系統(tǒng)，以實時監(jiān)測地震活動和庫區(qū)地質(zhì)變化，不僅對保障水庫運行安全具有重要意義，還為庫區(qū)防災(zāi)減災(zāi)提供了重要技術(shù)支撐。

1 "地震監(jiān)測臺網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)遵循[ 2]"的原則

1.1 "統(tǒng)一規(guī)劃，分步實施

芙蓉江流域水電工程規(guī)模大、分布廣，地震監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)進行統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計、分階段實施，確保資料共享和投資優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，江口電站可以與彭水電站臺站及貴州周邊臺站共享資源。

1.2 "先進技術(shù)與系統(tǒng)匹配

首先，地震監(jiān)測臺網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)該采用數(shù)字技術(shù)，并且在地震計和數(shù)據(jù)采集器等核心設(shè)備中，選用24位數(shù)字地震觀測系統(tǒng)，確保動態(tài)范圍達到120 dB以上。其次，采用數(shù)據(jù)傳輸遙測技術(shù)和基于計算機與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實現(xiàn)地震事件的自動觸發(fā)記錄與處理。同時，配備支持可視化離線數(shù)據(jù)交互分析的輔助軟件，并通過廣域網(wǎng)聯(lián)通各電站監(jiān)測系統(tǒng)。

1.3 "高頻和低頻觀測兼顧

鑒于水庫誘發(fā)地震中高頻成分豐富的特點，同時地下溶洞和暗河的存在可能導(dǎo)致低頻成分的增加，地震觀測系統(tǒng)需要擴展高頻頻帶至60 Hz，以確保全面捕捉地震信號。

1.4 "通信條件與區(qū)域管理對接

江口電站位于重慶市境內(nèi)，應(yīng)基于重慶市的通信條件設(shè)計通信方式。同時，地震信息管理應(yīng)隸屬于重慶市地震局，以確保信息的統(tǒng)一歸口管理和快速響應(yīng)。

1.5 "強震與微震同步觀測

在進行微震速度量觀測的同時，應(yīng)在電站附近的臺站增設(shè)自由場強震觀測設(shè)備。通過這些觀測，尤其是在中強震發(fā)生后，可以獲取與地層結(jié)構(gòu)相關(guān)的力學參數(shù)^1-2]。

1.6 "分區(qū)監(jiān)測，優(yōu)化投資

為優(yōu)化投資，地震監(jiān)測可以實行分區(qū)管理，將庫區(qū)劃分為重點監(jiān)測區(qū)和一般監(jiān)測區(qū)，針對不同區(qū)域采取差異化的監(jiān)測策略。

1.7 "明確監(jiān)測能力

水庫誘發(fā)地震的監(jiān)測能力根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的優(yōu)先級有所區(qū)別：在重點監(jiān)測區(qū)內(nèi)，地震監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對震級下限為0.[A3]"5～0.8級地震的精確定位；而在一般監(jiān)測區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)的定位能力則覆蓋震級下限為1.0～1.2級的地震活動^[3]。這樣的分級設(shè)計充分體現(xiàn)了資源的優(yōu)化配置，兼顧了監(jiān)測精度與經(jīng)濟效益。

2 "地震監(jiān)測臺網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 "地震監(jiān)測臺網(wǎng)總體數(shù)據(jù)流程

地震臺通過IP數(shù)據(jù)流傳輸方式，將實時地震波形數(shù)據(jù)發(fā)送至臺網(wǎng)數(shù)據(jù)匯集基地。臺網(wǎng)中心和數(shù)據(jù)匯集基地均可以向地震臺發(fā)送控制指令，用于設(shè)備標定和運行監(jiān)控，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸與系統(tǒng)管理。

2.2 "數(shù)字測震地震臺網(wǎng)臺站構(gòu)成

江口水庫地震監(jiān)測臺采用虛擬專用網(wǎng)絡(luò)[A4]"（Virtual Private Network，VPN）線進行數(shù)據(jù)傳輸，供電方式為交流電，并配備不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統(tǒng)。專線輸入端安裝信號避雷設(shè)施，市電輸入采用二級避雷保護裝置。臺站的數(shù)據(jù)傳輸基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Internet Protocol，IP），數(shù)據(jù)中心或匯集基地可以對臺站設(shè)備和電源狀態(tài)進行實時監(jiān)控。

2.3 "數(shù)字強震地震臺網(wǎng)構(gòu)成

數(shù)字強震臺網(wǎng)結(jié)構(gòu)與測震臺網(wǎng)相似，但采用一體化強震計，省略了數(shù)據(jù)采集器，進一步簡化了系統(tǒng)構(gòu)成，適用于高強度地震觀測需求。

2.4 "地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)匯集基地構(gòu)成

地震監(jiān)測臺站的信號通過VPN專線接入數(shù)據(jù)匯集基地的路由器，該路由器具備外部地址網(wǎng)口。信號經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換機傳輸至實時波形數(shù)據(jù)接收發(fā)送服務(wù)器，服務(wù)器采用雙機備份配置。實時處理機從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，用于波形顯示與處理，同時支持通過人機交換機進行交互操作。數(shù)據(jù)中心通過專線從服務(wù)器獲取實時波形數(shù)據(jù)，進行進一步分析與存儲。所有設(shè)備均采用交流供電，配備UPS系統(tǒng)，電源由彭水電站營地提供。

2.5 "地震臺網(wǎng)中心構(gòu)成

江口水庫地震監(jiān)測臺網(wǎng)中心通過同步數(shù)字體系或互聯(lián)網(wǎng)，以IP協(xié)議實時接收數(shù)據(jù)匯集基地的波形數(shù)據(jù)。中心內(nèi)部通過局域網(wǎng)完成數(shù)據(jù)交換和處理，利用專用處理機進行地震分析，并將結(jié)果存儲于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。分析成果通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（Web[ 5]"）對外發(fā)布。中心供電同樣為交流供電，并配備UPS系統(tǒng)。

3 "地震臺網(wǎng)監(jiān)測能力評估

地震臺網(wǎng)監(jiān)測能力的評估方法如下：以某一震級為基準，選擇單個臺站為中心，以最大記錄距離為半徑繪制圓形區(qū)域，求出至少3個臺站覆蓋區(qū)域的交集，該交集即為該震級的理論監(jiān)測范圍^[4]。理論上，單個三分向地震臺可粗略估算地震參數(shù)；當?shù)卣鹋_數(shù)量N≥3時，可以獲得較為準確的地震參數(shù)；當N≥4時，能夠進一步計算震源位置的觀測誤差。通常，臺網(wǎng)設(shè)計采用N≥4的標準，凡是4個以上地震臺站能夠觀測到的區(qū)域，即為可監(jiān)測區(qū)域^[5]。在臺網(wǎng)臺基脈動和干擾較小時，當?shù)卣鸩ㄕ穹_到1～3 mm（模擬可見記錄地震儀的標準），地震波初動即可清晰辨識。在計算監(jiān)測能力時，通常將S波全振幅取為地震波初動振幅的6倍 ^[6]。

當臺站有水平向記錄時，震級計算公式為：

將監(jiān)測區(qū)域劃分為M×N的網(wǎng)格，并設(shè)定網(wǎng)格點為震中的位置，通過式（1）計算所有臺站的震級。然后，根據(jù)震級由小到大的順序進行排序。當網(wǎng)格點發(fā)生某一震級的地震時，至少需要4個臺站能夠記錄該地震事件^[5-6]。因此，某一震級即為該網(wǎng)格點的理論最小監(jiān)測震級。根據(jù)江口地震臺站的位置選擇與測定的地動噪聲水平，確定臺站的可用放大倍率（基于2 Hz的主頻）。使用地震監(jiān)測能力分析系統(tǒng)專用程序進行計算，得到臺網(wǎng)的監(jiān)測能力，計算結(jié)果如圖1所示。從圖1可見，臺網(wǎng)的布局方案與設(shè)計原則中的地震監(jiān)測能力目標高度一致，確保了監(jiān)測系統(tǒng)的有效性和可靠性。

4 "地震監(jiān)測臺網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

4.1 "系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

臺網(wǎng)中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建為分布式處理系統(tǒng)，功能劃分為五個子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)接收與發(fā)送系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、人機交互處理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)。各子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，同時通過網(wǎng)絡(luò)與其他臺網(wǎng)中心實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)共享，構(gòu)成了靈活高效的地震數(shù)據(jù)處理與協(xié)作體系。

4.2 "數(shù)據(jù)流程

4.2.1 "測震波形數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)接收與發(fā)送系統(tǒng)通過通信信道實時接收來自臺站和貴州相關(guān)臺站的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，并在本系統(tǒng)硬盤上生成對應(yīng)的連續(xù)波形文件。同時，接收的波形數(shù)據(jù)會被發(fā)送至監(jiān)控系統(tǒng)和實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)使用，并將網(wǎng)內(nèi)臺站的波形數(shù)據(jù)傳輸至彭水臺網(wǎng)中心。實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)利用接收到的波形數(shù)據(jù)進行事件檢測，并在檢測到地震事件觸發(fā)后，自動生成事件文件。人機交互處理系統(tǒng)通過調(diào)用生成的波形數(shù)據(jù)和事件文件，進行進一步的地震事件定位。

4.2.2 "地震定位結(jié)果數(shù)據(jù)

實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)生成的事件觸發(fā)信息和自動定位結(jié)果，會通過數(shù)據(jù)接收與發(fā)送服務(wù)器傳遞至監(jiān)控系統(tǒng)的地震事件監(jiān)控模塊，供后續(xù)處理和響應(yīng)。在每次速報定位后，速報結(jié)果會通過服務(wù)器發(fā)送至臺網(wǎng)及監(jiān)控系統(tǒng)，相關(guān)地震信息由地震事件監(jiān)控模塊發(fā)布。定位完成后，人機交互定位系統(tǒng)生成定位結(jié)果文件，編目軟件讀取這些文件并將定位結(jié)果保存至數(shù)據(jù)庫中，工作人員可以利用編目軟件查詢數(shù)據(jù)庫以編制地震目錄和觀測報告。

4.2.3 "臺站控制命令

臺站管理軟件通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制命令至數(shù)據(jù)接收與發(fā)送系統(tǒng)，再由該系統(tǒng)通過串口將命令發(fā)送到目標臺站。臺站返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)會通過數(shù)據(jù)接收與服務(wù)機轉(zhuǎn)發(fā)回臺站管理軟件，用于狀態(tài)監(jiān)測和功能優(yōu)化。

4.2.4 "監(jiān)控信息流程

數(shù)據(jù)接收與發(fā)送系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)時會實時監(jiān)控通信鏈路狀態(tài)，若出現(xiàn)鏈路中斷，將向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送報警信息。同時，在地震事件發(fā)生時，實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接收與發(fā)送系統(tǒng)向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送地震事件報警，確保快速反應(yīng)。

4.3 "產(chǎn)出資料處理

臺網(wǎng)中心將全年的事件波形數(shù)據(jù)和強震事件文件存儲于光盤中，妥善保存。每月生成地震月報目錄和觀測報告，所有報告均采用中國地震局制定的地震目錄和觀測報告標準格式，確保數(shù)據(jù)的權(quán)威性與規(guī)范性，為后續(xù)研究與決策提供可靠依據(jù)。

5 "結(jié)語

江口水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)為水庫地震活動的實時監(jiān)控提供了技術(shù)保障，能夠準確地定位地震事件并進行高效的數(shù)據(jù)分析。通過優(yōu)化的臺網(wǎng)布局和先進的技術(shù)手段，系統(tǒng)在提高監(jiān)測精度的同時，滿足了區(qū)域地震防災(zāi)需求。隨著系統(tǒng)的進一步完善，江口水庫將能夠更好地應(yīng)對地震活動帶來的潛在風險，為區(qū)域安全與防災(zāi)減災(zāi)提供堅實的技術(shù)支持。

參考文獻

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