中国大陆强震动观测发展研究＊

卢大伟李小军

1）中国地震局地球物理研究所，北京 100081

2）地壳运动监测工程研究中心，北京 100036

中国大陆强震动观测发展研究＊

卢大伟1，2）李小军1）

1）中国地震局地球物理研究所，北京 100081

2）地壳运动监测工程研究中心，北京 100036

本文通过全局性、长期性、前瞻性的开展强震动观测发展研究，总结了目前国内外强震动观测的现状及两者之间的差距，在此基础上，总结分析了21世纪前20年我国强震动观测领域发展趋势与态势，提出关于强震动观测发展系统的、整体的观点和看法，为领导决策提供咨询意见，为国家制定中长期发展规划，特别是“十二五”发展规划和重点项目提供参考。

强震动观测；现状；发展趋势；发展领域

引言

强震动观测是认识地震动特征和各类工程结构地震反应特性的主要手段［1］。我国是世界上地震灾害最严重的国家之一，地震引起的建筑物和工程设施倒塌破坏是导致人员伤亡和经济损失的主要原因。发展强震动观测，积累实际强震动数据，对于确定地震动衰减规律、研究场地土层反应、分析结构的抗震性能、进行地震危险性分析和地震区划，进而为建筑结构的抗震设计提供科学依据具有重要的意义［2－3］。

在过去的几十年里，强震动观测在地震工程学与近场地震学发展、地震区划图编制及工程结构抗震设计规范修订等方面发挥了重要的作用。近年来，随着社会经济的发展和数字观测技术的广泛应用，强震动观测台网规模与密度有了显著增长，强震动观测在地震工程学中的作用日益明显，应用领域也开始向地震烈度速报、地震预警、震害快速评估、地震应急反应与智能控制、结构安全诊断等方面逐步扩展，强震动观测已发展成为震灾预防与地震应急的重要基础［4－7］。

1 强震动观测现状

1.1 国际强震动观测现状

自1933年世界上第一个强震动观测台站建设以来，全球用于强震动观测的仪器数量现达3万余台。美国布设的强震仪有5 000台以上，其中结构台阵有400多个，目前正在实施ANSS计划，在26个地震危险性较高的大城市布设的7 000台强震仪分别位于自由地表和结构上，其中结构台阵不低于3 000个［8］；中国台湾已布设了700多个自由场强震动台站、100多个结构台阵，都市区内自由场台站的平均间距已近3km。日本的强震动观测仪器也有近5 000台，其中规模较大的强震动观测台网有：K－NET有线遥测强震动台网，由1 000个布设于自由场地的宽频带、大动态范围数字强震动台站组成，台站平均间距为25km；KiK－NET有线遥测强震动台网，由522个加速度计布设于井下100～2 000m的数字强震动台站组成；气象厅地震烈度观测台网，由522个使用简易强震仪的观测台站组成。

近年来，大震预警系统和地震快速反应系统在国际上也发展迅速［9－11］。墨西哥墨西哥市、日本东京和中国台北先后建立了基于实时强震动观测台网的城市地震预警系统，主要用于高速铁路的紧急制动、化工厂和核电站采取紧急防震措施、高层建筑电梯的地震控制、海啸报警以及消防部门和医院及时采取应急措施等。

同时，在基于强震动观测台网的震害快速评估系统方面也取得了很大进展［12］。例如，日本东京煤气公司建立了一个用于评估煤气管道系统震后破坏状况的SIGNAL系统。1998年1月，东京煤气公司又开始建立高密度实时地震监测系统SUPREME。在约3 100km2的范围内布设约3 600台新地震计（谱烈度计）。这种地震仪不仅能记录加速度时程，还能测定谱烈度以及根据最大加速度、谱烈度、估计位移和估计周期判断是否发生液化，目的是能够高精度地估计地震破坏和实时判定液化，以便及时采取应急措施。

另外，美国科学家还发展了一种基于微机的地震记录系统，用于进行震后快速安全评估。这种系统已在中国台湾的许多建筑物上布设，在震后1小时内就可以自动完成对建筑物的安全评估。

1.2 国内强震动观测现状

（1）现有观测规模

图1 我国大陆强震动台网分布

我国地震工程界历来十分重视强震动观测。目前，地震系统及其他部门和企业在自由场地及建筑物、桥梁和大坝等工程结构上布设了2 000多个强震动观测台站（图1），其中包括以获取自由地表强震动记录为目的的自由场地强震动台站，以烈度速报为目的的大城市地震动强度（烈度）速报台站，以获取研究特殊场地强地面运动特征为目的的活断层影响台阵、地震动衰减台阵、场地影响台阵、地形影响台阵，以获取结构地震反应数据进而依此研究结构抗震性能，改进结构设计方法为目的的典型建筑地震反应台阵、大型桥梁地震反应台阵、大型水坝地震反应台阵，以及以地震快速反应为目的的核电站、高速铁路、输油气管线、化工厂等特殊工程防灾安全台网等，但是多以自由场地强震动台站为主，特殊目的的台站仅见于少数示范工程。强震动流动观测基地配备了大量先进的仪器，能够实施大规模的地震应急流动观测，大幅提升了获取近场强震动记录的能力，并可为地震救灾决策提供可靠依据。研制出一套具有规范性和科学性的数据处理软件，建立了完整的强震动记录数据库，能够快速有效地提供数据资料的共享服务。通过前期的建设，我国强震动观测在台网规模和服务能力方面都取得了很大突破，强震动观测记录的获取能力得到了较大提高［13］。值得一提的是，在汶川8.0级地震中，我国现有的强震动观测台网获取了2万余条主、余震强震动加速度记录，极大地丰富了我国的强震动记录数据库，填补了我国获取强地震近场加速度记录的空白［14－18］。

另外，正在进行的“中国地震背景场探测项目”准备建设240个强震动观测台站，其中首都圈、兰州预警台站和自由场地观测台站各80个。广东、江苏、陕西、重庆、内蒙古等省、市、自治区地方政府将投资建设一大批强震动观测台站，而且在各地有继续扩大规模的趋势。

（2）相关规定

正是基于强震动观测在地震工程中的重要意义和作用，强震动观测已成为相关法律法规、技术标准的重要内容。

2009年5月1日开始实施新修订的《中华人民共和国防震减灾法》［19］明确规定：“水库、油田、核电站等重大建设工程的建设单位，应当按照国务院有关规定，建设专用地震监测台网或者强震动监测设施”，“国家支持全国地震烈度速报系统的建设”。2004年颁布的《地震监测管理条例》［20］明确规定：“核电站、水库大坝、特大桥梁、发射塔等重大建设工程应当按照国家有关规定，设置强震动监测设施”。国家标准GB50267－97《核电厂抗震设计规范》和电力行业标准DL5073－2000《水工建筑物抗震设计规范》以强制性条款提出了强震动观测系统的布设要求［21－22］；GB 50011－2001《建筑抗震设计规范》、SL60－94《土石坝安全监测技术规范》以推荐性条款提出了强震动观测系统的布设要求［2324］；部分地方法规（如北京、上海、河北、重庆、江苏、广东等）也明确了强震动观测系统的布设要求。

1.3 与国外先进国家的差距

尽管我国强震动观测取得了巨大进展，但是由于我国幅员辽阔，地震活动范围广，受经济发展水平等多种因素的制约，强震动观测在台网规模和密度、观测技术水平、强震动记录的获取能力和质量、数据积累和工程服务等方面与日本、美国、中国台湾等发达国家和地区相比尚有较大的差距。

（1）强震动台网台站的数量和布局远远不能满足防震减灾工作的需要。即使“十一五”项目完成后，重点监视防御区覆盖密度约为19台/10 000km2，而全国重点监视防御区仅占总国土面积的10%，全国覆盖密度约1.9台/10 000km2，与其他地震多发国家的覆盖密度相比差距非常大，与日本比，覆盖密度仅为日本的1/67，远远不能满足地震工程研究和防震减灾工作的需要。

（2）地震工程专业台阵无法满足抗震理论研究及结构本身抗震的需求。包括结构台阵、场地放大效应台阵、液化台阵、土－基础－结构相互作用台阵工程数量极其有限，主要是示范性的，全国不超过50个，与其他地震多发国家相比差距更大，与美国比，仅为美国的1/68。另外，随着经济的快速发展，各种新型复杂结构大量涌现，现有台阵远远不能满足抗震理论研究及结构本身的抗震需求。

（3）现有强震动台网技术系统有待进一步升级。我国现有强震动观测台网主要观测目的是获取近场强地面运动加速度记录，为抗震工程提供基础数据，技术系统满足基本需求，但距离建立烈度速报系统和地震预警系统要求还很远，需要在台网的密度和技术系统组成上进行升级改造。强震动观测的应用领域虽涉及较多，但实际社会服务能力有待进一步挖掘。而日本、美国、新西兰等国家强震动观测技术系统早已相当成熟，广泛应用于地震烈度速报、地震预警和结构健康监测与诊断等方面。

（4）目前，相关法律规定和执法主体不明确、法律法规执行力度不够严重制约强震动观测发展。一方面，地震部门作为防震减灾的执法主体，负有监督防震减灾相关法律法规执行的法定职责，但是与之紧密相关的工程设计、建设和质量监督的主管部门并非地震部门，部门之间的职能交叉、职能不明，客观上造成了相关审批把关环节上的脱节；另一方面，对于强震动观测设施的布设虽有相关规定，但是除核电厂外多为行业抗震设计规范中的推荐性条款，《地震监测管理条例》和部分地方法规中的规定也是依存于行业抗震设计规范，客观上造成了法律规定不明确，而且由于在工程建设中设置强震动观测设施会增加工程成本，许多建设单位就不考虑布设强震动观测设施，法律执行力度不够。而美国除重大生命线工程要求必须布设强震动观测设施外，洛杉矶市还明确规定6层以上建筑必须布设强震动观测设备，并纳入监督管理程序，严格执行。

2 强震动观测未来发展总体趋向和态势分析

作为防震减灾的一项基础工作，强震动观测与应用已日益受到社会和各级政府的重视，面临前所未有的发展机遇。根据我国实际情况，采取正确的发展策略，将有助于我国强震动观测的发展。强震动观测记录是构建震害防御体系的重要数据基础，同时强震动观测信息又是应急救援体系的重要参数指标。强震动观测工作应是在这两大体系工作要求下而不断发展的，其未来发展和建设方向应兼顾二者的工作要求。

强震动观测是科学地开展震灾预防、地震应急、救灾与重建等防震减灾工作不可或缺的基础（表1）。强震动观测获得的不同震源机制、不同距离、不同场地条件下的地震动数据，可以应用于震源机制研究、地震动衰减特征研究、场地效应研究、抗震设计反应谱的确定、重大工程抗震性能分析与试验研究、工程结构地震反应研究、工程抗震方法与技术研究等，为地震安全性评价、地震动参数区划图的编制、工程结构抗震设计规范制定提供依据，从而使建设工程抗震设防要求的确定更为科学与合理。近几年来，随着实时或近实时数据传输的数字强震仪的广泛应用和强震动观测台网规模与密度的显著增大，强震动观测不再局限于为近场地震学研究和地震工程学研究提供基础数据，而是拓宽到直接服务于减轻地震灾害实践，如：地震动强度（烈度）速报、地震预警、震害快速评估、工程结构健康监测与诊断、地震应急反应与智能控制等等。强震动观测应用领域不断拓展，使之在防震减灾事业中的地位得以大幅度提高。

表1 强震动观测应用体系

综上所述，强震动观测未来发展方向及重点领域应包括：强震动观测相关法律法规制定，强震动观测技术支撑平台建设，强震动观测台网建设（包括烈度速报台网和预警台网），工程结构强震动台阵建设，针对重大工程的地震紧急处置工程建设，强震动观测社会服务平台建设，强震动观测国际合作与人才队伍建设。

3 强震动观测发展的指导思想和发展思路

3.1 指导思想

强震动观测的发展规划在规模、应用、机制及法规建设上与国家防震减灾规划保持高度一致，促进强震动观测工作健康、有序、有效发展。结合强震动观测及其应用的自身特点，通过科技创新、技术攻关，提升强震动观测技术支撑能力，提高观测质量和社会服务水平；通过协调发展，统筹国家、地方和社会资源，合理布局，逐步扩大台网规模，提高强震动观测能力；通过国际合作，引进发达国家先进技术，提高我国强震动观测工作的技术水平。

3.2 发展思路

（1）强化法律法规，完善行业标准

一方面要加强与立法部门的沟通，从发展我国地震工程科学的角度，根据国民经济、科学技术发展水平和需求，建立完善相应的法律法规，加大监督管理力度，引导重大建设工程布设强震动观测设施；另一方面，积极推进相关行业抗震设计规范的修订，从地震安全角度出发，根据实际需要，进一步明确强震动设施布设的原则和要求。同时，要加快强震动观测相关技术规范和标准的制定，指导台站的建设和强震动观测相关技术工作，实现强震动台网建设、运行、管理和应用的规范化、标准化、程序化，提高观测效益。

（2）统筹台网布局，扩大强震动观测台网的规模和密度

统筹规划全国强震动观测台网的布局，加大投入力度，有计划有步骤地加密建设自由场强震动台站以及专用台阵，努力提高我国强震动记录的获取能力，积累强震动数据；在稳定国家投入基础上，鼓励多元化、多渠道的投入，引导地方和企业投资发展强震动观测，对台网布局和观测技术加强指导，实现观测数据的共享，形成优势互补，共同促进强震动观测事业的发展。

（3）建立强震动观测技术支撑系统，提高观测技术水平

开展强震动观测方法与应用研究，针对不同功能需求，在通讯、条件保障、先进仪器开发、设备稳定性等方面开展技术攻关，建立强震动观测技术支撑系统。进一步补充功能并发展强震动观测与应用相关的软件及基础数据库，加强强震动观测社会服务平台建设。通过国际合作、产学研结合，提高技术支撑能力。

（4）完善人才培训机制，加强人才队伍建设

完善人才培训机制，加大国际合作和技术培训、交流力度，充分发挥专业技术人员的主观能动性，开展相关研究工作，努力提升业务水平，建设一支强有力的强震动观测专家队伍。同时，推进不同层次强震动观测队伍建设和人才培养工作，提高地方和企业自身管理和服务能力。

（5）拓展应用领域，提升强震动观测的服务意识和能力

加强强震动记录在地震区划图编制、抗震设计规范修订、建设工程抗震设计等领域的应用研究；同时，也要加强强震动观测在地震烈度速报、地震预警、震害快速评估、地震紧急处置、结构健康监测与诊断等方面的研究，逐步拓展其服务领域，提升强震动观测服务于社会的能力。

4 强震动观测未来发展的战略目标

4.1 总体目标

以提高强震动观测和社会服务能力为核心，通过强化相关法律法规，完善技术规范和标准，引导和规范强震动观测的建设与发展；通过发展新的地震传感器技术和观测理论，开展地表、深井、结构和海洋观测；通过合理的继承和扬弃，集成创新工作思路，大力发展强震动观测台网，增强观测基础；通过国际合作、交流和完善人才培训机制，培养一支适应我国强震动观测事业发展战略需求的人才队伍；同时着重加强结构健康监测与诊断系统和重要工程地震紧急处置系统建设，加速推进科技成果向公共服务产品转化，提高社会服务能力和水平。

4.2 阶段目标

“十二五”期间，应着眼于强震动观测台网规模的进一步扩大和社会服务体系的建立。结合国家防震减灾工作的要求，出台一系列的法律法规、技术规范和标准；开展强震动观测领域的科技创新，加大台网建设与应用的投入，全面提升台网强震动记录获取能力；推进基础理论与应用研究，完善台网数据收集和处理技术，研发具有自主知识产权的强震动观测设备；加强各级强震动观测人才的培养，建立强震动学科领域的专家智囊和技术管理队伍。

强震动观测在“十二五”期间应达到的主要指标包括：台网规模和密度得到进一步的扩大，重点监视防御区平均台距不超过25km；强震动台网的自动化能力进一步提高，具备快速获取强震动观测记录的技术手段和机制，国家强震动台网中心在震后1小时向指挥机构提供初步的强震动数据分析结果；社会服务能力得到进一步加强，能够根据不同行业需求，实现数据共享；结构健康监测与诊断系统与地震紧急处置系统得到大量推广应用。

5 重点技术发展领域与重大项目探讨

5.1 重点技术发展领域

（1）强震动观测相关技术标准

现阶段急需制定或修订的技术规范和标准：强震动台站建设标准、强震动观测仪器标准、强震动台站基础建设定额标准、强震动观测规程、强震动数据规范。有效指导台站建设和强震动观测相关技术工作，实现强震动观测和管理的标准化、程序化，从而提高观测质量和观测水平，同时强震动的应用服务同样需要相关标准体系进行指导。

（2）结构健康监测与诊断技术

选取典型重大结构布设地震反应台阵，研究结构健康监测与诊断方法与技术。涉及内容包括台阵的布设技术，数据处理技术，结构自振特性（自振频率、振型及阻尼）、传递函数、自相关及互相关函数、频谱（反应谱、Fourier谱、功率谱）等的分析计算，实现结构损伤识别与健康诊断。

（3）重要工程地震紧急处置技术

选择典型重要工程，开展地震紧急处置系统建设，研究其关键技术与方法，推进地震紧急处置社会服务相关法律法规的制定。涉及内容包括不同处置模式的特点和作用，异地与本地预警技术，多种观测手段相结合的综合预警技术，地震预警及紧急处置辅助决策技术，地震信息检测与紧急处置联动技术，地震紧急处置级别准则与风险分析，为震前震害预防和震时次生灾害预防与人员紧急避险提供技术方法。

（4）地震动影响场快速判定技术

建立基于密集强震动台网的地震动影响场快速生成与发布系统，涉及内容包括强震动台网优化布局、地震动台站数据实时传输关键技术、地震动加速度时程实时处理技术、地震动影响场空间分布确定及场地影响调整方法、地震动影响场图像生成与发布系统研发，推进破坏性地震的地震动影响场快速判定与发布技术的发展和应用，提高我国抗震救灾决策能力。

5.2 重大工程

（1）地震动强度（烈度）速报台网工程

合理布设具备烈度速报功能的强震动观测台站，建设烈度速报中心，组成地震动强度（烈度）速报台网，实现大震后地震动强度（烈度）的速报，提高震害快速评估能力和抗震救灾的决策能力，同时丰富我国近场强震动观测数据。内容包括：台址勘选、台站基本建设、设备选型、安装、通讯保障、烈度速报中心建设、记录实时处理及速报结果生成与发布。

（2）地震工程观测综合实验场建设工程

选取同时具有不同场地条件、典型工程结构、生命线工程的某一城市布设以强震动观测为主的综合观测台阵，为地震工程及防震减灾研究提供基础数据与天然试验场。内容包括：实验场场地的选取和勘测；典型工程结构与设施的选择；建造抗震技术选择和施工建设；强震动观测台阵布设；结构损伤、场地震害和全过程监测；震害的综合评估方法；工程结构的健康诊断。

（3）典型重要工程地震预警与紧急处置系统工程

选取典型生命线工程布设强震动台网，开展地震预警与紧急处置系统工程建设，提高生命线工程防御地震灾害特别是次生灾害的能力。内容包括：地震预警与紧急处置台网或台站布设及相关技术；地震数据实时传输技术和快速处理方法；地震信息检测与紧急处置设备联动技术；防止误触发技术以及处置方案。

（4）强震动观测信息管理与服务平台建设

在现有国家强震动台网中心和区域台网部的基础上，建立功能覆盖全国，控制局部，具有联动功能的强震动观测信息管理与服务技术支持平台，实现与国务院及地方抗震救灾指挥中心信息快速互动与协同工作，以及对城市、重大工程地震紧急处置快速服务。内容包括：1个国家强震动观测信息管理与服务中心，3个区域强震动观测信息管理与服务中心。

6 结语

随着时代的发展，科技的进步，我们对强震动观测的认识在不断地深化，对强震动记录数据的应用在深入地拓展，新的内容、新的方法、新的技术会在强震动观测领域不断涌现。强震动观测的发展面临前所未有的机遇和挑战，强震动观测事业的发展，需要地震部门与相关行业部门的紧密协作和配合。我们必须与时俱进，不断开拓，将强震动观测的发展与应用逐步引向更高的层次，为社会防震减灾事业做出积极的贡献。

本文及有关研究得到了杜玮、周雍年、温瑞智、周正华等研究员的帮助和支持，在此一并致谢。

（作者电子信箱，卢大伟：dwlu＠neis.gov.cn）

［1］周雍年.强震观测的发展趋势和任务.世界地震工程，2001，12（4）：19－26

［2］周雍年，周正华.数字时代的强震动观测.“新世纪地震工程与防震减灾”论文集，北京：地震出版社，2002

［3］周雍年.中国大陆的强震动观测.国际地震动态，2006（11）：1－6

［4］金星，李山有，李祖宁，等.展望地震监测台网的发展与应用.中国地震，2006，22（3）：242－248

［5］李山有.强震动观测的应用.东北地震研究，2004，20（4）：64－74

［6］王卫争.高层建筑结构地震反应观测台阵优化布设方法研究.大连：大连理工大学，2007

［7］贺志勇，兰衍亮，戴少平.大跨度桥梁强震动数字监测系统的研制.华南理工大学学报（自然科学版），2009，37（3）：94－98

［8］http：∥earthquake.usgs.gov/monitoring/anss/

［9］李山有，金星，马强，等.地震预警系统与智能应急控制系统研究.世界地震工程，2004，20（4）：21－26

［10］Gilead Wurman，Richard M.Allen，Peter Lombard.Toward earthquake early warning in northern California.Journal of Geophysical Research，2007，112：1－19

［11］袁晓铭.我国高速铁路地震预警系统建设问题研究.自然灾害学报，2009，18（1）：34－43

［12］李山有，金星，陈先，等.地震动强度与地震烈度速报研究.地震工程与工程振动，2002，22（6）：1－7

［13］卢大伟，李小军.我国强震动观测的现状与发展趋势.山西地震，2008，3：40－42

［14］卢寿德，李小军.汶川8.0级地震未校正加速度记录.北京：地震出版社，2008

［15］李小军.汶川8.0级地震余震固定台未校正加速度记录.北京：地震出版社，2009

［16］李小军.汶川8.0级地震余震流动台站未校正加速度记录.北京：地震出版社，2009

［17］Xiaojun Li，Zhenghua Zhou，Moh Huang，et al.Preliminary analysis of strong－motion recordings from magnitude 8.0Wenchuan，China，earthquake of 12May 2008.Seismological Research Letters，2008，79（6）：844－854

［18］温瑞智，周正华，李小军，等.汶川MS8.0地震的强余震流动观测.地震学报，2009，31（2）：221－225

［19］中华人民共和国主席令第7号.中华人民共和国防震减灾法.2008

［20］中华人民共和国国务院第409号令.地震监测管理条例.2004

［21］中华人民共和国国家标准.GB50267－97核电厂抗震设计规范.1997

［22］中华人民共和国行业标准.DL5073－2000水工建筑物抗震设计规范.2000

［23］中华人民共和国国家标准.GB50011－2001建筑抗震设计规范.2001

［24］中华人民共和国行业标准.SL60－94土石坝安全监测技术规范.1994

Study on development of strong motion observation in China

Lu Dawei1，2），Li Xiaojun1）
1）Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China
2）National Earthquake Infrastructure Service，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China

After a systematic search of the history and development of strong motion observation，we present in this paper a summary of the current situation of strong motion observation.On this basis，development trend in the future is prospected and some problems at present are analyzed.Finally，advices are given about how to promote the development of strong motion observation in protecting against and mitigating earthquake disasters.

strong motion observation；present situation；development trend；development areas

P315；

A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2010.10.007

2010－07－13。

中国地震局“十二五”发展规划研究项目资助。