武汉市轨道交通运行对地磁观测的影响＊

罗俊秋 李德前 贺玉方 孙伶俐 邓 娜 杨艳芳

(湖北省地震局,武汉 430071)

武汉市轨道交通运行对地磁观测的影响＊

罗俊秋 李德前 贺玉方 孙伶俐 邓 娜 杨艳芳

(湖北省地震局,武汉 430071)

对武汉市轨道交通一号线附近进行了地磁干扰测试,测试结果表明轨道交通的运行对周边地磁观测产生了干扰,干扰距离为 10km左右,其干扰主要来自轨道泄露电流产生的磁场和输电线路产生的磁场。

轨道交通;地磁观测;地磁干扰测试;泄露电流;输电线路

1 引言

随着城市建设的不断发展,城市轨道交通的出现与发展对地磁观测产生了不利影响,国内外已有不少地磁台站因受城市轨道交通的电磁干扰而被迫搬迁。武汉轨道交通一号线 (以下简称轻轨)2004年 9月 28日正式运行,一期工程为高架线路,全长10.234 km,采用直流牵引供电。

武汉地磁台距离已运行的轨道交通线约 20km,低于《地震台站观测环境技术要求》中规定地磁台站距地铁安全距离为 30 km的要求,为了研究以目前方式运行的轻轨线路的影响范围及对武汉台地磁观测的影响状况,在武汉市轨道交通一号线附近进行地磁干扰测试有其必要性。

2 地磁干扰测试方法

本次测试的方法为利用高精度数字化的地磁观测仪器,测试距轻轨不同距离布设多个观测点,实施连续时间段的野外观测,以获取可靠的数字化试验数据。野外现场测试时间为每个点位连续记录 24小时左右,主要记录轻轨运行和停止时地磁场的变化,找出轨道运行与地磁观测的安全距离。实验中使用了 G M4型磁通门磁力仪,该仪器测量地磁场水平分量H、垂直分量 Z和偏角D的变化,同时监视探头温度 T。分辨率为 0.1 nT,采样率为 1 Hz,温度系数小于 1 nT/℃。

根据轻轨的地理布局,选择了地磁观测环境比较好的汉阳和武昌东湖两个区域布设测点。经过仔细勘察,选定了距轻轨分别为 245 m、1.54 km、4.54 km、7.3 km、8.95 km、9.86 km、11 km、14.2 km、16.8 km的 9个野外测试点。在具体点位选取中,采取点位分布与轻轨线路基本垂直的原则,选取的测试点位远离城镇、工厂、高压线和其他轨道交通线,并距公路有一定的距离。点位选取时使用 GPS进行精确定位,点位分布情况见图 1,各地磁测点基本情况见表1。

3 数据处理及分析

3.1 观测曲线分析

将各地磁野外试验测点所测得的地磁三分量数据绘制成曲线,见图 2。从图 2中可以看出：

图 1 地磁干扰试验测点布设示意图Fig.1 Distribution of the geomagnetic test points

表 1 地磁干扰试验测点(位)情况Tab.1 Parameters of the geomagnetic test points

1)1号点观测数据曲线形态较粗,且毛刺较多,特别是 Z分量的毛刺干扰集中在轻轨运行时段,较强的干扰脉冲为火车通过时的干扰,说明 1号测点受到轻轨运行和火车通过的双重干扰,如图 3所示。在 1号点位附近轻轨干扰量约为 30 nT左右,轻轨干扰包括车体经过时的干扰以及线路的电磁干扰;火车干扰量约为 50 nT左右,火车干扰主要为车体的磁性材料干扰,有时火车车箱多时最大干扰高达150 nT。

2)2号点观测数据曲线相对 1号点光滑,但观测曲线仍然较粗,Z分量观测曲线特别是轻轨运行期间毛刺较多,较强的干扰脉冲为火车通过时的干扰,说明 2号点位附近受轻轨运行和火车通过的双重干扰明显。

3)3号点观测数据曲线较为光滑,白天和晚上在轻轨运行期间干扰明显,由于铁路距测试点较远,火车通过干扰不明显。

4)4号点至 6号点观测数据曲线较为光滑,白天和晚上在轻轨运行期间干扰不太明显。受观测气温的影响,数据存在一定的漂移现象,但整体日变清晰;由于受公路及周边人为活动影响,观测曲线产生毛刺、小台阶、间断性曲线变粗等。

5)7号点观测数据曲线较为光滑,白天和晚上在轻轨运行期间干扰不明显。由于地磁观测仪器安装在野外,在 7号点观测夜间 2时—5时打雷下雨,造成该时段 Z分量干扰比较明显。另外,该测点距沌口的火力发电厂 3 km,距一家中型汽车加工厂400 m,使得其地磁试验观测数据毛刺较多。

6)8号点和 9号点观测数据曲线较为光滑,白天和晚上在轻轨运行期间无干扰。这两个测点位于武昌东湖地区,测点周边观测环境较为平静,且测点据汉口的轻轨 1号线 14km以上,除受城市公路交通影响外,干扰源较少。地磁试验观测曲线除有个别突跳点及受观测环境温度影响产生的漂移外,整体稳定性较高,日变清晰。

图2 轻轨干扰地磁试验观测曲线Fig.2 Disturbed curves of the geomagnetic test

3.2 Z分量分析

地磁三分量记录中 Z分量相对比较稳定,对于轻轨运行干扰反映比较显著的特点,分析中采取以Z分量记录为代表,对每个测点采集的数据经处理后,选取轻轨停车 (21：30—22：30)、开车 (06：00—07：00)和平静(00：00—01：00)3个时段绘制对比图(图 4、5、6),分析轻轨干扰情况,各时段干扰量见表2。

从图 4～6中可以看出,不论是轻轨开车、停车还是平静时段,在 6号点附近轻轨的干扰量均为0.2 nT左右;7号点距沌口的火力发电厂 3 km、距中型汽车加工厂 400 m,受环境因素影响较大,造成其在轻轨运行期间其干扰量略大于 6号点,干扰量为0.5 nT左右,其夜间地磁观测数据受晚上 2时—5时打雷下雨,造成该时段干扰比较明显,其他时段的干扰量为 0.2 nT左右;距离较远的 8号和 9号点受轻轨的干扰量均为 0.2 nT左右。由于这些测点均离公路较近,受公路车辆等影响,在平静时段其干扰量也为 0.2 nT左右。整体而言,目前武汉轻轨客车运行对地磁观测环境的干扰影响的最小距离应在 10 km左右,对武汉地磁台的地磁观测暂无影响。

图 3 1号点地磁试验 Z分量观测曲线(2009-11-03—04)Fig.3 Curve of Z component of the geomagnetic test at point 1(2009-11-03—04)

图 4 轻轨停运时段(21：30—22：30)地磁试验 Z分量观测曲线Fig.4 Curve of Z component of the geomagnetic test in light rail stop ti me(21：20-22：30)

图 5 轻轨开车时段(06：00—07：00)地磁试验 Z分量观测曲线Fig.5 Curve of Z component of the geomagnetic test in light rail running ti me(06：00-07：00)

图 6 轻轨平静时段(00：00—01：00)地磁试验 Z分量观测曲线Fig.6 Curve of Z component of the geomagnetic test in light rail inactive ti me(00：00-01：00)

表 2 轻轨干扰地磁试验的测试结果统计Tab.2 Statistics of the geomagnetic test results

3.3 地磁干扰噪声分析

本次地磁干扰试验计算地磁背景噪声的算法如下(计算结果见表 3和表 4)。

1)计算 F、Z、H、D各要素在选定时段预处理数据的一阶差分;

2)统计各个一阶差分绝对值的频度 (即出现次数/总数);

表 3 各测点平静时段噪声Tab.3 Geomagnetic noise at each point in light ra il inactive ti me

表 4 各测点轻轨干扰时段噪声Tab.4 Geomagnetic noise at each poi nt in light ra il moving ti me

3)若某个值的频度大于 80%,则该值的 2倍即为该要素的背景噪声 SF、SZ、SH和 SD;若没有频度大于 80%的数据,则对频度总和为 80%的几个绝对值求平均(即将频度大小排序,从第一个依次求和,直到和大于 80%为止),平均值的 2倍即为该要素的背景噪声 SF、SZ、SH和 SD。

从表 3和表 4的噪声情况可以看出：1号点和 2号点平静时段的背景噪声偏大,主要是受附近公路、铁路和轻轨线路的运行及车辆干扰;3号点附近在平静时段的背景噪声较为平静,但轻轨运行时段其3分量噪声水平,特别是 Z分量的噪声,明显高于轻轨停运时段,说明距离轻轨 4.5km的地段受轻轨运行的影响明显;4号点在地铁运行时段的噪声水平已较为平静,比较起来白天的噪声水平低于夜间噪声,经考察发现 4号点靠近主要交通干道、公路及立交桥,夜间大型货车行驶较多,造成夜间噪声水平高于白天;5号点和 6号点存在和 4号点相似的问题,即平静时段的噪声水平相较与干扰时段的噪声略有增大,但 5号点地磁噪声水平,在平静时段和干扰时段整体高于 4号点位的噪声水平,而 6号点的噪声水平,在平静时段和干扰时段整体明显低于 4号点位;7号点距沌口的火力发电厂 3 km,距一家中型汽车加工厂400 m,周边城市交通要道分布,车辆往来较密,造成其地磁噪声水平,特别是 H分量的噪声水平较高,但仍能看出其在平静时段和干扰时段的噪声水平基本一致;8号点和 9号点在运行和平静时段的背景噪声都较小,这两个测点均位于武昌东湖地区,周边观测环境较为安静,除受城市公路交通影响外,干扰源较少,经观测结果发现该地区地磁水平分量 H的背景噪声水平相对较大,主要受武汉钢铁厂的影响。

对轻轨地磁干扰测试布设的 9个点位的地磁D、H、Z 3分量观测数据,进行平静和干扰时段背景噪声的综合分析,认为 6～9号点位附近背景噪声在轻轨运行和停止工作时段都较小,地磁观测结果表明 6号点位以后轻轨运行对地磁观测基本上没有干扰,目前武汉轻轨客车运行对地磁观测环境的干扰影响的最小距离应在 10 km左右。

4 分析和讨论

从武汉轨道交通一号线附近进行的地磁干扰测试结果和分析可以看出,目前轻轨运行对地磁观测环境的干扰量在0.2 nT左右的最小距离应在 10 km左右,对地磁观测背景噪声的干扰也基本在 10 km左右恢复。

分析轻轨客车运行干扰的机制,认为其对磁场环境造成的干扰主要有以下 3个方面：

1)轨道泄露电流产生的磁场。轻轨运行对地震台站电磁观测产生的电磁骚扰影响,起因于轻轨运行时在馈电线和走行轨上存在着电流,而且轻轨运行过程中走行轨对地漏电,导致馈电线电流与走行轨回流电流之间的不平衡,是地铁对地震电磁观测产生骚扰影响的最重要的物理原因。

2)轻轨列车运行过程中以直流方式供电的输电线路产生的磁场,其影响量与线路负载 (即列车频次、负荷、速度等)有关。

3)车体本身铁磁性物质产生的干扰。以目前方式运行的轻轨列车其本身铁磁性物质产生的干扰不会超出1 km,其影响远远小于轻轨以上两种方式产生的影响。

从本次地磁干扰测试结果看来武汉轨道交通一号线对地磁观测的干扰,主要来自于轻轨泄露电流产生的磁场和输电线路产生的磁场影响。本次实验测试结果只是轨道交通线路地上 (高架线路即轻轨)部分的影响结果,地下部分(地铁)影响会更大,需要另行进行测试分析。随着使用时间的延长,轻轨泄露电流会逐渐加大,其干扰范围也会逐渐加大,因此,目前我们应该留出足够的安全距离,并在今后不断追踪实验,给出科学合理的结论。

1 中国地震局.地震及前兆数字观测技术规范[M],北京：地震出版社,2001.

2 孙枋友,王秀山.北京市地下铁路电磁场地面分布的测绘结果[J].地震地磁观测与研究,1984,5(1)：57-63.

3 马钦忠,等.上海市地铁对地磁观测影响的实验分析[J].地震地磁观测与研究,2004,5(1)：25-29.

4 于政轩,等.大连轻轨客车运行对地磁观测环境干扰的测试与分析[J].地震地磁观测与研究,2004,6(1)：55 -62.

5 徐学恭,等.津滨轻轨地磁干扰范围的实验研究 [J].地震地磁观测与研究,2008,29(6)：41-44.

INFLUENCE OFW UHAN C ITY RA ILCAR ON THE GEOMAGNETIC OBSERVATION

Luo Junqiu,LiDeqian,He Yufang,Sun Linli,DengNa and Yang Yanfang
(Earthquake Adm inistration of Hubei Province,W uhan 430071)

The results of the geomagnetic test aroundWuhan first city light railline indicate that the moving of trains on the city railcar disturbs the environment of geomagnetic observation and the influence basically disappears by 10 kilometers from the railcar line.The disturbance results from the leakage of electric current by railway and transmit electricity line.

city railcar;geomagnetic observation;geomagnetic disturbance test;leakage of electric current;transmit electricity line

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0135-06

2010-01-10

中国地震局地震研究所所长基金(IS200846081)

罗俊秋,工程师,主要从事地震监测预报工作.E-mail：luojq04@163.com

P315.73

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