建立地震预警、地震报警和烈度速报综合系统的思考＊

王 暾 龚 宇 顾建华 陈天长 杜文康 周 玮

1)成都高新减灾研究所,成都 610041

2)四川省地震局,成都 610041

3)中国地震局地球物理研究所,北京 100081

建立地震预警、地震报警和烈度速报综合系统的思考＊

王 暾1)龚 宇2)顾建华3)陈天长2)杜文康2)周 玮2)

1)成都高新减灾研究所,成都 610041

2)四川省地震局,成都 610041

3)中国地震局地球物理研究所,北京 100081

如何减少地震灾害所引起的人员伤亡、次生灾害以及快速判断灾情以落实全面的防御观,是我国自汶川地震以来非常关注的问题。在建设我国地震烈度速报和预警系统的背景下,我们提出尽可能减少投资以改变传统模式、建设不需要专门观测房的监测系统,提高烈度速报和预警系统的监测点密度,实现地震预警、报警和烈度速报综合系统,为全社会提供更好的防震减灾公共服务的思考。

地震预警;烈度速报;地震报警

1 国家地震烈度速报和预警项目背景

我国大陆是全球地震高发的区域之一。进入21世纪以来,我国已发生2次8级以上巨震,其中2008年汶川8.0级地震,造成了巨大的人员伤亡和经济损失。汶川地震后,我国大陆及周边地区地震进入了相对活跃时期,地震数量明显增多,并于2010年4月14日发生了玉树地震。面对严重的震情形势,如何用技术手段有效地减轻破坏性地震所造成的人员伤亡和经济损失,是我国迫切需要解决的问题。随着我国社会经济的飞速发展和数字地震观测技术的推广应用,地震烈度速报和地震预警等新型防震减灾手段[1-3]日益引起我国政府和公众的关注。

地震烈度速报系统就是在国土范围内大面积布设具有一定分布密度的地震监测仪。当地震发生后,分布于不同地点的地震监测仪在获取地震动数据后,根据获取的数据及时绘制出能够反映受灾范围和受灾程度的地震等烈度线图,从而为政府抗震救灾初期的抗震救灾决策提供依据。地震监测仪越密集,给出的地震影响程度越详细全面。目前,美国、日本等国家以及我国台湾地区都已经建立了地震烈度速报系统。我国也已经在5个城市进行了地震烈度速报的示范。

所谓地震预警,就是在一定地域布设相对密集(例如,台站间距20 km左右)的地震观测台网,在地震发生时,利用地震波与无线电波或计算机网络传播的速度差,在破坏性地震波(横波或面波)到达之前给预警目标发出警告,以达到减少地震灾害特别是地震次生灾害的技术。地震预警的关键是利用地震波的前几秒的数据准确估计震级、震中位置以及快速估计地震对预警目标的影响等。目前,日本已经建成了向公众发布预警信息的全国性地震预警系统,美国在加州地区建设的地震预警系统已进入试运行阶段。也有的将获得预警时间并进行紧急处置的整个技术系统总称为地震紧急处置系统。

我国已在烈度速报和预警技术方面进行了大量研究[4-13]。其中,卢大伟和李小军[4]研究了强震动观测与紧急处置的关系;目前首都圈地震预警试验项目正在顺利进行,已经取得了可喜的成果[7];国家科技攻关计划“地震预警与烈度速报系统的研究与示范应用”项目已经于2010年3月在福建省地震局启动[14];包含了在兰州、首都圈进行预警试验的《国家地震社会服务工程》项目已经于2010年5月启动。

在这些前期研究的基础上,国家高层高度重视相关工作,在2010年《国务院18号文件》[15]就提出将在“十二五”期间在国内建设烈度速报和预警系统。目前,中国地震局拟定的重点项目《国家地震烈度速报与预警工程》的项目建议书已经于2010年9月顺利通过中国地震局科学技术委员会咨询论证[16]。但由于经费的限制,拟定建设的台站间平均间距约为30～40 km。这将使得预警时间比较短,烈度速报效果也有待提高。

本文将在国家建设地震烈度速报和预警系统的背景下探讨如何在控制成本的条件下加大地震监测仪器密度,以将地震来袭信息更及时地用于地震紧急处置和人员避险,更好地实现地震工作为社会服务。

2 在国家烈度速报和预警监测网中加大监测点密度的必要性

为绘制准确烈度分布图,需要足够的地震监测仪将地震动数据传回。但在大地震发生后,其中一些地震监测仪由于通信中断、仪器损坏等原因无法将数据传回数据中心。显然,若监测仪总量较多,即使其中一些仪器未能传回数据,烈度速报系统仍然能够绘制较为准确的烈度分布图。因此,在烈度速报系统中增加监测仪密度很有必要。

为了提高预警效果,预警时间越长越好。预警系统为发布地震预警信号需要一系列环节的处理,每个环节都需要时间。例如,地震监测仪将信号传送到预警中心具有的通信延迟、预警中心的处理所需时间、预警信息的发布等。这些都会使得在震中附近存在一个区域,在该区域中收到预警信息的时间已经迟于S波到达时间。该区域一般称为预警盲区。为了减少预警盲区,需要减少监测仪器的间距。经估算,间距在15～20 km时预警盲区半径在30 km内(此处假定震源深度10 km,为了准确预警最少需要的4个台站的平均间距10 km,P波传播到这些台站的时间为2 s;为了准确预警需要的P波数据段时间为3 s;加上通信延迟、数据处理、预警发布共2.5 s,总共在震后发布预警信息之前最少需要约7.5 s。假定S波速度4 km/s,则盲区半径约为30 km)。考虑到地震的破坏区域主要在震中及其附近,盲区半径应该越小越好。因此,监测仪密度越大越好。

3 对地震报警系统和预警系统的思考

我们首先从地震紧急处置的服务对象着手分析建设地震报警系统的必要性。地震紧急处置首先是为工程服务,例如高铁、燃气管线等的地震紧急处置服务,其次是为人员、尤其是人员密集场所的人员避险服务。

对于某些工程,例如燃气管线,并不一定需要在地震P波到达之前就被关闭,而是只需要在地震波,甚至S波,到达后短时间内关闭即可,因为少量的燃气泄露并不足以导致火灾或爆炸。对处置需求时间的减少将减低建设成本。

紧急处置系统的另外一个应用是对人员报警。对人员的报警也有几种方式:一是在地震P波到来之前对人员就有警报;二是地震P波到来后对人员发出警报(该方式的警报也是一种预警——现地法预警[12]);三是地震S波到达时对人员发出警报。有人会提出,S波到达后再报警还有用吗?事实上,已有资料表明[17],在普通民居建筑质量的情况下,房屋在遭到地震破坏前大概可以抵御地震袭击约12 s;四川省地震局位于汶川地震重灾区的地震观测台的没有抗震设防的围墙是在地震波到10 s后倒塌的(数据由四川省地震局监测研究所提供)。当然,利用这短暂的十几秒时间避险的前提是人员需要知道地震正在发生。在没有进行训练或缺乏足够知识的情况下,快速而准确知道正在发生的地震并不是一件容易的事。常规办法是看窗外的树木是否在晃动,吊灯是否在晃动等,这些都是不够及时的,且地震进行时,很多人发生晕眩,更不容易进行判断。例如,在汶川特大地震发生时,很多群众在惊恐中未能及时意识到地震灾害的来临而丧失了宝贵的逃生时机。报警装置可以减少地震来袭判断时间,提高避险逃生机会,特别是在群众具有避震知识和进行防震演习后(图1)。

图1 地震报警系统的效能

图1比较了有报警系统和没有报警系统时人员对地震来袭的响应情况。可以看出,在有报警系统后,开始避险前的步骤减少了4个阶段,可以节省出宝贵的时间进行避险。另外,报警装置能够应用于防震演习,并让在演习时发出的警报声音与实际地震来袭时发出的警报声音相同。这将大大增加避险的熟练程度,减少在地震来袭时的慌乱。

既然S波到达后再发出地震来袭警报都有用,则在P波到达时发出警报,甚至是P波还未到达时就发出警报的系统(异地地震预警系统)则应该更有利于地震避险了,特别是对较远震(例如,震中距＞70 km的地震),异地地震预警系统能给出更多避险时间。显然,异地预警系统要求报警装置具有接收国家预警台网预警信息的功能。

鉴于需要接收地震预警信号的用户包含了各行各业,我们设想在报警装置中加装地震监测传感器。这样,内置了地震监测传感器的报警装置在通信网络的支持下可以向国家地震预警台网提供监测信号,这可以使得国家预警台网具有更密集的监测点。这方面日本的HomoSeismo系统已经作了初步的尝试[18]。虽然HomoSeismo系统的本意是将采集装置安装在家庭中,但考虑到目前,中国公众对于此类装置还难于形成购买力,所以采取公共投资的形式安装维护此类设备似乎更为可行。这将大大加大监测仪器的密度,从而具有更好的预警和烈度速报效果。

除了直接的报警、监测方面的用途外,安装此类报警装置将有助于对公众的防震教育。第一,这类装置可以具有防震演练功能。很多学校在汶川地震后启动了防震演习的训练。但如何将演练应用于实际地震来袭,则需要仔细考虑。特别是,现有演习是教师通过口令启动的,而在地震来袭时,由于未必有教师能及时启动避险口令,所以特别需要自动启动口令的装置。而地震报警装置能自动启动避险口令。第二,安装此类装置本身将引起公众的关注,从而是对公众的一个教育过程。当然,在安装此类报警装置的前后,需要对使用人员进行教育。日本在面向公众的地震预警系统推出前进行了大量的公民教育,并在系统推出后持续进行公民教育,以避免公众在收到地震预警信息时茫然不知所措。至于有人提到有人可能在有误警时慌乱,则可以应用在安装报警装置后当天或第二天就进行演习,并在以后多次进行这些演习来防范。事实上,就算是偏远乡村的小学都已经成功地利用了报警装置进行演习和在地震发生时在报警装置的引导下进行有条不紊的避险的例子[19]。

4 加大地震监测点密度的方案探讨

基于此,我们提出增大监测点密度的具体设想:在学校、宾馆和政府大楼等人员密集场所安装具有地震监测功能的地震报警装置,并将这些报警装置与国家地震预警监测网相联,以组成更强大的监测、预警和烈度速报网络(图2)。下面初步讨论此设想中的几个具体技术问题。

图2 系统架构图。该系统包括地震动采集、信息汇总、信息处理、信息产出和维护等功能。地震仪泛指测震仪、强震仪或具有报警输出功能的地震信号采集仪器

(1)没有专门观测房的监测仪是否可行。将地震监测仪器不安装在专门的观测房中的好处是不需要征地和进行基建。这在国外已经有先例。例如,应用于日本燃气管线紧急控制的谱烈度计就不需要观测房和云南省地震局的燃气管线紧急处置系统也没有专门的观测房(云南省地震局燃气管线地震紧急处置项目已经于2010年9月20日通过验收)。日本最近发展的不需要观测房的HomeSeismo系统已经应用于烈度采集和向预警系统回发采集到的数据[18]。

(2)需要仔细研究由于不具备专门观测房而带来的环境噪声对于预警和烈度速报的影响。鉴于报警装置安装场所的噪声比专业台站的大,如何消除误警的问题、在有噪声情况下的预警系统的效能、在多种仪器并存下的烈度速报和预警的效能、在有人为干扰下系统的运行等都需要仔细研究。值得注意的是,中国地震局正在组织的基于烈度计的烈度速报试验已计划不建设专门的观测房,我们也进行了一些尝试[19]。

(3)地震报警监测装置的看护和维护。我们设想该工作可以由在我国防震减灾工作中的三网一员(防震减灾科普宣传网、地震灾情速报网、群测群防网共用一个防震减灾助理员)完成。三网一员的方式有利于利用社会力量做好防震减灾工作。

上述问题的解决将使得在控制建设成本的条件下,提高地震监测密度从而获得更好的地震预警和烈度速报系统。作为参考,日本有约5000个地震观测点[4],约每100平方公里1个。若按我国现在通用的地震观测仪器的价格其建设成本是难以承受的,这也是我国过去一直未能开展地震烈度速报的重要障碍。而不需要观测房的具有报警功能的地震监测装置的应用可以在控制成本的条件下大大提高地震监测密度。

5 结语

新增监测报警装置与烈度速报和预警系统的关系:

(1)预警主要对工程服务,报警对象是为人,特别是在学校等人员密集的场所;

(2)报警装置可以给预警系统提供地震动监测数据,而预警系统也给报警装置(震中距＞40 km)提供更多的预警时间;

(3)报警装置不需要专门的观测房,而传统的地震监测仪器需要专门的观测房;

(4)报警监测装置与传统地震监测仪器都为预警和烈度速报提供数据来源。

总之,在“十二五”建设地震预警和烈度速报项目的背景下,通过在人员密集场所加装具有地震监测和通信功能的报警装置,可以弥补传统地震监测仪器布设密度的不足,以在控制建设和管理成本的情况下建设我国高密度的地震监测网络,减少地震造成的次生灾害和生命损失。

(作者电子信箱,王 暾:wangtun2001@yahoo.com.cn)

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[5]陈顒,陈运泰,张国民,等.“十一五”期间中国重大地震灾害预测预警和防治对策.灾害学,2005,20:1-14

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[13]王暾.能用于地震预警和烈度速报的新型仪器的研制.中国地球物理学会第26届学术年会暨中国地震学会第13次学术大会,2010

[14]http:∥www.cea.gov.cn/manage/html/8a8587881632fa5c0116674a018300cf/content/10_03/08/1268041440735.html

[15]http:∥www.cea.gov.cn/manage/html/8a8587881632fa5c0116674a018300cf/content/10_09/26/1285463519357.html

[16]http:∥www.cea.gov.cn/manage/html/8a8587881632fa5c0116674a018300cf/content/10_09/15/1284513845060.html

[17]http:∥baike.baidu.com/view/1588913.htm

[18]Horiuchi S,Horiuchi Y,Yamamoto S,et al.Home seismometer for earthquake early warning.Geophy.Res.Lett.,2009,36:L00B041-4

[19]htttp:∥press.idoican.com.cn/detail/articles/2009062024937/

Thoughts on integrating early warning and alarm as well as rapid disaster reporting systems for mitigation of earthquake disasters

Wang Tun1),Gong Yu2),Gu Jianhua3),Chen Tianchang2),Du wenkang2),Zhou Wei2)
1)Institute of Care-life,Chengdu 610041,China
2)Earthquake Administration of Sichuan Province,Chengdu 610041,China
3)Institute of Geophysics,CEA,Beijing 100081,China

How to identify the distribution of disaster zones after an earthquake is an important issue that has caught the attention of the Chinese government and society.In the background of constructing a rapid reporting system and an early warning system for earthquakes,a new approach to place the sensors in the field which are different from traditional monitoring stations is suggested.It can reduce the budget for each single station and thus can save money to install more sensors.Since the density of the sensors is critical for the rapid reporting system as well as the early warning system,besides an alarm system,our new approach can integrate these systems and provide a better public service for earthquake disaster mitigation.

earthquake early warning;rapid reporting system for earthquakes;earthquake alarm

P315.75;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.09.007

2011-01-16;

2011-03-22。