中国水库地震监测的发展历程

杨晓源

(四川省地震局，四川 成都 610041）

0 前言

水库诱发地震是人类工程活动引发的地震类型之一。它与采矿、采油、采盐和注水诱发地震相比较具有震例多、破坏性较大和影响较广等特征。据不完全统计自1939年5月美国米德水库在下闸蓄水4年后发生5.0级主震以来全球已有130余例水库诱发了地震。中国最早发现水库诱发地震的水库是位于广东省河源县的新丰江水库。该水库在下闸蓄水2年5月后发生了6.1级主震，对刚刚按Ⅷ度设防标准加固的大坝造成了破坏。此后，中国又有40余个水库诱发了地震，占全球已观测到诱发地震水库总数的三分之一。米德水库和新丰江水库诱发的主震前均有小震群活动，这些小震均先于主震2年就已开始出现。研究者指出，米德水库和新丰江水库这一类诱发的中强以上主震均属于构造性水库诱发地震。这类水库诱发地震释放的是构造储能，其活动特征属前震-主震-余震型。有研究者认为构造型水库诱发地震的主震前发生的小震群对主震的预测研究具有前兆指标意义。但水库诱发地震中还有另外一种活动类型的地震，即震群型水库诱发地震。震群型水库诱发地震具有快速响应的特征，其最高震级一般不会超过4级，震群出现后不会再有主震发生，但其震源较浅、震中烈度偏高。

1 水库地震的监测预测

水库地震监测的任务是监测水库诱发的地震，为工程的防震减灾和水库诱发地震预测研究提供完整可靠的数据。因为预测研究往往要求水库地震监测能提供下闸蓄水前库区及其周边本底天然地震活动水平的资料。因此，水库地震监测一般均应在下闸蓄水前数年开始，以便为预测研究者较准确地提供蓄水前后地震活动特征的对比数据。研究认为水库诱发地震一般多发生在水库淹没线外延10 km的范围内。因此，水库地震监测台站一般均布局在上述范围内，应包围水工建筑和发电设施集中的库坝区和前期预测研究认为可能诱发地震的重点监视区域。按水利水电部门最新颁发的行业规范，水库地震台网对重点监视区的监测能力应该达到0.5级。因此，单个水库建立的地震监测台网一般都是孔径很小、子台布设密度较高、可测震级下限较低的小孔径密集式微震台网。

水库地震作为人类工程活动诱发的地震，一出现就受到工程界、科技界和所在地区政府、社会的高度关注。因此，世界发达国家对水库地震的监测和研究均起步很早。在国外从1983年建立米德水库地震监测网开始就陆续为一些诱震水库建立专门的固定台站或临时台站监测水库地震。我国专门为水利水电工程设立地震台站起步于新中国成立不久后的20世纪50年代。中科院地球物理研究所和长江流域规划办公室合作从1958年开始为三峡水利工程的需要在三峡地区陆续建立地震台，迄今已有五十余年。在水利水电工程下闸蓄水前建立的地震台网当然是监测未来库区的天然本地地震活动，当年建设的三峡台网也是为此目的而设置的。从1958年7月三峡第一个台宜昌台投入观测到2009年9月三峡水库下闸蓄水，计有51年的时间观测天然本底地震活动。如此长时间的布设专门台网观测天然本底地震在世界水库地震观测史上是绝无仅有的。这一事实说明中国政府、中国的科技界对三峡工程的立项是非常慎重的。1959年11月位于广东省河源县新丰江水库下闸蓄水后，160 km外的广州地震台很快便记录到水库地区发生的地震。为此中科院地球物理研究所在水库附近增设了数个人工地震台。这批人工台是我国在水库蓄水后发现诱发地震而专门设立的第一个水库地震台网和地震前兆观测网，开创了我国水库地震多学科、多项目观测与研究的先河。新丰江水库地震台网于1980年率先完成无线遥测化的技术改造。新丰江水库遥测地震台网是我国第一个专门为水库诱发地震监测而建立的无人值守台网，再次为水库地震监测创立了新标。三峡、新丰江等较早期的水库诱发地震监测均由政府主导，中科院、中国地震局、水利水电科学院等科研机构立项并实施。二滩水库地震监测台网的建设是我国第一个由水电站业主投资并主导，通过招标投标确定建设承包人的台网。这是我国改革开放在水库地震监测投资人方面出现的重大变革。

2 水库地震模拟监测技术

水库地震监测技术的进展与天然地震监测技术的发展息息相关。每一次天然地震监测仪器的升级换代均促使水库地震观测仪器随之升级。中科院地球物理研究所于上世纪50年代在长江三峡地区建立地震台站观测未来库区的地震活动时，使用的是仿苏的哈林式地震仪，采用人工值守方式。后来中科院在新丰江水库开展的水库地震观测，在四川锦屏水库未来库区开展的天然地震活动观测，水利水电科学院在四川二滩、辽宁观音阁、贵州天生桥未来库区设置的台站虽然使用的仪器型号不同，但都是使用天然地震观测仪器建立的人工值守台站。最早使用无线遥测技术对水库诱发地震进行组网观测的是新丰江水库。该任务于1975年由国家地震局立项、广州地震大队和581厂合作执行，1980年建成投测后取代了观测约20年的人工地震台站。

1992年建成投测的二滩水库地震台网仍使用无线遥测方式组网，但在以下几个方面有别于先期建成投测的新丰江水库遥测地震台网。二滩水库地震监测最显著的特征之一是根据水库诱发地震大多震源较浅、高频能量丰富的特征，将观测仪器的上限频率从天然地震观测流行的20 Hz提高至40 Hz。第二个特征是采用了笔绘可见记录与数字波形磁记录并行记录方式，首次在水库地震监测中实现了计算机自动定位和人机结合定位。第三个特征是首次在水库地震观测中增设了对微震和极微震观测有利的速度平坦型特性。位移平坦特性是我国模拟地震观测时期流行的标准特性，而速度平坦型特性后来成为数字地震观测的标准特性。第四个特征是二滩水库地震招标书明确提出重点监视区的监测能力必须达到ML0.5级的明确要求。ML0.5级监测能力在后来十余年间成为水库诱发地震界默认的标准。进入21世纪水利和水电部门将此监测能力要求正式列入规程，中国地震局也将其列入有关规定，成为我国水库地震监测能力的正式行业标准。第四个特征是地震波形采集记录所用的去假滤波器使用了瞬态响应特性良好的滤波函数。该滤波函数既满足最小相位条件，在通带内又满足线性相位条件，记录持续时间短、高频能量丰富的水库诱发地震失真度较低。但该滤波函数过渡带较平缓，故使用了200SPS的采样率才能确保-3dB频带为40 Hz。

二滩水库地震监测的投资模式、技术模式影响了上世纪90年代随后开工建设的十余个水利水电工程的诱发地震监测台网设计与建设。自黄河小浪底建管局于1994年首先提出参照二滩模式开展小浪底水库地震监测预测以后，四川大桥、湖北隔河岩、高坝卅、丹江口、青海龙羊峡李家峡，新疆克孜尔和三峡前期天然本底地震监测台网的遥测化改造均参照二滩模式建立了为自身防震减灾服务的水库诱发地震监测预测系统。

3 水库地震数字监测系统

1997年12月八届人大常委会通过的 《中华人民共和国防震减灾法》出台，标志着国家对地震监测预的管理报步入法制化的轨道。该法明确规定： “为本单位服务的地震监测台网，由有关单位投资建设和管理，……”。2004年国务院颁发的 《地震监测管理条例》进一步明确要求： “坝高100 m以上，库容5亿立方米以上，且可能诱发5级以上地震的水库应建设专用地震监测台网”。一些省、市、自治区还出台了专门的大型水库地震监测管理规定。如果说上述 《防震减灾法》和 《地震监测管理条例》公布前水利水电工程业主投资建设水库地震监测台网是出于企业家的觉悟和社会责任感，那么此后对业主在水库地震监测方面的责任则是强制性的要求了。三峡水库地震监测系统就是 《防震减灾法》出台后不久即上马的工程。

三峡水库地震监测台网是我国第一个采用数字地震观测技术建立的台网。而在此之前建立的三峡天然本底地震监测系统，无论是较早期的人工台还是后期的无线遥测台网均使用模拟观测技术。

三峡水库地震监测是我国水库地震监测史的又一个重要里程碑。不仅仅是其测震台网规模是我国单个水库地震监测中子台数目最多的台网，技术上还是我国第一个数字化的全三分向观测台网。更为特别的是它将地形变和地下水两种在天然地震预测中卓有成效的前兆观测项目继新丰江水库地震监测预测后再次引入水库地震监测预测系统中。正因为如此，三峡台网是我国水利部门主导的第一个多学科综合性的水库地震监测台网。三峡水库地震监测预测系统于2001年建成投测后，我国又有二十余个水库采用数字地震观测设备建设了为自身安全服务的测震台网。可能是受投资能力的限制，绝大多数大型水利水电工程均未仿三峡工程设立前兆观测项目，仅建设了数字化的测震台网。

5 水库地震监测的流域组网

我国西部水电开发大多采取了一个业主包揽一个流域的模式，这就为一个流域上的多个梯级水库共同规划设计和建设一个统一的数字台网创造了条件。流域水库地震监测台网的统一规划、统一设计、分期建设可以为业主节省可观的费用，深得流域梯级电站群业主的青睐。乌江流域台网是我国第一个采用流域模式建设的水库地震台网。此后，黄河上游水库群建设的台网、雅砻江水库群建设的台网、澜沧江水库群建设的台网和金沙江下游水库群建设的台网均采用了流域模式。

4 结语

2008年5月12日四川汶川发生的8.0级特大地震为水库地震的监测预研究提供了动力。其原因当然是该地震的微观震中距紫坪铺水库最高水位线仅4 km和紫坪铺水利枢纽的重要水工建筑和发送电设施均位于Ⅹ度区中。此特大地震说明，不仅仅是中强以上水库诱发地震会对水库及其周边地区带来不利的影响，紧临水库发生的破坏性天然地震同样会影响水利水电设施。5.12汶川地震后各级政府、水利水电部门和地震部门均加强了对水库地震的监测与研究。表现在企业主对水库地震监测预测投入更主动了；水库地震监测不仅仅是少数公司和技术人员关注的事情，一批科研人员在科研经费的支撑下也转入了水库地震研究领域；仅靠业主投资不太可能在水库地震监测中使用的新技术、规模化的流动监测都引入了水库地震研究之中。我国水库地震监测预测研究步入了一个全新的时期。与世界发达国家的同类工作比较，我国当前的水库地震监测不仅技术上处于同一水平，而且在立法管理、投资规模、台网建设的数量和科研力量的投入方面均居领先水平。我国的水库地震监测台网已成为专业地震监测网的重要分支与补充，有理由相信在水库诱发地震研究方面我国的科技工作者亦能做出卓越的贡献。

[1]丁原章.水库诱发地震[M].北京：地震出版社，1989.

[2]杨晓源.我国近年水库地震监测综述[J].地震地磁观测与研究，1999，20（2）：3～15.