岩滩水库地震监测台网技术系统

孙学军 姚 宏 牟剑英 龙政强（中国南宁530022广西壮族自治区地震局）



岩滩水库地震监测台网技术系统

孙学军 姚 宏 牟剑英 龙政强
（中国南宁530022广西壮族自治区地震局）

摘要介绍岩滩水库地震监测台网技术系统，评估岩滩水库地震监测台网对库区的地震监测能力，并利用发生在岩滩库区附近的一次典型地震记录，分析该台网的运行成效。该台网技术系统先进，地震台站布局科学合理，投入运行两年多来，为保障岩滩水电站的运行安全发挥了重要作用。

关键词岩滩水库；地震台网；技术系统

0 引言

岩滩水电站是红水河梯级水电站中的第5级水电站，位于红水河中游，广西大化县境内，是一座以发电为主，兼有防洪和航运等综合效益的工程。水库总库容33.5亿m3，正常蓄水位223 m时，相应正常蓄水位库容为26.0亿m3，调节库容4.25亿m3。电站一期工程装机容量1 210 MW，扩建工程装机容量600 MW，合计总装机容量为1 810 MW（李桂生，2014）。历史上库区附近发生的最大地震是1934年12月20日巴马4.8级地震。该地震距岩滩水电站仅11.5 km。水利水电建设史表明，建设高坝大型水库有可能影响库区及周边区域的地震活动性，甚至诱发中强以上破坏性地震（湖兴娥等，2003）。为了增强库区的地震监测能力，为岩滩水电站的安全运行提供地震安全的科学决策依据，大唐岩滩水力发电有限责任公司投资建设了岩滩水库地震监测台网，由6个遥测数字地震台、3个强震动观测台和1个台网中心组成。

1 台网概况

岩滩水电站库区重点监视区范围在24.02°N至24.22°N，107.26°E至107.64°E之间，面积约6亿m3，遥测子台主要布置在此区域。6个遥测子台分别为都阳台、盘当台、凤凰台、板生台、七百弄台和岩滩台，其中Ⅰ类台站4个、Ⅱ类台站2个。遥测子台的平均台间距保持在15 km左右（图1）。由于遥测子台大多分布在山区，无法接入交流电，台站设备供电方式以太阳能电源为主，而数据传输则采用中国电信的3G网络实现（表1）。台站地脉动噪声有效值和观测动态范围见表2。

大坝强震动观测主要用于评估水库坝体遭受地震的影响程度，并为水库大坝的安全平稳运行提供科学决策依据。当地震发生时，特别是较强烈地震发生时，记录坝体和坝基自由场的地震反应，可以为震后大坝安全的快速评估和大坝抗震设计的复核提供基础数据（胡平等，2002）。岩滩水库地震监测台网分别在230廊道26坝、206廊道出口处附近、133廊道16坝竖井附近共建设3个强震动观测台。

图1　岩滩水库地震监测台网台站分布Fig.1 Station distribution of Yantan Reservoir Seismic Network

表1　岩滩水库地震监测台网测震台站参数Table 1 Station general parameters of Yantan Reservoir Seismic Network

表2　岩滩水库地震监测台网台站地脉动噪声有效值和观测动态范围Table 2 Station background noise and dynamic range of Yantan Reservoir Seismic Network

2 技术系统

岩滩水库地震监测台网技术系统由地震台站技术系统、数据传输技术系统和台网中心技术系统组成（图2）。岩滩库区的数字遥测地震台观测数据，经中国电信3G网络，实时汇集到岩滩水库地震监测台网中心流服务器，进行相应的人机交互分析、编目、速报等地震分析处理工作；强震动台网中心利用中国移动GPRS网络和光纤SDH等信道，获取大坝廊道内3个强震动观测台数据，进行状态监控和数据分析处理。

2.1 数字遥测地震台

数字遥测地震台技术系统由地震计、数据采集器、GPS时钟、数据传输设备、供电避雷设备等构成。设备避雷接地电阻小于4 Ω，观测房建筑避雷接地电阻小于10 Ω。专业设备采用北京港震机电技术有限公司生产的FSS-3M短周期地震计和EDAS-24GN数据采集器。由于岩滩库区地处红水河流域山区，遥测子台不具备光纤SDH数据传输条件，而建设超短波/扩频微波传输信道将大幅增加台网建设成本，因此遥测子台数据传输采用中国电信3G无线网络 VPDN信道来实现。在设备供电方式选择上，除岩滩台为改造台且已接入交流电外，其他5个子台均使用太阳能电源。此外，地震计加装密封玻璃摆罩进行防风和防潮处理，以降低观测噪声，提高观测数据精度。岩滩水库地震监测台网遥测子台系统见图3。

图2　岩滩水库地震监测台网系统构成Fig.2 General structure of Yantan Reservoir Seismic Network

图3　数字遥测地震台系统Fig.3 The system of digital telemetry seismic station

2.2 强震动观测台

岩滩水电站大坝廊道内有3个强震动观测台，配备英国Guralp公司生产的CMG-5TD便携式一体化数字加速度计。该仪器由加速度计CMG-5T和CMG-DM24数据采集器一体化设计而成，是一款具有大动态范围、低噪音、力平衡反馈式加速度计。3个强震动观测台均接入大坝廊道内专用交流电线路，且设备使用交流供电。数据传输方式上，230廊道26坝和206廊道出口附近的强震观测台采用中国移动GPRS无线网络信道传输，而133廊道的强震动观测台则使用单模光纤连接强震观测台，与岩滩水电站观测班机房进行中继。岩滩水库地震监测台网中心通过中国移动GPRS信道和光纤SDH信道，获取大坝廊道内强震动观测台数据（图4）。

图4　强震动观测台系统Fig.4 The system chart of strong motion observation station

2.3 台网中心

台网中心技术系统由数据接收、数据处理、数据存储等服务器、打印机、专用供电设备和网络通讯设备等组成。采用广东省地震局研发的JOPENS数字地震台网中心数据处理系统架构，进行设备安装部署，并进行测震数据采集和分析处理（吴永权，2010）。其中，作为完成数据汇集和共享交换服务的数据流服务器，实时接收库区6个遥测子台波形数据流，为波形监视、实时处理、波形归档、人机交互分析等工作提供数据流服务。台网中心数据流程见图5。此外，强震动观测数据主要使用英国Guralp公司的Scream软件进行分析处理。

图5　岩滩水库地震监测台网中心数据流程Fig.5 Data fl ow diagram of Yantan Reservoir Seismic Network

3 地震监测能力评估

地震台网地震监测能力取决于台基、观测系统的响应灵敏度、仪器的动态范围、台网密度及台网布局等因素（刘洋君等，2014）。而当地震台网布局确定以后，地震监测能力主要受限于台址背景噪声。理论上将至少有4个以上地震台监测到同一地震，确定为能定位地震（傅传芳等，1980）。

为了计算地震台网地震监测能力，将震级计算公式转换为以最大速度量的表达形式，即

式中，V取6倍水平向速度干扰背景值；C为台基校正值，此处取C = 0；T为水库地震优势周期，Δ≤100 km时，T = 0.2 s；100 km＜Δ≤200 km时，T = 0.3 s；200 km＜Δ≤400 km时，T = 0.4 s。按照震级不同反推出各子台地震监测距离Δ，以Δ为半径画出圆弧，按照4个以上地震台站记录区域，确定地震监测能力范围（姚宏等，2008）。

根据上述地震台网监测能力的理论和计算方法，绘制岩滩水库地震监测台网理论监测能力图，见图6(a)。由图6(a)可见，中心区域的地震监测能力达ML0.5，满足岩滩水库地震监测台网对重点监视区地震监测能力可定位震级下限优于ML0.5的需要。

为了检测岩滩地震台网实际地震监测能力，统计2012年7月25日至9月25日记录清晰的爆破和地震事件共77个，其中ML0.0—0.5地震16次，并绘于理论计算获得的监测能力图［图6(b)］。从图6(b)可见，理论地震监测能力ML1.1覆盖范围即可监测到这些爆破和地震事件，说明岩滩地震台网实际地震监测能力超过理论计算范围。

图6　岩滩水库地震监测台网理论监测能力及检验（a）理论地震监测能力；（b）地震监测能力检验Fig.6 Theory monitoring capability of Yantan Reservoir Seismic Network and test of monitoring capabilities

4 运行成效

岩滩水库地震监测台网于2012年11月投入运行，2013年库区附近平果县和田东县交界发生4.5级地震，地震波形见图7，是广西陆地近年来最大的1次地震，对岩滩水库地震监测台网技术系统进行了1次全面检验。

图7　平果4.5级地震波形Fig.7 The seismic waveform of Pingguo MS4.5 earthquake

2013年2月20日3时21分，广西百色市平果县和田东县交界（23.80°N，107.41°E）发生4.5级地震，震源深度约7 km，震中距岩滩水电站大坝约21 km。岩滩水库地震监测台网6个遥测子台和大坝强震动观测台清晰记录到此次地震，记录波形清晰、震相易于识别，见图7。从坝顶230廊道26坝强震观测台记录波形（图8），可以发现，在此次地震中，大坝的震动持续时间约17 s。为了评估地震对大坝的影响程度，利用ART3.0软件计算峰值加速度值PGA，其中垂直PGA 为0.218 m/s2，南北PGA为0.322 m/s2，东西PGA为0.393 m/s2。东西向峰值加速度值最大，最大PGA值＜ 0.05 g，观测点地震烈度值小于Ⅳ度，与现场宏观调查结果一致。可见，该地震对岩滩水电站大坝的影响不大，岩滩水电站大坝在平果4.5级地震中是安全的。

图8　平果4.5级地震的强震动观测波形Fig.8 The seismic waveform of strong motion observation of Pingguo MS4.5 earthquake

5 结束语

岩滩水库地震监测台网是岩滩水电站专用地震监测台网，与广西区域地震台网实现数据共享。该台网子台布局科学合理、技术系统先进，投入运行后，库区及周边地区的地震监测能力得到提高，为深入研究岩滩水库诱发地震成因机理、评估水库坝体遭受地震的影响程度，提供了丰富的数据资料和科学依据。岩滩水库地震监测台网的建设，对保障岩滩库区及水库下游人民生命财产安全及社会公共利益具有重要意义。

参考文献

傅传芳，刘宝成，李文艺. 地震学教程（下册）[M]. 北京：地震出版社，1980.

胡平，李沙白，等. 三屯河水库大坝数字强震动监测台阵[J]. 水利水电技术，2002，33（2）：58-61.

湖兴娥，秦小军. 长江三峡工程诱发地震监测研究[J]. 中国工程科学，2003，5（11）：71-74.

李桂生. 岩滩水电站扩建工程金属结构布置与设计[J]. 红水河，2014，33（6）：10-16.

刘洋君，王燕，等. 滩坑水库地震台网建设[J]. 地震地磁观测与研究，2014，35（3/4）：233-238.

吴永权，黄文辉. 数据处理系统软件JOPENS的架构设计与实现[J]. 地震地磁观测与研究，2010，31（6）：59-63.

姚宏，孙学军，杨超英. 龙滩水电工程数字遥测地震台网技术系统[J]. 华南地震，2008，28（4）：53-62.

Technical system of Yantan Reservoir Seismic Network

Sun Xuejun，Yao Hong，Mu Jianying and Long Zhengqiang
(Earthquake Administration of Guangxi Autonomous Region，Nanning 530022，China)

Abstract

In this paper the technical system of Yantan Reservoir Seismic Network is introduced， and the monitoring capacity of this network is accessed. The effects of Yantan Seismic Network by analyzing the data of a typical earthquake happened in Yantan dam area is demonstrated. The technical system of Yantan Seismic Network is advanced and it has a reasonable layout. Which has been running for more than two years， this network plays an important role in the protection of Yantan hydropower's safety.

Key words：Yantan reservoir，seismic network，technical system

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 019

基金项目：社会台网建设项目

作者简介：孙学军（1968—），男，高级工程师，地球物理专业毕业，主要从事地震监测和研究工作

本文收到日期：2015-07-09