基于地震P波双参数阈值的高速铁路Ⅰ级地震警报预测方法

2018-04-04 07:27宋晋东教聪聪李山有侯宝瑞
中国铁道科学 2018年1期
关键词:新干线熊本震级

宋晋东,教聪聪,李山有,侯宝瑞

(1.中国地震局 工程力学研究所,黑龙江 哈尔滨 150080;2.中国地震局 地震工程与工程振动重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080)

地震是一种发生概率小但对铁路行车安全危害性极大的突发性自然灾害,特别是当列车运行速度达到200 km·h-1以上时,地震对路基、桥梁、隧道、轨道等结构的冲击都可能在极短时间内造成十分严重的损失和人员伤亡。在这种形势下,对高速铁路而言,如果能在破坏性地震动到来前提早哪怕是短短的几十秒甚至几秒实施地震紧急处置,将大大降低旅客生命财产损失的发生概率,因此,建设地震监测预警系统对高速铁路来说是一项非常有效的防震减灾手段[1-2]。

高速铁路的紧急处置主要分为两种,即报警与预警。报警,指的是高速铁路沿线地震计观测到的地震加速度[用PGA(cm·s-2)表示,定义为0.05~5.00 Hz带通滤波后水平向地震加速度合成记录的峰值[3]]超过给定的阈值时发布紧急处置信息。预警,指的是利用高速铁路沿线地震计观测到的地震波初期信息,快速估计地震震源参数,并预测地震对铁路沿线的影响,抢在破坏性地震波到达之前发布紧急处置信息[4]。在高速铁路地震监测预警系统中,报警、预警均实现三级地震警报,由低到高分为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级,相应的实测或预测PGA阈值分别为40,80,120 cm·s-2[5]。

在高速铁路地震紧急处置中,报警的优点是紧急处置较为准确,但由于报警时破坏性地震波已经到来,缺点是获得的紧急处置时间不足。预警的优点是相比较报警可以获得较多的紧急处置时间,而预警仅仅利用了少量台地震P波到来后的初期信息,缺点是震级与震中位置的估计结果不准确。对于高速铁路的地震紧急处置来说,时效性与有效性是反映该系统防震减灾效果的主要指标。提高系统的时效性,意味着提高紧急处置可用时间;提高系统的有效性,意味着提高紧急处置的准确率、降低误报与漏报。寻求时效性与有效性之间的平衡性是高速铁路地震紧急处置亟待解决的一项技术问题。

本文以既满足高速铁路地震紧急处置的时效性又满足其有效性要求为目标,借鉴ZOLLO等[6]利用地震P波的卓越周期τc(s)阈值和最大竖向位移Pd(cm)阈值预测地震波速度峰值PGV的思路,采用日本K-net强震观测台网中的地震数据,提出利用地震P波信息判断地震时是否达到Ⅰ级地震警报(PGA是否达到阈值40 cm·s-2)的方法,即研究基于地震P波双参数阈值的高速铁路Ⅰ级地震警报的预测方法。

1 地震数据的选取及处理

基于以下原则从日本K-net强震观测台网[7]中选取地震数据:

(1)时间为自2007年10月至2015年10月;

(2)发生于陆地的地震,因为我国的地震多发生于陆地;

(3)震源深度为10 km以内的地震,因为我国大部分地区发生的是浅源地震,同时,在震级相同的情况下,浅源地震会比深源地震造成更大的破坏性;

(4)震级为3.0~8.0;对于震级为3.0~5.0的地震震中距取0~100 km;震级为5.0~8.0的地震震中距取0~200 km;

(5)选取P波触发后3 s内的速度幅值大于0.05 cm·s-1作为信噪比的选取标准筛选数据,因为τc的计算结果受地震记录的信噪比影响很大,即τc的计算需要选取满足一定信噪比要求的记录。

基于上述原则共筛选出1 258次地震、5 439组(16 317条)强震数据。其中地震震中及台站的分布如图1所示(图中空心圆的直径与震级成正比)。震级与震中距及记录数量的分布如图2所示。

对选取的数据进行如下处理:

(1) 采用马强等[8]的方法进行地震P波到时自动识别,并且为确保其准确性,对识别的地震P波到时进行人工校正与处理;

(2) 对加速度记录积分1次得到速度记录,对速度记录积分1次得到位移记录,对积分后的记录作0.075 Hz巴特沃斯高通滤波,以消除积分后的低频漂移现象;

(3) 将水平向加速度进行0.05~5.00 Hz带通滤波,然后进行矢量合成。

以我的感观,展馆前一部分从商朝开始采矿的矿坑和春秋战国时期采矿的几个矿坑,更具震撼力。凝神一看,就能感受得到古时矿工们采矿的艰难及技术的专业性。古时的那些矿工们为掘取铜矿石,开凿了竖井、平巷与盲井,并用木质框架支护,采用了提升、通风、排水等技术,使用辘轳提升矿石及汲出地下水。这些高超的采矿工艺技术诞生于四千年前,我们不能不为先民的创造能力感到自豪。

图1 选取的地震震中及K-net台站分布

图2 震级与震中距及记录数量的分布

2 预测方程及阈值的确定

利用选取的地震数据,建立τc与震级M的线性统计关系、PGA与Pd的线性统计关系;以线性统计关系作为预测方程,确定震级M=6对应的τc阈值,以及PGA=40 cm·s-2对应的Pd阈值。

2.1 τc与M的线性统计关系及τc阈值的确定

NAKAMURA[9]提出了一种利用地震P波触发后初期频率信息快速估算震级的方法,该方法被应用于日本新干线UrEDAS地震预警系统;ALLEN等[10]将此方法运用于美国南加州的地震预警系统测试。KANAMORI[11]在NAKAMURA[9]的基础上,提出了采用τc估算M的方法,即通过建立τc与M的线性统计关系估算M,且τc的计算公式为

(1)

其中,

(2)

图3 地震P波触发后1,2,3 s时间窗下τc与M的线性统计关系

2.2 Pd与PGA的线性统计关系及Pd阈值的确定

WU等[12]分析统计关系后发现,Pd与PGV存在很高的线性相关性,因此Pd可以用来快速估计修正默卡利烈度IMM,进而可以快速评判地震的破坏。ZOLLO等[6]基于上述结论,将Pd作为利用地震P波信息预测PGV的另一个参数,并通过Pd与PGV的统计关系得到烈度Ⅶ对应的Pd阈值,以此来判断地震是否具有破坏性。

图4 地震P波触发后1,2,3 s时间窗下Pd与PGA的线性统计关系

3 预测方法

图5 高速铁路Ⅰ级地震警报的4等级预测方法

表1高速铁路Ⅰ级地震警报的4等级预测方法中各预测等级的定义

预测等级实测值与阈值比较相应的警报含义3τci实测值≥τci阈值,且Pdi实测值≥Pdi阈值Ⅰ级地震警报,大震、近震2τci实测值<τci阈值,且Pdi实测值>Pdi阈值无警报,小震、近震1τci实测值>τci阈值,且Pdi实测值

4 地震实例应用

2016年4月14日21时26分(日本标准时间),日本熊本县熊本地方发生Mj6.5(Mw6.2)级地震,震源深度11 km,利用该地震数据分析本文方法的有效性和时效性。九州新干线1列6节车厢编组的新干线800系电力动车组(时速80 km·h-1)从熊本站开往熊本综合车辆所的回厂过程中发生脱轨,脱轨地点距离熊本站南侧1.3 km,距离震中约14 km。

日本防灾科学技术研究所(NIED)布设的K-net强震观测台网中,有10个台站位于九州新干线沿线,如图6所示,其中5个台站的实测PGA值超过了40 cm·s-2,分别为FKO011(62.7 cm·s-2),KMM003(76.3 cm·s-2),KMM006(521.1 cm·s-2),KMM008(290.7 cm·s-2),KMM012(156.8 cm·s-2),即这5个K-net台站都至少达到了Ⅰ级地震警报的等级。列车脱轨的位置位于KMM006台站与KMM008台站之间,这2个台站记录到的PGA值在九州新干线沿线10个K-net台站中分别为最大和次最大。

图62016年4月14日熊本6.5级(Mj)地震九州新干线沿线K-net台站分布

4.1 有效性

在地震P波触发后1,2,3 s时间窗下,计算九州新干线沿线10个K-net台站的τc和Pd值;将该计算值与本文提出的预测等级方法模型中的τc阈值和Pd阈值进行对比,从而确定各个台站是否会达到40 cm·s-2的Ⅰ级地震警报;并与台站的实测PGA进行比较,分析预测结果的有效性。

Ⅰ级地震警报预测结果如图7所士,图7中,实心方框表示实测PGA小于40 cm·s-2,空心方框表示实测PGA大于40 cm·s-2,叉形表示预测PGA大于40 cm·s-2。由图7可知:地震P波触发后1,2,3 s这3种时间窗的预测结果一致,表明在熊本地震的震例中,本文方法在P波触发后不受计算时间窗的影响,1 s的预测结果就可以趋于准确和稳定;实测PGA值大于40 cm·s-2的5个台站,本文方法全部预测出其PGA值大于40 cm·s-2;实测PGA值小于40 cm·s-2的5个台站,本文方法预测出其中4个台站的PGA值小于40 cm·s-2,KGS012台站预测出大于40 cm·s-2,因此KGS012台站属于误报。我们推测误报可能的原因是:KGS012台站周边的场地条件导致了τc和Pd计算值都超过了事先确定的阈值,虽然KGS012台站距离震中位置和脱轨位置最远,离震中最近的KMM006台站也可以迅速做出准确预测,误报在此次地震中所带来的影响会相对较小,但是在高速铁路紧急处置中保证警报的准确性尤为重要。因此,优化本文方法,降低误报与漏报几率是下一步工作需要重点考虑的问题。

图7    2016年4月14日熊本6.5级(Mj)地震Ⅰ级地震警报预测结果

需要注意的是,预测等级2也可以表征PGA预测值大于40 cm·s-2,但其代表小震级事件,由于地震震级越大所造成的地震破坏也可能随之增大,故本文从预测准确性的角度考虑,选取了预测等级3作为达到Ⅰ级地震警报的标准。但是,对于预测等级2是否可以作为预测达到Ⅰ级地震警报的标准,还值得进一步分析并开展下一步研究工作。

4.2 时效性

在时效性分析中,主要分析在地震P波触发后多长时间窗内可以预测出PGA将会超过40 cm·s-2,并将这个时刻与九州新干线脱轨时刻、气象厅紧急地震速报时刻放在同一个绝对时间轴下,进行先后顺序对比。

选取KMM006台站进行时效性分析,因为该台站距离震中位置最近,且在熊本地震中获得最大PGA值。图8(a)显示了竖向未滤波加速度记录,记录的起始时间为2016年4月14日21时26分21 s,图8(b)以PGA时程为基础,并在34~43 s范围内进行细部放大。

由图8(b)可知,KMM006台站的地震P波到时点为36.66 s,依据有效性分析结果,地震P波触发后1 s即37.66 s可判断出此次地震在KMM006台站将会达到40 cm·s-2。KMM006台站实测达到40 cm·s-2的时刻为38.8 s,依据中村豊[13]推测,九州新干线的脱轨列车司机在40.5 s时感受到了强烈震动而选择手动刹车,大约在41.0 s列车开始脱轨。日本气象厅紧急地震速报在42.5s时发出[14]。因此,本文方法可以在脱轨前3.34 s预测出Ⅰ级地震警报,且警报预测时刻比气象厅紧急地震速报提前4.84 s。

图8 2016年4月14日熊本6.5级(Mj)地震中KMM006台站Ⅰ级地震警报的预测时刻

5 结 论

(1)本文利用日本K-net强震数据,提出了一种基于P波τc阈值和Pd阈值预测高速铁路Ⅰ级地震警报(PGA=40 cm·s-2)的方法。

(2)基于2016年4月14日熊本6.5级(Mj)地震九州新干线沿线K-net台站强震数据,采用本文方法进行预测,可以在距离震中最近的KMM006台站P波触发后1 s准确预测出Ⅰ级地震警报,预测出Ⅰ级地震警报的时刻较九州新干线脱轨时刻和气象厅紧急地震速报发布时刻分别提前了3.34和4.84 s,这表明本文方法可以满足高速铁路地震紧急处置时效性与有效性的要求;在P波触发后1,2,3 s时间窗的预测结果一致,表明本文方法在P波触发后不受时间窗大小的影响,1 s时间窗的预测结果就可以趋于准确和稳定;但距离震中最远端台站出现了误报现象,因此,优化本文方法,降低误报与漏报几率是下一步工作需要重点考虑的问题。

(3)预测等级2是否可以作为预测达到Ⅰ级地震警报的标准,值得进一步研究分析。

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