2017, Vol. 38
近年来，随着中国经济建设的发展，现有城市规模不断扩大，对20世纪70年代建设的一批地磁台站观测环境造成较大影响，其中城市轨道交通危害较大。以电气化铁路为主的高速铁路在运行过程中产生的电、磁场，将对地磁台站的连续观测产生影响。2008年6月成都至都江堰高速铁路(简称成灌高铁)开工建设，距成都地磁台约1.5 km，满足《地震台站观测环境技术要求》的规定，即地磁台站与电气化铁路的安全距离为0.8 km(刘广宽，2006；谢凡，2011)。然而，通过成都地震基准台(以下简称成都台)的观测资料发现，成灌高铁运行对地磁观测数据干扰明显，干扰幅度超过0.5 nT。为了进一步研究以成灌高铁方式运行的轨道交通对地磁观测的影响，在高铁沿线进行地磁干扰测试。
1 成灌高铁供电模式与地铁供电模式不同，成灌高铁采用接触网单边供电方式(图 1)。成灌高铁的供电回路中，接触网为架空导线(交流电25 kV、50 Hz)，列车采用CRH1型动车组，牵引功率为5 300 kW。电压从牵引变电所经馈电线送至接触网，流过电力机车，再经轨道回路和回流线，流回牵引变电所(图 1)。假设在列车运行时，机车的供电回路中不存在漏电现象，即供电线路与回流线路中电流相等，那么2根导线产生的磁场将相互抵消，对周围的磁电观测不会造成干扰。而实际情况并非如此，由于轨道和大地是不绝缘的，在机车电流流到轨道后，并非全部电流沿着轨道流回牵引变电所，部分电流进入大地，经由大地流回牵引变电所，这种流经大地的电流称为地中电流(又称漏电电流或杂散电流)。由于漏电电流的存在，供电回路中的电流不再平衡，而这种不平衡电流将会在其周围产生附加磁场，反映在与高铁线路几乎处于同一水平面附近的观测点(台站)时，其影响主要表现在垂直分量上(罗俊秋，2010；马钦忠，2011；李军辉，2011；徐学恭，2011)。另外，相对于观测点(台站)而言，列车在运行过程中位置在改变，当列车运行到距台站最近的地方时，干扰强度最大，反之较小。
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图 1 成灌高铁供电回路 Fig.1 The power supply loop of Chengguan high-speed rail |
成灌高铁列车运行对成都台地磁观测数据产生影响，干扰幅度超过0.5 nT，为进一步研究对地磁观测环境的影响状况，开展干扰测试有其必要性。本次测试方法是，利用高精度数字化GM4型地磁观测仪，在距轨道不同距离布设多个测试点，实施连续时间段的野外测试，以获取可靠的数字化试验数据。每个测试点连续记录约24小时，主要记录轻轨运行和停止时段地磁场的变化，测试仪器分辨率为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，选择地磁观测环境较好的区域布设测点。经过仔细勘察，选定距轻轨线路1.5 km、2 km、3 km、4 km、5 km、6 km布设6个野外测试点。在具体点位选取中，采取点位分布与高铁线路基本垂直的原则，测试点位远离城镇、工厂、高压线和其他轨道交通线，与公路有一定距离。点位选取时使用GPS进行精确定位，点位分布见图 2，各测试点基本情况见表 1。成灌高铁列车运行时间为北京时间6:30— 22:30，考虑到首末班列车的运行时间、列车入库等因素，实际运行时间为北京时间6:00— 23:00，每日在线运行列车约20次。
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图 2 地磁干扰试验测点布设示意 Fig.2 Distribution of the geomagnetic test point |
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表 1 地磁干扰测试点概况 Tab.1 Parameters of the geomagnetic test points |
将6个地磁野外测试点记录的地磁三分量原始观测数据绘图，见图 3。
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图 3 点位测试数据曲线 (a)1号点；(b)2号点；(c)3号点；(d)4号点；(e)5号点；(f)6号点 Fig.3 The curve figure of point test data |
(1) 1号点位于成都台视电阻率观测场区，观测数据记录曲线显示，视电阻率供电干扰明显。此外，在高铁运行时段记录到脉冲干扰，最大干扰幅度约1.5 nT，干扰时间和与高铁运行时刻一致，垂直分量干扰明显，偏角和水平分量干扰较小，干扰频率一般在1—4 s。
(2) 2号点观测数据曲线较为光滑，测点距台站地电观测区约0.5 km，未记录到明显供电干扰。在高铁运行时段，观测数据仍记录到脉冲干扰，最大干扰幅度约0.9 nT，较1号点明显减弱，其影响主要表现在垂直分量上。
(3) 3号点观测数据存在一定漂移现象，但整体日变清晰，高铁运行期间干扰不明显。
(4) 4号—5号点受公路及周边人为活动影响较为严重，观测曲线产生毛刺、台阶等，在高铁运行期间干扰不明显。
(5) 6号点观测数据曲线较光滑，测点距高铁线路6 km。该测点除受乡村公路交通影响外，周边观测环境较为平静，除夜间1时—3时测区下雨时数据产生漂移外，整体稳定性较高，在高铁运行期间观测数据平静。
3.2 Z分量差值分析基于地磁三分量记录中Z分量相对比较稳定，对于高铁运行干扰反映比较显著的特点，以Z分量记录为代表，剔除人为干扰，对每个测点采集的原始数据进行差值分析。选取高铁运行(08:00—23:00)和停运(23:00—04:00)2个时段观测数据分析高铁干扰情况，见图 4。
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图 4 Z分量差值曲线 (a)1号点运行时段；(b)1号点停运时段；(c)2号点运行时段；(d)2号点停运时段；(e)3号点运行时段；(f)3号点停运时段；(g)4号点运行时段；(h)4号点停运时段；(i)5号点运行时段；(j)5号点停运时段；(k)6号点运行时段；(l)6号点停运时段 Fig.4 Graph of difference curve of Z component |
(1) 1号测点距高铁线路1.5 km，剔除供电干扰数据，在高铁运行时段记录到高铁线路上全部列车干扰，干扰量在0.4—1.5 nT，因为列车运行位置不同，干扰幅度存在明显差异。在列车停运时段，差值集中在0.2 nT以内，为该测点的背景噪声。
(2) 2号测点距成都台0.5 km，距高铁线路2 km，差值曲线上记录到视电阻率供电干扰，其干扰幅度在0.3 nT左右，列车在运行时段数据有明显干扰，干扰量在0.3—0.9 nT，在列车停运时段，差值集中在0.2 nT以内，反映了该测点的背景噪声。
(3) 3号测点距高铁线路3 km，未记录到供电干扰，列车在运行时段有明显干扰，干扰量在0.25—0.6 nT。在列车停运时段曲线上，差值集中在0.2 nT以内，为该测点背景噪声。受周边公路和农户影响，3号测点背景噪声较1号和2号测点大。
(4) 4号测点距高铁线路4 km，列车在运行时段有明显干扰，干扰量在0.2—0.4 nT。在列车停运时段，差值集中在0.2 nT以内。
(5) 5号测点距高铁线路5 km，列车在运行时段有部分干扰，干扰量在0.2—0.3 nT，在列车停运时段，差值集中在0.2 nT以内。
(6) 6号测点距高铁线路6 km，测点附近地磁背景噪声小于0.2 nT，列车在运行和停运时段差值曲线基本一致，幅度在0.2 nT以内，未见干扰影响。
4 结论通过对成灌高铁沿线进行的地磁干扰测试和分析，可以得到以下结论：①高铁运行时在回流线和轨道上存在漏电电流，导致供电线路与回流线路之间的电流不平衡，而这种不平衡电流产生的附加磁场，是地磁观测产生干扰的主要因素；②附加的磁场干扰主要影响垂直分量，水平分量受到的干扰远小于垂直分量；③因为轨道中漏电点不止一处，随着列车运行位置的不断变化，产生的干扰幅度也会不断变化，根本无法找到确定的干扰幅度随时间的变化规律，所以唯一能采取的措施就是避让；④从此次地磁干扰测试结果看，以成灌高铁方式运行的轨道交通，对地磁观测环境产生0.2 nT以内干扰幅度的最小距离应为6 km以上。
| 谢凡, 滕云田, 等. 天津轨道交通对地磁观测干扰的影响研究[J]. 地震学报, 2011, 35(2): 252-261. | |
| 刘广宽, 等. 地铁影响南京台电磁观测的分析[J]. 华南地震, 2006, 26(4): 53-57. | |
| 罗俊秋, 李德前, 等. 武汉市轨道交通运行对地磁观测的影响[J]. 大地测量与地球动力学, 2010, 30(Z1): 136-141. | |
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