0 引言

四川瓦屋山水电站，位于四川省洪雅县瓦屋山镇，是青衣江一级支流——周公河的龙头水电站。坝高138.76 m，总库容5.843亿m³，总装机容量24万kW(刘映德，2012)。

瓦屋山水库地震台网从2006年10月至2008年1月，先后完成了现场踏勘、土建征地、台站房屋修建、设备安装、系统调试和系统考核运行，并于2008年4月通过验收。建成后的瓦屋山水库地震台网设有4个台站和1个台网中心(设在四川省地震局内)。后因各种原因该台网处于停运状态。依照《四川省水库地震监测规定》(四川省人民政府，2016)，2016年瓦屋山水电站业主决定恢复重建该台网。

在瓦屋山水库地震台网恢复重建过程中，2016年6—9月完成4个野外台站和1个台网中心设备的安装调试，2016年10月1日进入考核运行阶段，2016年12月31日考核运行完成。恢复重建后的瓦屋山水库地震台网由分布在库区周边的小店子地震台、反坡地震台、新寺上地震台和付田坝地震台4个台站组成(图 1)。

1 监测目标

瓦屋山水库地震台网为专用的小孔径密集型地震台网，重点监测瓦屋山水库库坝区，特别是水库地震潜在危险区(图 1)：黄店子—张沟危险区和穆沟—王村危险区的地震活动情况。根据相关规定：水库地震台网监测能力为0.5级(中华人民共和国国家发展和改革委员会，2006)，因此，瓦屋山水库地震台网的微震监测能力设计为：网内不漏测M_L≥0.5地震。

瓦屋山水库地震台网恢复重建的目标为，4个台站组网孔径为12 km(NS向)×11 km(EW向)；系统监测区域为：29.4°—29.9°N、102.8°—103.3°E，观测频带为2 s—60 Hz；监测系统动态范围优于100 dB。

2 恢复重建工作

2015年12月至2016年5月，对瓦屋山水库地震台网的4个台站及房屋建筑进行现场查看，包括台站设备、观测设施的受损情况和通信条件测试，广泛收集恢复重建的各种资料，为恢复重建工作提供重要依据。此次主要对原来4个台站的观测设施、台站设备、数据传输方式和台网中心的设备进行恢复重建，并未进行台址重选。

2.1 台站观测设施改造

瓦屋山水库地震台网4个台站于2008年4月建成，之后经历了2008年汶川8.0级地震、2013年芦山7.0级地震。2次地震发生时四川全省震感强烈，地震波的振动对台站观测设施造成一定损坏，加之年久失修且无人看管和维护，部分台站观测设施已不能满足地震观测的要求，因此对台站观测设施的改造是此次恢复重建的主要工作之一。每个台站改造工作量如下：屋顶防水100 m²、室内墙壁粉刷70 m²、土石开挖20 m³、场地平整80 m²、太阳能支架维修2付、台站监测环境整治1项、大理石铭牌更换2块、加装金属防护网8个和更换金属防盗门2扇。

2.2 观测设备升级换代

在瓦屋山水库地震台网恢复重建中，对台站观测设备进行了升级换代(表 1)。将原来只有串口的地震数据采集器升级为基于网络接口和本地存储的新一代地震数据采集器；将原有观测频带为1 s—40 Hz的地震计升级为频带2 s—60 Hz的地震计，观测频带进一步展宽，以满足水库地震台网观测频带应涵盖0.5—40.0 Hz的规范要求(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2014)；将原有传输设备1X CDMA路由器升级为3G CDMA路由器；将原太阳能充电控制器升级为电量指示更明确的充电控制器；将长期加水维护的蓄电池升级为免维护的蓄电池。

2.3 台站传输方式恢复重建

瓦屋山水库地震台网恢复重建中，台站数据传输方案为CDMA，CDMA方案能节省资金，真正做到“花小钱办大事”(李海生，2016)。通过现场测试，各台站所在区域均有网络信号覆盖，各个台站CDMA 3G信号强度分别为：付田坝台21 dB、新寺上台16 dB、反坡台17 dB、小店子台18 dB，数据传输时延均小于200 ms，满足地震台数据传输指标要求。在恢复重建时，4个台站全部采用CDMA传输，经观察除反坡台外，其余3个台站的传输情况较好，能满足运行要求。但反坡台信号时好时坏，其原因是：该台站用全向天线时CDMA信号不稳定，信号强的时候，强度能达到17 dB以上，信号弱时低于5 dB；后用定向天线测试，旋转定向天线的方向，在定向天线的接收面，能接收到的最强信号约为19 dB，最弱信号低至5 dB，且定向天线接收到的信号也不稳定，信号强弱交替频繁。

鉴于该台站全向天线和定向天线接收的信号场强极不稳定，于2016年9月将中国电信CDMA更换成中国移动EVDO传输。EVDO捕获灵敏度能提高1.5 dB(赵敏等，2016)，且传输效果较好，在3个月的考核运行时间里几乎无中断。采用中国电信CDMA和中国移动EVDO组网的传输方式，是瓦屋山水库地震台网能长期连续可靠稳定运行的技术保证。

瓦屋山水库地震台网在2016年9—12月连续3个月考核运行后，数据传输网络运行正常，运行率较高。考核运行期间台网的运行率达99.31%(表 2)，优于相关规范要求的95%(中国地震局，2005)。

3 恢复重建后微震监测能力验证

台网微震监测能力是其最重要的技术指标，采用了2种方式对该指标进行验证。一种方法是台网建成并投入观测后，使用台网较长时段的观测数据(地脉动噪声)，再通过专用软件(MapSIS)进行计算绘制出微震监测能力图；另一种方法是利用地震学家古登堡关于震级与频度的关系，通过统计、作图得出的结论予以验证。

3.1 地脉动噪声分析及微震监测能力验证

抽取考核运行阶段2016年10月1日00时至12月31日23时连续48 h记录的地噪声观测数据，按照相关的规定分别计算各台站每小时的噪声功率谱密度(PSD)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004)，取1/3倍频程滤波器在1—20 Hz范围内(国家质量技术监督局，2004)计算出RMS值，再取RMS平均值来表示台站的平均地动噪声水平(表 3)。

台网地震监测能力(可定位震级下限)取决于台网台站的台基噪声水平、台站布局和仪器系统灵敏度等3个因素。当仪器设备选定确定后，台网地震监测能力可依据台站实际记录的环境地噪声水平和台站布局来进行计算。

根据《水库地震监测技术要求》规定的监测能力计算方法(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2014)，选取最大S波振幅与环境地噪声水平的比值(一般选6)，作为系统观测的最低下限地动速度，再利用震级计算公式求出量规函数值R(Δ)。通过R(Δ)求出单台在不同震中距时可观测到的最小震级。以前述4个台站可同时观测到某一震级地震为标准，划定台网对该震级地震的监测区域。利用表 3的数据，通过专用的MapSIS软件计算绘制出瓦屋山水库地震台网监测能力(图 2)，由图 2可见，台网监测能力达到M_L≥0.5的要求。

3.2 监测能力的验证——b值曲线法

瓦屋山水库地震台网的监测能力是否达到M_L≥0.5的预期值，还可利用在台网监测区域观测到的已定位地震，使用古登堡—里克特公式(刘正荣，2014)来验证。该公式反映了某一地区地震震级与频度间的关系，并表明地震频度随震级的增加按指数规律减小，即

$ \lg N(M) = a - bM $

(1)

式中，N(M)为已发生地震的某个震级M分段内的地震数目。式(1)表明：在自然界所发生的地震中，小于某震级的地震事件数的自然对数与震级间呈线性关系。b值可能因地区不同而不同，也可能因前震序列或余震系列而不同，因此地震序列的b值变化常用于地震预测或地震类型的研究中。

本文利用式(1)中lgN(M)与M线性关系的偏离来验证台网监测能力。当使用台网观测数据对指定地区内已定位地震来绘制曲线时，会发现震级低于某个值时，实际观测记录的地震数与拟合直线发生明显偏离，即实际观测记录的地震数少于拟合直线应有的地震数，这表明因台网不能完全观测到该区域内低于此震级的小震而有所遗漏，此偏离点则定为台网可定位震级的下限。利用台网考核运行期内记录到的31次-0.9—2.0级地震拟合lgN(M)-M直线，则

$ \lg N = 1.6872 - 0.8681M $

(2)

该直线用实线绘于图 3(b)中。由图 3(b)可见，当M_L≥0.5时，实测值以拟合直线为轴分散在其两侧；当M_L＜0.5时，实测值明显低于拟合直线。故认定M_L = 0.5为拟合直线的最低震级点。据此判定，在瓦屋山水库地震台网重点监测区域内，可定位地震震级下限已达到M_L= 0.5。

从采用台网实际观测噪声计算和b值曲线拟合2种方法对瓦屋山水库地震台网的监测能力进行计算和验证的结果来看，在重点监测区域内可定位地震震级下限满足M_L＝0.5的指标，达到系统技术标准。

4 恢复重建后动态范围的变化

恢复重建后动态范围的计算方法仍采用典型方法(中国地震局监测预报司，2003)，即用台站实际地动噪声分析值和下式计算各台测震系统的动态范围

$ {\rm{SNR}} = 20\lg \frac{P}{{{S_{{\rm{s}}0}} \cdot \sqrt 2 }} - 20\lg {\rm{RMS}} $

(3)

式中，P为数据采集器量程，其值为20 V；S_s0为地震计的电压灵敏度，其值为2 000 V/(m/s)；RMS为计算得到的均方根。取表 3所列4个地震台的地动噪声，计算其动态范围(表 4)。由表 4可见，其中3个台站的观测动态范围大于100 dB，仅反坡台观测动态范围为91 dB。

从表 4还可见，2016年的噪声水平与2008年系统建成后相比，付田坝台的噪声水平和动态范围相当，表明该台站环境无较大变化；小店子台动态范围较原来优化了3 dB，主要原因是：小店子台附近居民搬走，人畜活动降低。反坡台恢复重建后，台站实际噪声水平变大，实际观测动态范围小于100 dB，较原来的动态范围减少9 dB；新寺上台动态范围有少许变化。主要原因是：2个台站围墙外的柳杉树小苗经10多年的成长，已经长成成片的参天大树，新寺上台门口有1条当地老乡频繁运送木材的通道，自然环境的变化和人为活动是导致2个台站噪声和动态范围变大的原因，并不是恢复重建技术造成的。但对整个台网来说，噪声水平和动态范围的变化都在合理范围之内，没有出现特别大的变化，因此对整个地震台网的监测能力影响较小。若长期观察后，反坡台和新寺上台的噪声和动态范围进一步变大，进而影响到地震观测，则应对环境进行整治，或经当地政府同意砍掉台站附近的大树。

5 结论

经过1年的时间，瓦屋山水库地震台网在地震观测设施、台站设备升级换代、数据传输方式恢复等方面进行了恢复重建。

(1) 观测设备升级换代后，观测频带范围更宽，观测频带由1 s—40 Hz拓宽到2 s—60 Hz。

(2) 采用中国电信CDMA和中国移动EVDO传输后，运行较稳定，考核运行期的运行率达到99.31%。

(3) 瓦屋山水库地震台网恢复重建后，经地脉动噪声和古登堡－里克特公式2种方法验证，其监测能力达到M_L≥ 0.5的要求。

(4) 付田坝台和小店子台观测动态范围与恢复重建前相当，几乎没有变化；反坡台和新寺上台的动态范围有所变化，由自然环境变化和人为活动频繁所致，非恢复重建技术影响。若2个台站的动态范围进一步变大，进而影响地震观测，则应对环境进行整治。

在撰写论文的过程中，得到华电四川发电有限公司瓦屋山分公司的大力支持和帮助，在此表示感谢。