地震监测预报是防震减灾工作的基础和重要环节。破坏性地震给人类造成巨大的灾难,也使预报地震成为人们长期以来追求的目标,成为当代地球科学中富有魅力的一项前沿性课题,而近代科学技术的突飞猛进为攻克这一课题提供了可能。通过30多年的艰辛探索,人们在认识地震发生过程,掌握和应用地震预报理论、技术、手段、方法等方面取得了长足的进步。
由于水库诱发地震的震源浅,引起的灾害较重,MS4.0级地震就有可能造成一定的灾害,因此引起国内外水电工程界与地震学界的广泛关注。20世纪80年代开始,在已发生与被认为有可能发生破坏性诱发地震的水库区,陆续建立水库诱发地震监测网。水库诱发地震的监测网,一般由测震台网、形变台网与地下水井网组成。
一、井网布局设计
(一)布网区的选择
丹江口工程诱发地震监测系统,主要是用于监测丹江口水库建成并蓄水之后可能诱发的水库地震,为丹江口工程的安全运行提供有关技术保障。因此,地下水动态观测井网的布设,无疑应以水库诱发地震预测研究结果为依据。
考虑到地下水动态观测井网建设的有限规模与有限投资的实际情况,以及从确保丹江口工程区的地震安全性的主要任务出发,根据前面水库诱发地震分析研究结果,本井网拟选择库坝区和丹江口水库宋湾—关防滩、林茂山两个主要水库地震危险区作为布网区(图14-7-1)。
图14-7-1 丹江口水库井台布设图(●水井位置)
(二)布网原则与井间距
布网的总原则是,在上述布网区内捕捉到有可能影响工程安全运行的诱发地震的前兆,为震情判断提供科学依据。
(三)观测井位置的选择原则
丹江口井网的建设是以监测丹江口水库诱发地震的地下水前兆为目的的,因此,井点选址和布设主要考虑两个方面:一是诱发地震的危险区及其震级上限;二是地下水前兆反映的敏感条件。地下水动态观测井位置的选择是观测井网建设成败的关键因素。观测井位置的选择要从5个方面去考虑。
(1)选择映震条件好的部位。
(2)选择对映震信息干扰弱的环境。
(3)选择有较好观测层的地方。
(4)选择便于建设与运行管理的地方。
(5)观测井位置的现场勘选和初步定选。
根据上述观测井位置的选择原则和前人资料,结合现场勘选结果,初步拟定井网由3口井组成。井网布局与观测井的分布如图14-7-1所示,各观测井的基本参数如表14-7-1所示。
表14-7-1 丹江口井网观测井一览表
二、观测井的设计
(一)观测井的结构设计
1.观测井结构设计要求
观测井的结构包括井深、井径、护井与上水等。
2.观测井结构设计结果
3口观测井的结构设计结果,如表14-7-2所示。
(二)观测井的施工设计
观测井施工设计包括:钻井施工记录、取岩芯、洗井、简易水文地质试验、水质分析、资料要求。在简易水文地质试验时,采集了观测层地下水的水质样品。各观测井水质分析的项目要求如表14-7-3所示。
表14-7-2 丹江口地震水网观测井结构参数与测项一览表
表14-7-3 丹江口地震水网观测井地下水取样与分析要求
三、观测技术系统设计
(一)测项及其配置要求
丹江口地震水网中,地下水动态观测主要测项有井水位、水温,辅助测项有气压、气温、降雨量与地表水位。
上述各测项中,井水位、水温、气压与气温4个测项是在观测井内下设传感器并在井房内观测的;观测井内,水位传感器置于水面以下5m深度,水温传感器置于井水面之下的主要观测含水层深度段上,气温与气压传感器置于井水面上或在井口。降雨量观测是在井房外井区范围内进行;地表水位观测则在与观测井相邻的地表水体的岸边选择合适的位置进行。上述各测项观测,除地表水位外全部实现数字化观测及观测数据的无线传输。
主要观测技术系统设备包括传感器、电缆、传感器变送接口、综合数据采集器、CDMA通讯设备及供电设施等(图14-7-2)。根据各观测井的观测技术系统的配套,主要观测仪器与设备的购置数量,如表14-7-4所示。
表14-7-4 各类观测仪器设备的购置数量
图14-7-2 丹江口地震水网观测技术系统配置示意图
(二)设备选型及其技术指标
1.DSW-01型数字水位仪
丹江口井网使用的数字水位仪是中国地震局正在全国推广应用的DSW 01型水位仪器(图1473),其工作原理是利用压力敏感元件测量液体内部压强的方法测量水位。仪器主要由传感器、变送器、微机采集传输系统、电源系统等部分组成,水位仪组成框图见图1474。
图14-7-3 DSW-01型数字水位仪
本仪器采用了高性扩散硅半导体压力器件,无机械随动误差,无机械运动部件,不存在金属疲劳问题,故寿命长,可长期使用。传感器用不锈钢全封焊,双重防水密封结构,具有良好的防潮性能和优异的介质兼容性,适用于较弱的腐蚀性介质中;电路部分的关键元器件、压力敏感元件,选用国际著名品牌的元器件,使产品的技术指标和质量得到有力的保证。
图14-7-4 DSW-01型数字水位仪的框图
2.DSW-01型石英晶体测温传感器
丹江口井网水温动态观测使用的是中国地震局地震研究所研制的DSW-01型石英晶体测温传感器。
测温仪电路是由测温石英晶体振荡器、基频石英晶体振荡器、差频电路、计数器等组成。测温石英晶体振荡器,当温度发生变化时,其输出振荡频率也随之变化,而基频石英晶体振荡器输出频率不随温度变化,经差频电路将两种频率信号相减,变为低频信号便于计数测量。计数器可分为硬件或软件计数器,温度传感器原理电路图如图14-7-5所示。
图14-7-5 数字温度计温度传感器的原理框图
3.DSW-01型气压传感器
气压传感器与水位传感器原理基本相同。采用国际知名品牌SMI压力传感器,该传感器具有温度补偿,出厂前经过了精密激光修调,其失调电压低、线性好、精度达±0.05%F.S、有良好的稳定性。选用了电流型电路设计,使温度影响降至更低。本气压计输出为模拟信号。
4.DSW-01型雨量计
该雨量计采用上海气象仪器厂SL3-1型雨量遥测传感器,该传感器由承水器、上翻斗、计量翻斗、计数翻斗等构成。DSW-01型雨量计原理框图参见图14-7-6。
图14.7.6 DSW-01型雨量计原理框图
5.数据采集器
本项目井水位、水温、气压、气温和降雨量5个测项的数据采集密度均为1次/时,每日数据总数为120。本井网选用的数据采集器是DSW-01型数据采集器。
6.数据传输和电源设备
本系统观测数据传输采用的无线传输(CDMA)设备和电源设备为在台网建设时,在市场上购置的优质产品。
所有设备的主要技术指标均满足第十一章第四节的相关要求。
四、观测井台房建设设计
观测井台房建设设计的相关要求参考第十一章第五节。
井房平面布置见图14-7-7。
图14-7-7 井台井房与围墙平面布设及有关参数图
五、数据传输方式
井网数据传输方式为CDMA无线自动传输方式,各井台观测数据经MODEM(调制解调器)转换后通过联通网络的CDMA方式自动传输到分析中心指定的IP地址,分析工作人员可用自编收数软件随时调取数据。在数据传输正常的情况下,每天的数据收取仅需数分钟。各井台数据可实现“一键收取”,也即点击各井台的IP即可实现数据的收取,每天数据收取时间由原来的2小时提高到现在的半小时,有效提高了数据分析的实时性和快速性,且数据的收取不受气象因素影响。CDMA数据收取软件系统界面见图14-7-8。电话拨号方式数据调取软件系统界面见图14-7-9。
图14-7-8 丹江口井网CDMA方式数据调取软件系统
图14-7-9 丹江口井网电话拨号方式数据调取软件系统
六、资料的分析使用
在现象和定性分析的基础上做定量分析,特别是对各井潮汐响应、气压响应特征差异的机理已开始进行系统地研究。包括各井含水层潮汐、气压效应响应模型的建立,对各井台井水位的应力特征差异给予机理解释。
七、地下水动态观测建设进度计划
地下水动态观测建设与地震台网建设同步进行,建设时间按17个月安排,各分项工程进度见表14-7-5。
表14-7-5 地下水动态观测建设进度计划表
八、地下水动态观测建设费和运行费预算
(一)经费预算依据
观测井建设经费预算的主要依据是国家物价局与建设部共同下发的〔2002〕价费字10号文件规定的《工程勘察收费标准》,并参考了国土资源部水文地质工程地质技术方法研究所、湖北省国土资源厅、长江水利委员会三峡勘测设计院等单位进行调研的结果,以及地下流体观测仪器的报价及地下流体观测台站建设中的经验。
(二)经费预算
丹江口地震水网建设经费主要包括建设费和运行费两项。其中建设费主要包括井网勘选设计费、观测井建设费、设备费、观测井台房建设费、试运行费和税金。运行费主要包括台站运行管理费、观测资料分析处理费、信道租用费及税金。
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