王 暾 龔 宇 顧建華 陳天長 杜文康 周 瑋

1)成都高新減災研究所,成都 610041

2)四川省地震局,成都 610041

3)中國地震局地球物理研究所,北京 100081

建立地震預警、地震報警和烈度速報綜合系統(tǒng)的思考＊

王 暾1)龔 宇2)顧建華3)陳天長2)杜文康2)周 瑋2)

1)成都高新減災研究所,成都 610041

2)四川省地震局,成都 610041

3)中國地震局地球物理研究所,北京 100081

如何減少地震災害所引起的人員傷亡、次生災害以及快速判斷災情以落實全面的防御觀,是我國自汶川地震以來非常關注的問題。在建設我國地震烈度速報和預警系統(tǒng)的背景下,我們提出盡可能減少投資以改變傳統(tǒng)模式、建設不需要專門觀測房的監(jiān)測系統(tǒng),提高烈度速報和預警系統(tǒng)的監(jiān)測點密度,實現(xiàn)地震預警、報警和烈度速報綜合系統(tǒng),為全社會提供更好的防震減災公共服務的思考。

地震預警;烈度速報;地震報警

1 國家地震烈度速報和預警項目背景

我國大陸是全球地震高發(fā)的區(qū)域之一。進入21世紀以來,我國已發(fā)生2次8級以上巨震,其中2008年汶川8.0級地震,造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。汶川地震后,我國大陸及周邊地區(qū)地震進入了相對活躍時期,地震數(shù)量明顯增多,并于2010年4月14日發(fā)生了玉樹地震。面對嚴重的震情形勢,如何用技術手段有效地減輕破壞性地震所造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失,是我國迫切需要解決的問題。隨著我國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展和數(shù)字地震觀測技術的推廣應用,地震烈度速報和地震預警等新型防震減災手段[1-3]日益引起我國政府和公眾的關注。

地震烈度速報系統(tǒng)就是在國土范圍內(nèi)大面積布設具有一定分布密度的地震監(jiān)測儀。當?shù)卣鸢l(fā)生后,分布于不同地點的地震監(jiān)測儀在獲取地震動數(shù)據(jù)后,根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)及時繪制出能夠反映受災范圍和受災程度的地震等烈度線圖,從而為政府抗震救災初期的抗震救災決策提供依據(jù)。地震監(jiān)測儀越密集,給出的地震影響程度越詳細全面。目前,美國、日本等國家以及我國臺灣地區(qū)都已經(jīng)建立了地震烈度速報系統(tǒng)。我國也已經(jīng)在5個城市進行了地震烈度速報的示范。

所謂地震預警,就是在一定地域布設相對密集(例如,臺站間距20 km左右)的地震觀測臺網(wǎng),在地震發(fā)生時,利用地震波與無線電波或計算機網(wǎng)絡傳播的速度差,在破壞性地震波(橫波或面波)到達之前給預警目標發(fā)出警告,以達到減少地震災害特別是地震次生災害的技術。地震預警的關鍵是利用地震波的前幾秒的數(shù)據(jù)準確估計震級、震中位置以及快速估計地震對預警目標的影響等。目前,日本已經(jīng)建成了向公眾發(fā)布預警信息的全國性地震預警系統(tǒng),美國在加州地區(qū)建設的地震預警系統(tǒng)已進入試運行階段。也有的將獲得預警時間并進行緊急處置的整個技術系統(tǒng)總稱為地震緊急處置系統(tǒng)。

我國已在烈度速報和預警技術方面進行了大量研究[4-13]。其中,盧大偉和李小軍[4]研究了強震動觀測與緊急處置的關系;目前首都圈地震預警試驗項目正在順利進行,已經(jīng)取得了可喜的成果[7];國家科技攻關計劃“地震預警與烈度速報系統(tǒng)的研究與示范應用”項目已經(jīng)于2010年3月在福建省地震局啟動[14];包含了在蘭州、首都圈進行預警試驗的《國家地震社會服務工程》項目已經(jīng)于2010年5月啟動。

在這些前期研究的基礎上,國家高層高度重視相關工作,在2010年《國務院18號文件》[15]就提出將在“十二五”期間在國內(nèi)建設烈度速報和預警系統(tǒng)。目前,中國地震局擬定的重點項目《國家地震烈度速報與預警工程》的項目建議書已經(jīng)于2010年9月順利通過中國地震局科學技術委員會咨詢論證[16]。但由于經(jīng)費的限制,擬定建設的臺站間平均間距約為30～40 km。這將使得預警時間比較短,烈度速報效果也有待提高。

本文將在國家建設地震烈度速報和預警系統(tǒng)的背景下探討如何在控制成本的條件下加大地震監(jiān)測儀器密度,以將地震來襲信息更及時地用于地震緊急處置和人員避險,更好地實現(xiàn)地震工作為社會服務。

2 在國家烈度速報和預警監(jiān)測網(wǎng)中加大監(jiān)測點密度的必要性

為繪制準確烈度分布圖,需要足夠的地震監(jiān)測儀將地震動數(shù)據(jù)傳回。但在大地震發(fā)生后,其中一些地震監(jiān)測儀由于通信中斷、儀器損壞等原因無法將數(shù)據(jù)傳回數(shù)據(jù)中心。顯然,若監(jiān)測儀總量較多,即使其中一些儀器未能傳回數(shù)據(jù),烈度速報系統(tǒng)仍然能夠繪制較為準確的烈度分布圖。因此,在烈度速報系統(tǒng)中增加監(jiān)測儀密度很有必要。

為了提高預警效果,預警時間越長越好。預警系統(tǒng)為發(fā)布地震預警信號需要一系列環(huán)節(jié)的處理,每個環(huán)節(jié)都需要時間。例如,地震監(jiān)測儀將信號傳送到預警中心具有的通信延遲、預警中心的處理所需時間、預警信息的發(fā)布等。這些都會使得在震中附近存在一個區(qū)域,在該區(qū)域中收到預警信息的時間已經(jīng)遲于S波到達時間。該區(qū)域一般稱為預警盲區(qū)。為了減少預警盲區(qū),需要減少監(jiān)測儀器的間距。經(jīng)估算,間距在15～20 km時預警盲區(qū)半徑在30 km內(nèi)(此處假定震源深度10 km,為了準確預警最少需要的4個臺站的平均間距10 km,P波傳播到這些臺站的時間為2 s;為了準確預警需要的P波數(shù)據(jù)段時間為3 s;加上通信延遲、數(shù)據(jù)處理、預警發(fā)布共2.5 s,總共在震后發(fā)布預警信息之前最少需要約7.5 s。假定S波速度4 km/s,則盲區(qū)半徑約為30 km)。考慮到地震的破壞區(qū)域主要在震中及其附近,盲區(qū)半徑應該越小越好。因此,監(jiān)測儀密度越大越好。

3 對地震報警系統(tǒng)和預警系統(tǒng)的思考

我們首先從地震緊急處置的服務對象著手分析建設地震報警系統(tǒng)的必要性。地震緊急處置首先是為工程服務,例如高鐵、燃氣管線等的地震緊急處置服務,其次是為人員、尤其是人員密集場所的人員避險服務。

對于某些工程,例如燃氣管線,并不一定需要在地震P波到達之前就被關閉,而是只需要在地震波,甚至S波,到達后短時間內(nèi)關閉即可,因為少量的燃氣泄露并不足以導致火災或爆炸。對處置需求時間的減少將減低建設成本。

緊急處置系統(tǒng)的另外一個應用是對人員報警。對人員的報警也有幾種方式:一是在地震P波到來之前對人員就有警報;二是地震P波到來后對人員發(fā)出警報(該方式的警報也是一種預警——現(xiàn)地法預警[12]);三是地震S波到達時對人員發(fā)出警報。有人會提出,S波到達后再報警還有用嗎?事實上,已有資料表明[17],在普通民居建筑質量的情況下,房屋在遭到地震破壞前大概可以抵御地震襲擊約12 s;四川省地震局位于汶川地震重災區(qū)的地震觀測臺的沒有抗震設防的圍墻是在地震波到10 s后倒塌的(數(shù)據(jù)由四川省地震局監(jiān)測研究所提供)。當然,利用這短暫的十幾秒時間避險的前提是人員需要知道地震正在發(fā)生。在沒有進行訓練或缺乏足夠知識的情況下,快速而準確知道正在發(fā)生的地震并不是一件容易的事。常規(guī)辦法是看窗外的樹木是否在晃動,吊燈是否在晃動等,這些都是不夠及時的,且地震進行時,很多人發(fā)生暈眩,更不容易進行判斷。例如,在汶川特大地震發(fā)生時,很多群眾在驚恐中未能及時意識到地震災害的來臨而喪失了寶貴的逃生時機。報警裝置可以減少地震來襲判斷時間,提高避險逃生機會,特別是在群眾具有避震知識和進行防震演習后(圖1)。

圖1 地震報警系統(tǒng)的效能

圖1比較了有報警系統(tǒng)和沒有報警系統(tǒng)時人員對地震來襲的響應情況。可以看出,在有報警系統(tǒng)后,開始避險前的步驟減少了4個階段,可以節(jié)省出寶貴的時間進行避險。另外,報警裝置能夠應用于防震演習,并讓在演習時發(fā)出的警報聲音與實際地震來襲時發(fā)出的警報聲音相同。這將大大增加避險的熟練程度,減少在地震來襲時的慌亂。

既然S波到達后再發(fā)出地震來襲警報都有用,則在P波到達時發(fā)出警報,甚至是P波還未到達時就發(fā)出警報的系統(tǒng)(異地地震預警系統(tǒng))則應該更有利于地震避險了,特別是對較遠震(例如,震中距＞70 km的地震),異地地震預警系統(tǒng)能給出更多避險時間。顯然,異地預警系統(tǒng)要求報警裝置具有接收國家預警臺網(wǎng)預警信息的功能。

鑒于需要接收地震預警信號的用戶包含了各行各業(yè),我們設想在報警裝置中加裝地震監(jiān)測傳感器。這樣,內(nèi)置了地震監(jiān)測傳感器的報警裝置在通信網(wǎng)絡的支持下可以向國家地震預警臺網(wǎng)提供監(jiān)測信號,這可以使得國家預警臺網(wǎng)具有更密集的監(jiān)測點。這方面日本的HomoSeismo系統(tǒng)已經(jīng)作了初步的嘗試[18]。雖然HomoSeismo系統(tǒng)的本意是將采集裝置安裝在家庭中,但考慮到目前,中國公眾對于此類裝置還難于形成購買力,所以采取公共投資的形式安裝維護此類設備似乎更為可行。這將大大加大監(jiān)測儀器的密度,從而具有更好的預警和烈度速報效果。

除了直接的報警、監(jiān)測方面的用途外,安裝此類報警裝置將有助于對公眾的防震教育。第一,這類裝置可以具有防震演練功能。很多學校在汶川地震后啟動了防震演習的訓練。但如何將演練應用于實際地震來襲,則需要仔細考慮。特別是,現(xiàn)有演習是教師通過口令啟動的,而在地震來襲時,由于未必有教師能及時啟動避險口令,所以特別需要自動啟動口令的裝置。而地震報警裝置能自動啟動避險口令。第二,安裝此類裝置本身將引起公眾的關注,從而是對公眾的一個教育過程。當然,在安裝此類報警裝置的前后,需要對使用人員進行教育。日本在面向公眾的地震預警系統(tǒng)推出前進行了大量的公民教育,并在系統(tǒng)推出后持續(xù)進行公民教育,以避免公眾在收到地震預警信息時茫然不知所措。至于有人提到有人可能在有誤警時慌亂,則可以應用在安裝報警裝置后當天或第二天就進行演習,并在以后多次進行這些演習來防范。事實上,就算是偏遠鄉(xiāng)村的小學都已經(jīng)成功地利用了報警裝置進行演習和在地震發(fā)生時在報警裝置的引導下進行有條不紊的避險的例子[19]。

4 加大地震監(jiān)測點密度的方案探討

基于此,我們提出增大監(jiān)測點密度的具體設想:在學校、賓館和政府大樓等人員密集場所安裝具有地震監(jiān)測功能的地震報警裝置,并將這些報警裝置與國家地震預警監(jiān)測網(wǎng)相聯(lián),以組成更強大的監(jiān)測、預警和烈度速報網(wǎng)絡(圖2)。下面初步討論此設想中的幾個具體技術問題。

圖2 系統(tǒng)架構圖。該系統(tǒng)包括地震動采集、信息匯總、信息處理、信息產(chǎn)出和維護等功能。地震儀泛指測震儀、強震儀或具有報警輸出功能的地震信號采集儀器

(1)沒有專門觀測房的監(jiān)測儀是否可行。將地震監(jiān)測儀器不安裝在專門的觀測房中的好處是不需要征地和進行基建。這在國外已經(jīng)有先例。例如,應用于日本燃氣管線緊急控制的譜烈度計就不需要觀測房和云南省地震局的燃氣管線緊急處置系統(tǒng)也沒有專門的觀測房(云南省地震局燃氣管線地震緊急處置項目已經(jīng)于2010年9月20日通過驗收)。日本最近發(fā)展的不需要觀測房的HomeSeismo系統(tǒng)已經(jīng)應用于烈度采集和向預警系統(tǒng)回發(fā)采集到的數(shù)據(jù)[18]。

(2)需要仔細研究由于不具備專門觀測房而帶來的環(huán)境噪聲對于預警和烈度速報的影響。鑒于報警裝置安裝場所的噪聲比專業(yè)臺站的大,如何消除誤警的問題、在有噪聲情況下的預警系統(tǒng)的效能、在多種儀器并存下的烈度速報和預警的效能、在有人為干擾下系統(tǒng)的運行等都需要仔細研究。值得注意的是,中國地震局正在組織的基于烈度計的烈度速報試驗已計劃不建設專門的觀測房,我們也進行了一些嘗試[19]。

(3)地震報警監(jiān)測裝置的看護和維護。我們設想該工作可以由在我國防震減災工作中的三網(wǎng)一員(防震減災科普宣傳網(wǎng)、地震災情速報網(wǎng)、群測群防網(wǎng)共用一個防震減災助理員)完成。三網(wǎng)一員的方式有利于利用社會力量做好防震減災工作。

上述問題的解決將使得在控制建設成本的條件下,提高地震監(jiān)測密度從而獲得更好的地震預警和烈度速報系統(tǒng)。作為參考,日本有約5000個地震觀測點[4],約每100平方公里1個。若按我國現(xiàn)在通用的地震觀測儀器的價格其建設成本是難以承受的,這也是我國過去一直未能開展地震烈度速報的重要障礙。而不需要觀測房的具有報警功能的地震監(jiān)測裝置的應用可以在控制成本的條件下大大提高地震監(jiān)測密度。

5 結語

新增監(jiān)測報警裝置與烈度速報和預警系統(tǒng)的關系:

(1)預警主要對工程服務,報警對象是為人,特別是在學校等人員密集的場所;

(2)報警裝置可以給預警系統(tǒng)提供地震動監(jiān)測數(shù)據(jù),而預警系統(tǒng)也給報警裝置(震中距＞40 km)提供更多的預警時間;

(3)報警裝置不需要專門的觀測房,而傳統(tǒng)的地震監(jiān)測儀器需要專門的觀測房;

(4)報警監(jiān)測裝置與傳統(tǒng)地震監(jiān)測儀器都為預警和烈度速報提供數(shù)據(jù)來源。

總之,在“十二五”建設地震預警和烈度速報項目的背景下,通過在人員密集場所加裝具有地震監(jiān)測和通信功能的報警裝置,可以彌補傳統(tǒng)地震監(jiān)測儀器布設密度的不足,以在控制建設和管理成本的情況下建設我國高密度的地震監(jiān)測網(wǎng)絡,減少地震造成的次生災害和生命損失。

(作者電子信箱,王 暾:wangtun2001@yahoo.com.cn)

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[13]王暾.能用于地震預警和烈度速報的新型儀器的研制.中國地球物理學會第26屆學術年會暨中國地震學會第13次學術大會,2010

[14]http:∥www.cea.gov.cn/manage/html/8a8587881632fa5c0116674a018300cf/content/10_03/08/1268041440735.html

[15]http:∥www.cea.gov.cn/manage/html/8a8587881632fa5c0116674a018300cf/content/10_09/26/1285463519357.html

[16]http:∥www.cea.gov.cn/manage/html/8a8587881632fa5c0116674a018300cf/content/10_09/15/1284513845060.html

[17]http:∥baike.baidu.com/view/1588913.htm

[18]Horiuchi S,Horiuchi Y,Yamamoto S,et al.Home seismometer for earthquake early warning.Geophy.Res.Lett.,2009,36:L00B041-4

[19]htttp:∥press.idoican.com.cn/detail/articles/2009062024937/

Thoughts on integrating early warning and alarm as well as rapid disaster reporting systems for mitigation of earthquake disasters

Wang Tun1),Gong Yu2),Gu Jianhua3),Chen Tianchang2),Du wenkang2),Zhou Wei2)
1)Institute of Care-life,Chengdu 610041,China
2)Earthquake Administration of Sichuan Province,Chengdu 610041,China
3)Institute of Geophysics,CEA,Beijing 100081,China

How to identify the distribution of disaster zones after an earthquake is an important issue that has caught the attention of the Chinese government and society.In the background of constructing a rapid reporting system and an early warning system for earthquakes,a new approach to place the sensors in the field which are different from traditional monitoring stations is suggested.It can reduce the budget for each single station and thus can save money to install more sensors.Since the density of the sensors is critical for the rapid reporting system as well as the early warning system,besides an alarm system,our new approach can integrate these systems and provide a better public service for earthquake disaster mitigation.

earthquake early warning;rapid reporting system for earthquakes;earthquake alarm

P315.75;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.09.007

2011-01-16;

2011-03-22。