肖武軍 趙剛 何少林 鄭先進(jìn) 譚俊義 張堯 張克誠

1)中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045 2)應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085 3)甘肅省地震局，蘭州 730000 4)安徽省地震局，合肥 230031 5)江西省地震局，南昌 330039

0 引言

1966年邢臺地震后，我國的地震臺網(wǎng)得到迅速發(fā)展，陸續(xù)建立了多學(xué)科、多手段的地震觀測臺網(wǎng)(陰朝民，2001；李志雄等，2006)。我國的數(shù)字化測震臺網(wǎng)起步于20世紀(jì)80年代，1983年5月，中國地震局與美國地質(zhì)調(diào)查局規(guī)劃設(shè)計CDSN臺網(wǎng)(劉瑞豐等，2008)。限于建臺時期的歷史條件，臺站建設(shè)起點較低，基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，經(jīng)過多年的使用，多數(shù)臺站設(shè)施已嚴(yán)重殘破，不能滿足測項對觀測條件的要求，嚴(yán)重影響臺站的正常觀測。大部分臺站地處偏遠(yuǎn)，存在條件保障建設(shè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展以及臺站的面貌與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平差距逐漸加大等現(xiàn)實問題。此外，臺站辦公條件落后，嚴(yán)重影響了臺站工作人員的工作熱情和積極性。自21世紀(jì)初以來，為保障地震臺站的觀測系統(tǒng)穩(wěn)定運行，中國地震局通過重點臺站優(yōu)化改造項目對地震臺站的觀測環(huán)境及技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行整體改造，改善臺站觀測環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施以及辦公條件。通過對一些重點臺站的觀測環(huán)境設(shè)施(觀測山洞、地震監(jiān)測樓、儀器觀測房、觀測場地等)、臺站基礎(chǔ)設(shè)施(供水供電、臺站避雷及接地地網(wǎng)等)與臺站辦公設(shè)施、生活條件等方面的技術(shù)改造升級，使得臺站的觀測環(huán)境不斷優(yōu)化、基礎(chǔ)設(shè)施條件進(jìn)一步改善、辦公生活條件水平極大提升，從而更加豐富了臺站文體、文化生活，提升了臺站人員的凝聚力和工作熱情。通過臺站優(yōu)改項目的實施，將地震監(jiān)測臺站建成觀測技術(shù)系統(tǒng)先進(jìn)、觀測環(huán)境優(yōu)化、觀測條件規(guī)范、基礎(chǔ)設(shè)施完善、臺容臺貌優(yōu)美、文體生活豐富的現(xiàn)代化地震臺站。

重點臺站觀測環(huán)境改造項目自2001年正式開始實施，中國地震局監(jiān)測預(yù)報司(2009)對該項目進(jìn)行了階段性總結(jié)，編制完成了《地震臺站優(yōu)化改造十年巡禮》。臺站優(yōu)化改造項目實施近20年來，取得了較好成效，逐步改善了臺站觀測環(huán)境和附屬設(shè)施，提升了觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。實施過程可分為2個階段，第一階段為2001—2010年，項目重點關(guān)注對臺站基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，保證臺站的基本觀測場所，保障臺站人員辦公及生活條件，確保臺站外觀形象與當(dāng)?shù)丨h(huán)境協(xié)調(diào)，確保工作條件滿足臺站工作需要。通過改造，大大改善了臺站工作和生活條件，極大地激發(fā)了廣大臺站工作人員為防震減災(zāi)事業(yè)工作的積極性和凝聚力。第二階段為2011—2020年，項目主要關(guān)注對觀測場地的升級和完善，保障臺站觀測系統(tǒng)運行，確保觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)出質(zhì)量，逐漸改善了區(qū)域整體臺站監(jiān)測環(huán)境，提升了區(qū)域地震監(jiān)測能力和震情跟蹤能力，最大限度地發(fā)揮現(xiàn)代化地震觀測技術(shù)系統(tǒng)的效能，顯著提高我國地震監(jiān)測的科學(xué)水平，為震情跟蹤和科學(xué)研究提供了重要的條件保障。

1 臺站優(yōu)化改造概況

自2001年起，中國地震局開始實施改善臺站觀測環(huán)境、臺站基礎(chǔ)設(shè)施以及臺站辦公條件的基礎(chǔ)性專項建設(shè)。截至2020年，“臺站優(yōu)改”專項已連續(xù)投資20年，涉及全國31家建設(shè)單位。由于貴州省地震局前期臺站業(yè)務(wù)歸屬于云南省地震局管轄，未有單獨立項安排。其他省局項目合計立項388次，平均每年改造20次，改造臺站總數(shù)311個，平均每年16個，分布于全國31個省市自治區(qū)，改造臺站的分布情況見圖1，部分單位由于同一臺站改造多次，改造臺站數(shù)量少于改造頻次。項目總投資3.67億元，其中中央投資2.80億元，占比76.32%，地方配套0.87億元，占比23.68%。

圖1 全國重點臺站優(yōu)化改造項目改造臺站分布

圖2 各單位優(yōu)改項目投資情況柱狀圖

從改造臺站的分布看，臺站優(yōu)化改造項目主要分布在首都圈、西部地震多發(fā)區(qū)以及蘇、魯、皖等地區(qū)，其他地區(qū)也統(tǒng)籌兼顧，全面提升臺站的監(jiān)測能力。在北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古等省局及直屬所共改造79次，占比20.36%；西部地震多發(fā)區(qū)的四川、云南、甘肅、寧夏等省局共改造93次，占比23.97%；山東、江蘇以及安徽等省局改造臺站次數(shù)合計53次，占比13.66%。上述3類區(qū)域改造頻次相對較高，與所屬省局臺站數(shù)量、臺站改造重點支持方向有一定關(guān)聯(lián)。

從投資情況來看，項目總投資3.67億元，其中投資超過2000萬元的單位主要有河北省、四川省、云南省、甘肅省以及福建省地震局等。投資情況基本與臺站改造次數(shù)保持高度一致性，各單位優(yōu)改項目投資情況見圖2。北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古等省份投資總額超過6827萬元，占比18.62%；西部地震多發(fā)區(qū)域的四川、云南、甘肅以及寧夏4個省份改造經(jīng)費達(dá)到8328萬元，占比22.47%；山東、江蘇以及安徽投資總額為4678萬元，占比12.76%。由于東南沿海及臺灣地區(qū)地震較多，為提高海峽地震的監(jiān)測能力，福建省內(nèi)臺站優(yōu)化改造項目投資超過2000萬元。

近年來，在臺站優(yōu)化改造過程中，對觀測環(huán)境(含臺站標(biāo)準(zhǔn)化)、基礎(chǔ)設(shè)施、辦公及生活條件等3個方面進(jìn)行主次區(qū)分，重點支持觀測環(huán)境的改造，每年用于觀測環(huán)境改造的經(jīng)費占總改造費用的40%以上，而基礎(chǔ)設(shè)施改造、辦公及生活條件分別占改造經(jīng)費的 10%～20%。 自2017年起，項目建立了從臺站項目申報、項目入庫、立項、實施、中期檢查、驗收到績效評價全過程完整規(guī)范的管理體系。從各單位申報情況來看，觀測環(huán)境及標(biāo)準(zhǔn)化改造工作占主體，且占比逐年提高。2017—2020年的觀測環(huán)境投資分別占比43%、44%、51%以及64%(表1)。

表1 2017～2020年臺站優(yōu)化改造項目各分項投資情況

2 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新

在臺站優(yōu)化改造項目實施過程中，針對長期制約臺站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的觀測環(huán)境等方面存在的問題，經(jīng)過長期的實踐和不斷的探索改進(jìn)，在改造的技術(shù)和工藝方面多有創(chuàng)新，主要體現(xiàn)在測震儀器的防震加固設(shè)計、地磁觀測室無磁性工藝、形變山洞防潮保溫、地電阻率觀測架空線路防雷改造、臺站標(biāo)準(zhǔn)化改造等方面。通過這些新技術(shù)和工藝的應(yīng)用，保障了臺站觀測環(huán)境，提升了觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，為地震監(jiān)測、地震預(yù)測預(yù)報和地震科學(xué)研究提供了高質(zhì)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，使臺站觀測進(jìn)入一個高質(zhì)量產(chǎn)出、可持續(xù)發(fā)展的新階段。

2.1 測震臺站傳感器防震加固設(shè)計

測震儀器防震加固設(shè)計是保證臺站儀器正常開展監(jiān)測工作的必要措施，尤其是大震近場臺站，地震觀測儀器具備防震能力十分必要。臺站優(yōu)化改造項目實施過程中，設(shè)計了一款安裝方便、穩(wěn)固可靠、維護(hù)便捷的防震裝置。項目組先后在燕郊開展振動臺測試、在山東郯城臺以及安徽紫蓬山臺進(jìn)行了對比觀測，將觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。通過分析在地震計加防震裝置和不加防震裝置情況下，對比一個遠(yuǎn)震和一個近震的記錄情況，分析2個地震計記錄的MISFIT結(jié)果，得出該裝置不影響正常觀測，對數(shù)據(jù)產(chǎn)出無影響(圖3、圖4)(Kristekovet al，2006、2009；李小軍等，2019)。該裝置已在安徽、云南、重慶等省局的部分臺站進(jìn)行推廣使用。

圖3 2臺地震計關(guān)于2018年8月2日山東濟(jì)寧ML1.9地震的MISFIT結(jié)果

圖4 2臺地震計關(guān)于2018年8月5日印尼松巴哇島M6.8地震的MISFIT結(jié)果

2.2 地磁觀測室無磁性工藝

臺站地磁觀測對觀測環(huán)境要求高，地磁房改造和建設(shè)施工工藝復(fù)雜，建設(shè)難度大。在臺站優(yōu)化改造項目中，將碳纖維材料用于地磁觀測室建設(shè)。在地磁觀測室改造過程中，采用了玄武巖纖維筋框架結(jié)構(gòu)新工藝，玄武巖纖維筋是以玄武巖纖維為增強(qiáng)材料與乙烯固化劑等基體相結(jié)合的一種新型復(fù)合材料，其比重是鋼精的1/5，抗拉強(qiáng)度是鋼精的120%，具有電絕緣性、非磁性、耐酸性和耐堿性，對水泥砂漿中的水分濃度及二氧化碳的滲透和擴(kuò)散具有較高的容許度，可抵御特殊環(huán)境對混凝土構(gòu)筑物的腐蝕，提高建筑物的耐久性。玄武巖纖維具有重量輕、保溫性能好的特點，減小了建筑物自重，達(dá)到了既節(jié)省工程投資，又環(huán)保、節(jié)能的雙重效果。這也是地震行業(yè)首次將碳纖維材料作為結(jié)構(gòu)筋用于地磁觀測的建筑主體。該地磁新工藝在天津靜海地磁臺、寧夏銀川北塔地磁臺等進(jìn)行了應(yīng)用，保障了地磁觀測效果。

2.3 形變觀測山洞防潮保溫

地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對形變儀器觀測山洞環(huán)境有嚴(yán)格要求，對山洞密封性和保溫、防潮效果要求高。臺站優(yōu)化改造項目在對多個山洞實施改造過程中，開展了系列創(chuàng)新性設(shè)計，保障了山洞改造效果。在山洞密封方面，以往觀測山洞多采用水泥門、鋼質(zhì)門、船艙門等，其缺點是笨重、開關(guān)不方便、容易銹蝕、密閉性不佳。在臺站優(yōu)化改造項目中，通過廣泛調(diào)研，選取了一種不銹鋼密封門，并選用了特殊行業(yè)專用密閉門，其可以應(yīng)用在有輻射、腐蝕等特殊要求的場合，密閉性、保溫性、抗腐蝕性俱佳。具體技術(shù)要求如下：密封門氣密性等級不低于5級；密封門雙面板采用國標(biāo)304不銹鋼板，里外不銹鋼板厚度不小于1.5mm，內(nèi)骨架不銹鋼方鋼40×70×3.0mm，門厚度不低于70mm，門內(nèi)采用四層填充物，第一層為防火板，第二層為防火珍珠巖，第三層為隔音板，第四層為防火板。門板四邊鑲?cè)冶鹉z密封條(此種密封條材料與汽車門用密封條相同，具有耐老化、耐低溫、耐水氣、耐化學(xué)腐蝕等特點)。門框采用3.0mm厚的304不銹鋼型材，門框內(nèi)四周鑲?cè)冶鹉z密封條。密封門用所有五金件均采用304不銹鋼材料，包括鉸鏈(厚度5.0mm)、重型合頁、門鎖、門把手、螺絲釘?shù)?。形變觀測山洞的防潮保溫措施在江蘇徐州臺、江西南昌臺、浙江湖州臺等臺站進(jìn)行了推廣應(yīng)用。

2.4 地電阻率臺站防雷技術(shù)

在臺站優(yōu)化改造中，結(jié)合中國地震局對臺站防雷系統(tǒng)的改造工作，臺站工作人員陸續(xù)開展了不同學(xué)科及綜合防雷技術(shù)系統(tǒng)改造研究及應(yīng)用(韓進(jìn)等，2011；瞿旻等，2015；孫宏志等，2015)。在地電阻率臺站防雷系統(tǒng)改造中，對地電阻率臺站架空線路防雷、地埋線路防雷等關(guān)鍵技術(shù)點出現(xiàn)的問題進(jìn)行了重點分析研究，提出了新的技術(shù)思路，得到了一些新的技術(shù)成果，地電阻率臺站應(yīng)盡量將供電及測量線路進(jìn)行埋地，且埋地供電及測量線路應(yīng)避開接地體10m以上，仍采用架空線路的臺站，應(yīng)安裝相應(yīng)電流值的信號防雷器(肖武軍等，2020a、2020b)。該技術(shù)成果在內(nèi)蒙古寶昌臺、河北陽原臺等地電阻率臺站進(jìn)行了推廣改造。臺站優(yōu)化改造項目的實施以及不斷探索在地震臺站開展綜合防雷技術(shù)的應(yīng)用，為地震臺站防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《地震臺站綜合防雷》(趙剛等，2017)的編制奠定了基礎(chǔ)。

2.5 臺站標(biāo)準(zhǔn)化改造探索

由于地震臺站建設(shè)歷史長，建臺時缺少明確的臺站標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性文件，因此，臺站建設(shè)保留了每個歷史時期的特點和當(dāng)?shù)亟ㄖL(fēng)格，儀器設(shè)備布設(shè)、傳感器固定、綜合布線等也沒有明確規(guī)定，因此，存在多方面不規(guī)范的問題。自2019年開始，在重點臺站優(yōu)化改造過程中，嚴(yán)格落實中國地震局關(guān)于臺站標(biāo)準(zhǔn)化的相關(guān)要求，開展臺站標(biāo)準(zhǔn)化試點改造和探索。對申報臺站設(shè)施防震加固、綜合布線、標(biāo)識標(biāo)志等方面進(jìn)行了全方位改造。河北陽原臺、甘肅嘉峪關(guān)臺在臺站優(yōu)化改造之后，全面提升了臺站標(biāo)準(zhǔn)化水平(圖5、圖6)(肖武軍等，2019)。

圖5 陽原臺電極井下電纜固定裝置

圖6 嘉峪關(guān)臺標(biāo)識標(biāo)志改造

3 問題與展望

隨著社會的不斷發(fā)展，人們對地震服務(wù)的需求不斷提高，作為地震監(jiān)測預(yù)報的基本場地，臺站觀測的理念也在不斷提升，建成不斷滿足社會需求的現(xiàn)代化臺站是發(fā)展的終極目標(biāo)。我國的臺網(wǎng)建設(shè)可以分為幾個階段，“九五”項目前，我國臺網(wǎng)主要采用模擬觀測；“九五”項目后，中國地震觀測臺網(wǎng)從模擬觀測發(fā)展到數(shù)字化觀測；“十五”項目后，臺站觀測從數(shù)字化走向網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)了“網(wǎng)絡(luò)到臺站，IP到儀器”；現(xiàn)階段，從“分鐘級”的地震速報信息服務(wù)到“秒級”的地震預(yù)警信息服務(wù)，臺站發(fā)展逐步現(xiàn)代化。而原來建設(shè)的臺站已不能滿足現(xiàn)代化觀測的需求。臺站標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，儀器設(shè)備大部分未按要求進(jìn)行固定，觀測系統(tǒng)線路混亂，標(biāo)識標(biāo)志不夠清晰明確；信息化程度較低，統(tǒng)一監(jiān)控、臺站數(shù)據(jù)自動采集有待進(jìn)一步加強(qiáng)；臺站數(shù)據(jù)處理能力和公共服務(wù)能力相對較弱。這些問題，嚴(yán)重制約臺站觀測水平向更高層次提升，也制約其進(jìn)一步邁向新時代現(xiàn)代化地震臺站的發(fā)展。未來臺站需要向標(biāo)準(zhǔn)化、信息化發(fā)展，并進(jìn)一步提升臺站的公共服務(wù)能力。

推進(jìn)臺站標(biāo)準(zhǔn)化改造。臺站標(biāo)準(zhǔn)化既是提升地震臺站現(xiàn)代管理水平的推進(jìn)劑，又是保障臺站監(jiān)測能力的一個重要環(huán)節(jié)，對促進(jìn)防震減災(zāi)業(yè)務(wù)信息化與現(xiàn)代化具有十分重要的現(xiàn)實意義(肖武軍等，2019)。在臺站優(yōu)化改造項目中，要參照《地震臺站標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范設(shè)計圖冊(修訂稿)》(1)中國地震局，2019. 地震臺站標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范設(shè)計圖冊(修訂稿). 內(nèi)部資料.，大力推進(jìn)臺站標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作。進(jìn)行觀測場地、設(shè)備布設(shè)、綜合布線、標(biāo)志標(biāo)識等的標(biāo)準(zhǔn)化改造，形成臺站標(biāo)識統(tǒng)一、設(shè)備布設(shè)合理、布線規(guī)范的臺站新面貌。

加強(qiáng)臺站信息化建設(shè)。實現(xiàn)臺站運行狀態(tài)實時監(jiān)視、運行故障告警、專業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量在線分析和臺站整體運行可視化等系統(tǒng)功能，建立臺站統(tǒng)一監(jiān)控平臺，實現(xiàn)臺站運維的統(tǒng)一監(jiān)控。在臺站優(yōu)化改造項目中推進(jìn)臺站信息化建設(shè)，促進(jìn)臺站日常運行、維護(hù)、產(chǎn)出以及管理的信息化工作,使臺站信息化水平再上新臺階。

加強(qiáng)臺站公共服務(wù)設(shè)施建設(shè)，為臺站屬地提供地震產(chǎn)品服務(wù)。通過臺站優(yōu)改項目實施，積極推進(jìn)一些多觀測手段的中心站和綜合臺改造，推動臺站由數(shù)據(jù)采集向數(shù)據(jù)處理的轉(zhuǎn)變，強(qiáng)化數(shù)據(jù)處理和相關(guān)科普宣傳等公共服務(wù)設(shè)施的建設(shè)，充分發(fā)揮監(jiān)測體系中臺站的公共服務(wù)功能。