金沙江水网及其地震地下水前兆监测能力的讨论

李万明 车用太 刘成龙 鱼金子 何案华

1)中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080

2)中国地震局地质研究所，北京 100029

3)中国地震局地壳应力研究所，北京 100085

金沙江水网及其地震地下水前兆监测能力的讨论

李万明1)车用太2)刘成龙2)鱼金子2)何案华3)

1)中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080

2)中国地震局地质研究所，北京 100029

3)中国地震局地壳应力研究所，北京 100085

金沙江下游梯级水电站水库地震地下水动态监测网(简称金沙江水网)，是中国第2个专门用于水库区地震前兆监测与研究为目的的企业地下水动态监测网。文中简要介绍了该网的布设、观测网的技术构成、观测井与观测含水层的基本特征及试运行的基本结果，从观测井－含水层特征及观测到的水位与水温多月、月、日动态特征，评估了其地震前兆监测能力。

地下水观测网 金沙江下游水库区 地震前兆监测

0 引言

1963年在赞比亚与津巴布韦交界处的卡里巴水库发生MS6.1诱发地震时，沿着穿过水库的断裂带上发现温泉与井水自流现象(Snow，1974)，在其他水库也陆续发现与诱发地震活动有关的水温异常现象。从此，国内外水电工程界与地震界开始关注利用地下水动态监测水库地震的科学问题(Zaback et al.，1982;丁原章，1989;Gupta，1992;胡毓良等，1994;王儒述，2007;车用太等，2002，2010a，)。首先，美国在蒙特塞洛水库打了两口深井观测孔隙压力，并观测到地震与孔隙压力异常间的关系;1997—1998年印度在科依那水库建成世界上第1个以水库诱发地震监测为目的的地下水动态监测网(Chadha et al.，2003)，1998—2000年间在长江三峡水电工程区建设了中国第1个水库诱发地震地下水动态监测网(车用太等，2002)。

金沙江下游梯级水电站水库地震地下水动态监测网(简称金沙江水网)，是继三峡工程水库诱发地震监测网之后建成的中国第2个专门用于水库及其邻区地震前兆监测与研究的观测网。该网为金沙江下游水电站地震监测系统的一部分，于2007—2010年间建设在向家坝水库区与溪洛渡水库区内，共由6口观测井组成，是全自动化网络化观测的新型地下水动态观测网。2010年8月开始试运行，2011年1月验收并投入正式运行。

1 观测网的布设

金沙江水网布设在位于川滇边界上的金沙江下游的向家坝水电站库区与溪洛渡水电站库区中，观测井集中①中国地震局工程力学研究所，2006，金沙江下游梯级水电站水库地震监测系统勘选与设计报告。布设在2个主要水库诱发地震危险区内(图1)。

据有关资料 ，向家坝库区水库诱发地震的最大预测震级为MS5.0，主要危险区是刘家坪至黄毛坝库段(长约30km)。该危险区内，发育了马边－盐津断裂带中段的翼子坝断层。因此，在该断裂的东西两侧及断裂带上各布设了柑子(GZ)井、团结1(T1)井与团结2(T2)井(图1)。

图1 金沙江水网布设图Fig.1 Distribution map of wells in Jinshajiang groundwater observation network.

据有关资料①，溪洛渡库区水库诱发地震的最大预测震级为MS5.0，主要危险区是抓抓岩—硝滩、金阳河口和牛栏江河口，该危险区内主要发育峨边断裂带中的马颈子断层与金阳断层。考虑到有限的投资与未来水网管理等方面的因素，金沙江水网主要选择抓抓岩—硝滩危险区布设了3口井，即千万贯(QW)井、务基1(W1)井和务基2(W2)井(图1)。

由于金沙江水网的性质为“以科研为主的监测网”，在布网中特别考虑了2组对比观测井。在向家坝库区的翼子坝断裂带上特意布设了T1井与T2井，两井间相距约1km。T1井位于断裂下盘(下降盘)，距主断裂面约0.2km。T2井布设在断裂带上盘(上升盘)，直接打穿断裂破碎带。两口井的深度等井孔结构基本一致。此组两井对比观测的科研目的是探索断裂带对地下水前兆响应特征的控制作用。在溪洛渡库区也特意布设了W1井与W2井，两井间相距约0.5km，两井井区的地表地质－水文地质条件相同，井深与井孔结构等也一致。此组两井对比观测的科研目的原是检验相同条件下的两口井对同一个地震的前兆响应特征是否一致。然而，钻井揭示出的两井地下水文地质条件差异很大，W1井揭露出的含水层是岩溶裂隙不发育的灰岩含水层，而W2井揭露出的是岩溶裂隙极发育(可能邻近有暗河)的灰岩含水层，促使两井对比观测的研究内容调整为灰岩地区岩溶裂隙发育的不均一性对地下水前兆响应特征的影响问题。

原设计中，在溪洛渡库区的左坝肩区也布设了一口观测井(NT)，但因该井观测条件目前还不能满足地下水观测的技术要求，故暂未列入该网中。

2 观测井－含水层系统的基本特征

2.1 井区的地质-水文地质条件概况

金沙江水网各观测井区地质－水文地质条件，概括于表1中。

2.2 观测井的基本结构参数

金沙江水网各观测井的基本结构参数，概括于表2中。由表2可见，向家坝库区的观测井深为150m左右，套管长度为100m左右;溪洛度库区的观测井深为300m左右，套管长度为200m左右;观测井下设套管段直径为127mm，其下裸孔段直径多为110mm;T2井的套管之下的观测段下设有φ127mm花管。

2.3 观测含水层的基本特征

金沙江水网各井观测含水层的基本特征，概括于表3中。由表3可见，向家坝库区观测井的观测含水层多为砂岩孔隙裂隙承压水，含水层渗透性多较弱，渗透系数为0.02～0.03m/d，但T2井地下水为断层破碎带承压水，具有较强的渗透性，渗透系数高达9m/d以上;地下水径流条件不是很强，水化学类型多为HCO3－SO4型，但矿化度不高(＜0.5g/L)。溪洛渡库区观测井的观测含水层多为灰岩岩溶裂隙水层，由于观测井多地处深山峡谷区，地下水位埋深很大，地下水的承压性差;地下水的径流条件较向家坝库区略强，水化学类型多为HCO3型，矿化度不高(＜0.5g/L)。

3 观测台站的基本设施

金沙江水网的各观测台站均设有围墙、井房及供电、防雷、通信等数字化台站运行所必要的设施。

台站的围墙圈定面积多为30～40m2;井房面积9～15m2，多为砖混结构，具有抗震措施，具备防盗、通风等功能。各个台站均建有专用的供电线路，在入井房前有30m长的线路为铠状电缆并入地，入井房后设置配电箱、电表、防雷器、稳压电源等。各台站均建有防雷地网，用角钢桩及其连体构成，网的面积为4～10m2不等，桩长0.5～2.0m不等，第四系复盖层较薄的井台均使用降阻剂几十～几百kg不等，施工后的接地电阻2.1～3.9Ω(车用太等，2010b)。各井台均进行GPRS信号强度测试，强度稳定值为17～30。

4 各台站的观测项目配置

金沙江水网各台站的观测项目配置，如表4所列。由表4可见，观测项目总数为18项，其中水位与水温各6项，降雨、气压与室温各2项。

5 观测技术系统

5.1 观测网的技术构成

金沙江水网由6个台站与1个台网中心组成。台网中心目前暂时设在溪洛渡(称临管中心)，未来将迁移到四川省成都市。金沙江水网的观测技术系统构成，如图2所示。

这个系统中，6个台站产出18个测项的观测数据。这些数据在每日规定时间内由台网中心通过GPRS与INTERNET网汇集，然后进行预处理、存储与初步分析。

5.2 台网中心的硬件与软件配置

台网中心的主要硬件设施是数据库服务器、台式计算机与EPC－1型无线传输装置;台网中心的主要软件及其功能，概括于表5中。

5.3 各台站的观测技术系统构成

5.3.1 各台站的仪器设备配置

金沙江水网各台站仪器设备配置，因观测项目的数量不同可分为两种模式(图3，4)。由图3与图4可见，两种模式相比，第2种模式较第1种模式多气象三要素观测的3种传感器(探头)与相关的数据转换器，主机的型号有所不同，其他供电、防雷、通信设备的配置是相同的。5种观测仪器的主要技术指标，如表6所列。

W2台站仪器设备安装之后，发现井水位日变幅大到每日几至十几m，故对该井台的水位传感器更换为新研制的大量程水位传感器。该传感器的主要技术指标如下:测量范围0～50m，分辨力10mm，最大误差±0.2%FS，采样率1次/min。

图2 金沙江水网的技术系统构成Fig.2 Construction of observation technologic system of Jinshajiang groundwater observation network.

5.3.2 各台站的仪器设备安装及其相关参数

各台站观测仪器设备主要是7月26—29日安装的，但W2井大量程水位传感器是12月3日安装的。

各台站观测仪器的安装由安装主机开始，然后按下列顺序安装传感器:水温传感器、水位传感器、气压传感器、室温传感器与雨量筒(传感器)。每口井在安装水温传感器时，均进行观测井内温度梯度测量及分析各测点的水温测值的稳定性;安装水位传感器时均测定了当时的水位埋深值，以便把传感器产出的水压值转换为水位埋深值(车用太等，2011)。各井水位与水温传感器安置参数，如表7所列。

图3 水位与水温2个测项的台站技术构成图Fig.3 Construction of observational technologic system of a station for wellwater level and temperature observations.

6 试运行及水位与水温动态特征分析

6.1 试运行及其产品概况

金沙江水网的试运行分为2个阶段，2010年8—9月为前期检验性试运行，10—12月为正式试运行。试运行期间(8—12月)各台站产出的各测项时值动态，如图5所示。

8—12月试运行期间，各井台各测项数据完整率如表8所示。由表8可见，除了QW井台之外，各台站与各测项的数据完整率均达99%以上，说明井台维护管理与仪器设备的运行多连续可靠。QW台站运行不正常，数据完整率较低，主要是2次遭雷击引起的;T2、W1与W2井缺失少量观测数据主要是前期检验性运行阶段对观测仪器设备进行调整与当地供电系统故障引起的。

图4 水位与水温及气象三要素5个测项的台站技术构成图Fig.4 Construction of observational technologic system of a station for water level，water temperature，room temperature，atmospheric pressure and rainfall observations.

6.2 井水位动态的基本特征分析

金沙江水网各井水位2010年8—12月动态(图5)的基本特征分析结果，概括于表9中。由表9可见，金沙江水网各井水位及其动态的基本特征是埋深大，起伏大。埋深大主要表现在溪洛渡库区3口井，平均埋深约200～270m，国内外各类地下水动态观测网中前无实例。起伏度大，除了W1井很小与T1、GZ井较小外，其他井都超10m。

各井水位多月与月动态特征，基本受含水层降雨渗入补给与地下径流侧向排泄的控制，有雨季节与有雨时段井水位上升，无雨时段井水位下降。水位动态的日变动态特征，有4口井为有规律起伏，其中2口为水位潮汐效应 (图6)，另2口为江水的水动力传导效应 (图7)，W1井水位日变虽无规律，但日起伏很小，水位动态较稳定;W2井水位日变不但无规律，且日起伏度很大，水位动态极不稳定。

6.3 井水温度动态的基本特征

金沙江水网各井水温度2010年8—12月动态(图5)的基本特征分析结果，概括于表10中。由表10可见，各井井水温度的平均值17～28℃不等，各时间段的水温变化表现出一定规律性，起伏度不大，GZ与T1井水温动态中出现阶变，W1与W2井水温动态中存在脉冲变化，这些变化幅度虽不大，但多在稳定时段突然出现，其成因推测为观测环境与观测系统如供电电压、仪器工作等不稳定引起的。

7 地震前兆监测能力评估

无论是地下水动态观测网还是其他学科的前兆观测网，国内外尚无统一的监测能力评估标准与方法。在中国地下水动态观测网中，通常采用3种评价方法:

(1)对于有一定观测历史并经地震检验了的网或井用映震效能的评价方法，根据被评估井的某一测项异常的总次数、经历的地震总次数，计算有异常有震的比值(有可能预报的概率)、有异常无震的比值(有可能虚报的概率)、无异常有震的比值(有可能漏报的概率)(国家地震局科技监测司，1990)，有时还根据上述比值计算映震能力的分值(R)(罗兰格等，2004)。这种方法是中国地震预报界多数专家认可的，但对于金沙江水网因尚未经历地震活动检验监测能力的评估，目前显然是无法使用的。

(2)从已有的大量震例中总结出的映震能力大小与观测井－含水层系统的特征关系评估其监测能力的方法(车用太，1990;1999)。该方法的评价标准是按井孔的构造部位、观测含水层的储水空隙类型、含水层顶板埋深、井水动力类型(自流与非自流)、地下水温度、井径比、过水段类型等可能影响映震能力的条件，各分为3种情况，对于映震能力给出3种分值:3(强)、2(中)、1(弱)，然后综合评分。对于金沙江水网各井的监测能力评估结果，如表11所示。由表11可见，金沙江水网6口井的监测能力，从井－含水层特征上的评估结果，其分值为14～15，与全国地下水动态观测网的统计结果相比，可认为是监测能力较强的网(车用太，1990)，即对当地与邻区MS≥5.0以上的地震应具有一定的前兆反映能力。

图5 金沙江水网各井台各测项2010年8—12月时值动态曲线Fig.5 Curves of hourly value of each observation item from August to December，2010，in Jinshajiang groundwater observation network.

然而，一个观测网或观测井的监测能力不仅取决于井－含水层系统能否对地震孕育与发生过程做出响应，还与其观测产出的动态特征是否有利于地震前兆异常信息的识别与提取。因此，生成了监测能力评估的第3种方法。该方法从如下3个方面去评价:1)正常动态有无规律性?2)正常动态的起伏度是否过大?3)对地球固体潮汐等已知的动力作用是否有响应?(车用太等，2006;赵文忠等，2006)，按着这样的思路，对金沙江水网各测项的地震前兆监测能力评估的结果，概括于表12中。由表12可见，具有监测能力中较强的测项6项，其正常动态特征是无论多月还是月尺度上动态规律清楚，且变化规律较稳定，起伏度不大，若有地震前兆异常出现时应较易识别与提取，而且部分具有潮汐效应与气压效应等;有11项监测能力被评为一般，其正常动态特征是在多月尺度上规律性不强或稳定性不很好，在有规律性与起伏度不大的时段，有可能识别出地震前兆异常;有4项监测能力是较差，其动态特征是无论在多月还是月动态尺度上基本无规律性，相对起伏度也较大，一般情况下很难识别出地震前兆信息;有2项监测能力很差，正常动态无规律，且起伏度极大，一般无法识别出前兆异常信息。

图6 柑子井水位与团结1井水位潮汐动态图Fig.6 Water level in GZ well and tide behaviour in T1 well.

图7 团结2井与千万贯井水位与溪洛渡电站上围堰金沙江水位动态对比Fig.7 Comparison between water level behaviour in T2 and QWwell and that of the upper cofferdam of Xiluodu hydropower station of Jinshajiang river.

综上所述，金沙江水网的地震前兆监测能力，从井－含水层系统的特征上看应是较强的，但从观测产出的正常动态特征上看，部分井的监测能力较强，多数井为一般，少数井为较弱甚至很差。

8 认识与讨论

金沙江水网是中国自行设计与建设的第2个专门为水电站水库区地震前兆监测与研究为主要任务的企业地下水动态观测网。该网的布设合理，充分体现了建网的目的;观测井－含水层系统的特征较好，但溪洛渡库区的观测井深度虽已达300m，但仍显不足，揭露出的观测含水层承压性不强，水位埋深过大;该网的观测技术系统先进，运行稳定，产出的数据可靠。

2010年8—12月的试运行结果表明:1)各井水位在多月与月动态频带上都表现出一定的规律性，但多数井(除W1井外)井水位起伏度普遍偏大，动态稳定性较差，不利于地震中短期前兆异常信息的识别;2)GZ井与T1井水位日动态中表现出明显的潮汐效应，日潮差为1～8cm，1mm井水位变化反映的对地壳应力应变的响应灵敏度可高达10－8～10－9体应变;3)各井水温在多月与月动态频带上都表现出一定规律性，动态多较稳定，除QW井水温起伏度为百分之几度外，多在千分之几摄氏度以下，有利于地震前兆信息的识别;4)水温日动态一般都较稳定，但部分井中存在阶变、脉冲等不利于识别地震短临前兆信息的干扰动态;5)无论井水位还是井水温度的主要干扰因素是大气降雨的渗入补给，但QW井与T2井中还存在金沙江水位涨落的干扰，这些干扰十分不利于地震前兆信息的识别。

由上可见，金沙江水网具有一定的地震前兆监测能力，尤其是GZ、T1与W1井水位及W1井水温度在地震短临前兆监测方面可能具有较强的能力。

金沙江水网，除了地震地下水前兆监测外，还可在其他方面开发利用。首先是在水利水电工程水文地质方面，可开展库岸区巨厚的包气带对水库蓄水与水库水位调节方面的作用研究，其次是利用W1与W2井在喀斯特(岩溶)水文地质方面可开展喀斯特发育不均匀性及其对水资源动态的影响研究，再次是利用T1与T2井水位水温观测及井区跨断层形变观测资料开展地震－断层活动－不同前兆响应特征的对比研究等。

致谢 金沙江水网建设过程中，得到中国长江三峡工程开发集团金沙江开发有限责任公司胡斌、苏立与田军，中国地震局工程力学研究所王兆荣、宋丽红、张品峰、周正华与温瑞智，中国水利水电科学院常廷改与邢国良，中国地震局地壳应力研究所赵刚与何案华等许多专家的指导与协助，在此一并致谢。

车用太，1990.地下水动态观测井映震灵敏条件的研究［J］.中国地震，6(4):67—73.

CHE Yong-tai1990.Studies on the conditions affecting the sensitivity of observationalwell related to earthquake precursors［J］.Earthquake Research in China，6(4):67—73(in Chinese).

车用太，鱼金子，刘五洲，等.1999.张北－尚义地震的地下流体异常场及其成因分析［J］.地震学报，21(2):194—201.

CHE Yong-tai，YU Jin-zi，LIUWu-zhou，etal.1999.The anomalous field of underground fluids related to the Zhangbei-Shangyiearthquake and cause of its formation［J］.Acta Seismologica Sinica，21(2):194—201(in Chinese).

车用太，鱼金子，刘五洲.2002.三峡井网的布设与观测井建设［J］.地震地质，24(3):423—434.

CHE Yong-tai，YU Jin-zi，LIU Wu-zhou.2002.Arrangement of well network and establishment of observation well at Three Gorges of the Yangtze River［J］.Seismology and Geology，24(3):423—434(in Chinese).

车用太，赵文忠，鱼金子，等.2006.京津冀地区井水位的数字化观测及其地震监测效能评估［J］.地震，26(4):103—112.

CHE Yong-tai，ZHAOWen-zhong，YU Jin-zi，et al.2006.Digitalized well-water-level observation and monitoring efficiency evaluation of earthquake precursor in the Beijing-Tianjin-Hebei［J］.Earthquake，26(4):103—112(in Chinese).

车用太，鱼金子，刘成龙，等.2010a.水库诱发地震地下水监测网建设的若干问题探讨［J］.地震学报，32(2):203—213.

CHE Yong-tai，YU Jin-zi，LIU Cheng-long，et al.2010a.A discussion on some problems in groundwater network construction formonitoring reservoir-induced earthquake［J］.Acta Seismologica Sinica，32(2):203—213(in Chinese).

车用太，刘成龙，鱼金子，等.2010b.金沙江水网防雷地网施工与试验研究［J］.地震，30(3):45—52.

CHE Yong-tai，LIU Cheng-long，YU Jin-zi，etal.2010b.Construction and experimentof lightening protection in groundwater observation network of Jinshajiang Reservoir area［J］.Earthquake，30(3):45—52(in Chinese).

车用太，何案华，鱼金子，等.2011.金沙江水网各观测井温度梯度的精细测量结果及其分析［J］.地震地质，33(3):615—626.

CHE Yong-tai，HE An-hua，YU Jin-zi，et al.2011.The results of finemeasurement of temperature gradient in wells of Jinshajiang groundwater observation network and its analysis［J］.Seismology and Geology，33(3):615—626(in Chinese).

丁原章等.1989.水库诱发地震［M］.北京:地震出版社.93—132.

DING Yuan-zhang et al.1989.Rservoir-induced Earthquakes［M］.Seismological Press，Beijing.93—132(in Chinese).

国家地震局科技监测司.1990.地震预报方法实用化研究文集(水位水化专集)［C］.北京:地震出版社.74—102.

Department of Science，Technology and Monitoring，SSB.1990.Collection on practicality research of earthquake predictionmethods(water level and hydro-geochemistry)［C］.Seismological Press，Beijing.74—102(in Chinese).

胡毓良.1994.水库诱发地震研究的进展［A］.见:国家地震局地质研究所编.现今地球动力学研究及其应用.北京:地震出版社.623—628.

HU Yu-liang.1994.Research development on reservoir-induced earthquakes［A］.In:Institute of Geology，SSB(ed).Research on recent geodynamics and its application.Seismological Press，Beijing.623—628(in Chinese).

罗兰格.2004.R值评分方法的再研究［J］.华北地震科学，22(2):1—5.

LUO Lan-ge.2004.Restudy on themethod of scoring with R － value［J］.North China Earthquake Sciences，22(2):1—5(in Chinese).

王儒述.2007.三峡水库与诱发地震［J］.国际地震动态，(3):12—21.

WANG Ru-shu.2007.Three Gorges Reservoir and the induced earthquake ［J］.Recent Developments in World Seismology，(3):12—21(in Chinese).

赵文忠，车用太，刘成龙，等.2006.京津冀地区井水温度的数字化观测及其地震前兆监测效能的评估［J］.地震，26(4):121—128.

ZHAOWen-zhong，CHE Yong-tai，LIU Cheng-long，et al.2006.Digitalized well-water-temperature observation and monitoring efficiency evaluation ofearthquake precursor in the Beijing-Tianjin-Hebei region［J］.Earthquake，26(4):121—128(in Chinese).

Chadha R H，Pandey A P.2003.Search for earthquake precursors in well water levels in a localized seismically active area of reservoir triggered earthquakes in lndia［J］.Geophys Res Lett，30(7):691—694.

Gupta H K.1992.Reservoir Induced Earthquakes［M］.Elsevier，New York.1—2.

Snow D T.1974.The geologic，hydrologic and geomorphic setting of earthquakes at Lake Kariba［A］.In:Paper presented at lnt.Colloq.on Seismic Effects of Reservoir lmpounding，March，1983.Royal Society，London.

Zoback M D，Hickman S.1982.Physical mechanisms controlling induced seismicity at Monticello Reservior，Sourth Carolina［J］.JGeophys Res，87:6959—6974.

JINSHAJIANG GROUNDWATER OBSEVATION NETWORK AND DISCUSSION ABOUT ITSMONITOLING CAPABILITY OF EARTHQUAKE PRECURSOR

LIWan-ming1)CHE Yong-tai2)LIU Cheng-long2)YU Jin-zi2)HE An-hua3)
1)Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080，China
2)Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
3)Institute of Crustal Dynamics，China Earthquake Administration，Beijing 100085，China

The groundwatermonitoring network in the reservoir area of cascade hydroelectric stations in the lower reaches of Jinshajiang(abbreviation:Jinshajiang groundwater observation network)is the second groundwater observation network in China constructed by enterprise exclusively for earthquake precursormonitoring and study in reservoir areas.In this paper，distribution of the observation network，observational technologic system，basic characteristics of observation well and aquifer，and basic result of trial observation are presented，and the monitoring capability of earthquake precursor are discussed with respect to the conditions of observation well and aquifer and characteristics of multi-monthly，monthly，daily behaviors ofwater level and temperature in well.

groundwater observation network，reservoir area in Jinshajiang lower reaches，earthquake precursormonitoring

P315.72+3

A

0253－4967(2011)03－0627－17

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2011.03.012

2011－04－12收稿，2011－06－09改回。

中国长江三峡工程开发集团金沙江开发有限责任公司项目(JSJ(06)007)资助。

李万明，男，1975年生，1998年毕业于淮南工业学院，获学士学位，现为高级工程师，主要致力于金沙江水网的管理与资料分析，E－mail:Liwm－0451@126.com。