地震观测环境定量评估初探

2014-10-21龚永俭程立康李颖楠

山西地震 2014年2期

龚永俭，程立康，李越，李颖楠，陈嵩

（天津市地震局，天津 300201）

0 引言

地震观测数据（包括测震及地震前兆观测数据）的准确性和连续性是减轻地震灾害的基础和前提。地震观测数据的准确性不仅取决于观测仪器、观测方法和观测人员的技术水平，在很大程度上还依赖于良好的地震观测环境。近年来，由于地方经济建设不断发展，在全国范围内，地震观测环境都受到了不同程度的破坏或威胁，已有部分台站或测点的地震观测环境受到严重破坏，导致基本丧失了功能，这严重影响到地震观测的效能［1－4］。全面、系统地对地震观测环境进行调查、评估和长期、持续地对地震观测环境进行动态监控，可为地震观测数据连续、可靠产出提供保障，对于防震减灾工作具有重要的现实意义和价值［5］，成为地震观测环境保护工作中亟须解决的问题。

当前，对于地震观测环境的评估主要采用的是定性的方法，这种方法往往由行业人士根据经验进行判别，虽操作简便，却有着严重的随意性，导致其结果的科学性并不很高。对于地震观测环境的定量评估，学界却鲜有研究。车用太等［6］针对地下流体观测环境的定量评估提出了“干扰度”的概念，首开地震观测环境定量评估的先河。龚永俭［5］提出了分学科制定Excel模板格式的《地震观测环境调查和定量评估报告书》，把各种环境影响因素细化成定量评估指标，依每项指标划定分值，根据实际调查结果，来采取分值累加的方式定量评估地震观测环境。但上述研究还没有形成系统，对于将地震观测环境定量评估应用于实践还远远不够。为此，笔者对地震观测环境定量评估进行了初步研究。

1 基本概念及两种评估方法的对比

1.1 地震观测环境

地震观测环境的定义有广义和狭义之分。狭义的地震观测环境仅指与测震学科有关的观测环境。笔者研究的是广义的地震观测环境，涉及测震、电磁、地壳形变和地下流体4大学科的所有观测。《防震减灾术语第1部分：基本术语》中对地震观测环境的定义是：地震观测环境指地震监测设施能够正常工作所要求的周围环境［7］。笔者认为，地震观测环境可以理解为：地震监测设施周围一定区域内的影响地震监测的环境因素的总和，而区域的界线至少应在有关测项法定应规避的干扰源的最小距离之外，具体要平衡确保地震观测数据的优质产出和地方经济发展的客观需求这两方面的矛盾。

1.2 地震观测环境定性评估和定量评估

地震观测环境评估方式按照环境的质变与量变，可以划分为定性评估和定量评估两种方式。对于地震观测环境定性评估和定量评估，目前学界还没有统一的定义。笔者参照定性评估和定量评估的一般定义和地震观测环境评估的特点，给出这两个概念的定义。地震观测环境定性评估一般是根据评估者的主观印象和感觉，对地震观测环境的优劣，给出优、良、合格与不合格等定性的评估结论；地震观测环境定量评估是根据地震观测环境的影响因素及影响的范围和幅度（量级），建立系统的定量评估指标体系，通过对观测环境基础数据的实际测量和数学计算，得出观测环境的质量分值，从客观、定量化的角度对地震观测环境进行评估。

1.3 两种评估方法的对比分析

地震观测环境定性评估简便、易行，因此被广泛采用。然而，地震观测环境定性评估有着严重的缺陷，它往往取决于评估者的主观印象和感觉，有很大的随意性，准确性和科学性容易出现偏差或受到质疑。对干扰严重的地震观测环境的评估，定性评估不能准确表述观测环境所受干扰的程度，从而难以应用于台网优化等重大决策、地震观测环境行政执法和维权等。

地震观测环境定量评估则是事先确立评估指标体系，通过对观测环境基础数据实际测量和数学计算得出质量总分值，从客观、量化的角度对地震观测环境进行评估，它为人们提供了一个系统、客观的数量分析方法，结果更加直观、具体，更具有可信度。

然而，地震观测环境定量评估的指标定量化却是个难题，有的观测环境因素难以建立定量的指标。在建立地震观测环境定量化指标体系时，过细划分定量指标也难以实现。定量评估的结果有时也需转化成定性评估的标准，特别是优、良、合格、不合格等概念，才能被行业以外的人接受。因此，在地震观测环境评估中应当将定量评估和定性评估有机结合，从而取得最佳的评估效果，为防震减灾事业服务。

2 地震观测环境定量评估相关问题

2.1 地震观测环境定量评估的依据

2.1.1 地震观测环境定量评估的规范依据

地震观测环境定量评估的规范依据，是指依据何种法律、法规或规范性文件进行地震观测环境定量评估工作。目前，没有法律、法规和规范性文件对地震观测环境定量评估做出专门的规定。但是，有关地震观测环境保护的法律、法规和地震台站观测环境技术要求的国家标准以及各测项的观测技术规范有地震观测环境及其保护的规定，可以为地震观测环境定量评估提供参考和指引。

《中华人民共和国防震减灾法》专门对地震观测环境保护做出规定（第23条、第24条）。《地震监测管理条例》更进一步对地震监测设施和地震观测环境的保护做了详尽的规定。但是，上述法律、法规对于地震观测环境的定量评估工作而言却不具有可操作性。2004年，我国颁布了地震观测环境的国家标准 ——《地震台站观测环境技术要求》，地震观测环境的技术要求规定得非常详尽，依据该标准的内容建立观测环境量化指标体系具有可操作性，以该标准作为地震观测环境定量评估工作的基础依据，《地震及前兆数字观测技术规范》和《防震减灾法》等法律、法规的相关规定作为地震观测环境定量评估的补充依据。

2.1.2 地震观测环境定量评估的事实依据

地震观测环境定量评估的事实依据，是指对依据规范的方法对地震观测环境影响因素的实际调查和测量结果，即地震观测环境的基础数据。地震观测环境定量评估需要对地震观测环境影响因素进行翔实的调查和准确的测量。测量主要是对环境需要规避的干扰源与监测设施的距离以及干扰源对监测设施的影响量级（强度）等。常用到皮尺、激光测距仪、GPS定位仪、电压数字采集器、双踪示波器等工具。在调查和测量地震观测环境的基础数据工作中可以借助Google earth软件。

从总体上了解地震台站周围土地使用情况、建筑物分布、地震观测环境保护区内及周边的部分干扰源的分布情况，获得观测环境的基础数据［5］。图1为使用Google earth软件绘制的宝坻地震台观测环境图。

图1 天津宝坻地震台观测环境Fig.1 Observation environment of Baodi Seismological Station in Tianjin

2.2 地震观测环境定量评估的方法

地震观测环境定量评估的做法是：首先对影响观测的各种环境因素进行分类，依据观测实践对各种环境因素，从影响幅度和范围等诸方面进行估量，必要时进行专门的科学实验，然后制定地震观测环境的量化评估指标体系；根据制定的量化指标体系，建立《地震观测环境定量评估报告书》，《地震观测环境定量评估报告书》可以采用电子表格的方式，利用Excel建立模板，在模板中，把各种环境因素细化成不同的定量评估指标，每项指标划定分值，累积计算得分；根据地震观测环境质量的总分值，并依据事先确定标准，来评估地震观测环境的优劣。在定量评估工作中，严格按照《地震观测环境定量评估报告书》各个细目进行调查并如实填写，然后由Excel模版自动计算出本台站的地震观测环境评估总分值，也可编制专用软件，完成地震观测环境定量评估、数据动态更新、历史数据查询等工作。

2.3 地震观测环境定量评估指标体系建立方案

由于观测要素或观测对象（也称之为测项）以及观测仪器原理的不同，影响测震、电磁、地壳形变和地下流体观测的环境因素各异。测震主要应规避产生地噪声的因素，如，公路、飞机场、大型水库、湖泊、采石场、矿山、重型机械厂、山石破碎机、火力发电厂、水泥厂等；电磁观测主要应规避电磁干扰源，如，城市有轨直流运输系统、电气化铁路、高压输电线路（特别是直流高压输电线路）、变压器、金属管线、含铁磁性材料的建筑物或构筑物等；地壳形变观测主要应规避由于加大荷载而引起地壳局部形变的各类因素，如，水库、江河、湖泊、大型建筑物和构筑物，还应规避各类振动源，如，采石、采矿爆破点、冲击震动设备等；地下流体观测主要应规避引起地下流体非震变化的开采等因素，如，地下水开采井、地表水体、矿区等［7］。因此，应分类制定观测环境定量评估指标体系。

那么，地震观测环境定量评估指标体系是按测项建立，还是分学科建立？笔者研究后认为，按照测项建立地震观测环境定量评估指标体系更有针对性，更能准确地评估地震观测环境对某测项的影响程度，更客观、具体。但是，由于目前全国地震台站基本上是多测项的，而且4大学科的测项有几十个，按测项进行地震观测环境定量评估无疑会造成人力和物力的极大开销，而且由于相同学科的不同测项对地震观测环境的要求基本一致，因此，分学科建立地震观测环境定量评估指标体系则更适宜。需要指出的是，电磁学科的两大主类地电、地磁之间既有联系，又有区别，应当分别建立地震观测环境定量评估指标体系。同一学科对观测环境的要求区别较大时，也可以考虑分测项建立指标体系，如，地电阻率和地电场对工频干扰源、非工频干扰源、金属管线等规定有一定的差别，而分别确立指标体系并不复杂，则可以分地电阻率和地电场分别确定指标体系。

严格讲，没有未受到干扰的地震观测环境。在建立地震观测环境定量评估指标体系时，要考虑影响因素对测项影响的可容忍度问题。具体而言，测震数据要能清晰、准确地识别和分析出地震三要素，不能因观测环境的影响而可能导致判定地震要素错误；其他前兆观测数据要能有效应用于地震预测工作中，不能因观测环境的影响导致地震异常信息被淹没。车用太等［6］曾提出了一个“干扰度”的概念，将干扰度定义为各类干扰引起的地下流体各测项动态的相对异常程度。笔者认为，“干扰度”的概念实际上指观测环境可容忍度，它可以扩展应用到地下流体以外学科的地震观测环境评估中，特别是在建立地震观测环境定量评估指标体系时，应充分考虑观测环境“干扰度”问题。

各种环境因素对测项的影响幅度和范围是建立地震观测环境定量评估指标体系首要考虑的问题，因此，地震观测环境定量评估指标体系的建立要以观测实践和专项科学实验为基础。地震观测环境定量评估指标体系建立还要考虑分值确定和地震观测环境得分对应的定性评估问题。若以《地震台站观测环境技术要求》等规范性文件规定的影响因素确定分值，按照逐项累加的方式计算得分，究竟如何确定满分？《地震台站观测环境技术要求》规定了干扰源距观测台站的最小距离，满足这一距离的得分，究竟是算满分，还是及格分，还是优良分呢？现有大量的观测实践表明：即使干扰源距台站的距离满足《地震台站观测环境技术要求》规定的最小距离，也可能会对观测数据产生干扰［8］。因此，不应认为干扰源距台站的距离满足《地震台站观测环境技术要求》所规定的最小距离，在量化评分时该项就应得满分，而应以干扰源距观测台站更远，对观测数据无实质影响的尺度为满分标准，干扰源距台站的距离满足《地震台站观测环境技术要求》所规定的最小距离的，在确定分值时，应当仅确定为及格分标准。可以将各项累加起来的总分设定为100分，达到该分值的地震观测环境应当是非常完美的，得分在90分以上为优秀，80分以上的为良好，70分以上的为达标，70分以下（不含70分）为不达标。地震观测环境定量评估指标体系建立过程中，还应充分考虑某项因素不达标，在确定整体观测环境时实行“一票否决”制，确定观测环境整体不达标。

2.4 地震观测环境定量评估指标简单示例

由于各种环境因素对观测数据影响的幅度和范围的准确衡量需要深入地研究以及科学实验才能确定，受能力、时间和经费所限，笔者的研究深度还不够。仅以地电学科的地电阻率测项为例，以《地震台站观测环境技术要求》所规定的干扰源种类及规避距离和强度等为基础，制定了一个地震观测环境量化评估指标简表。笔者首先列清了《地震台站观测环境技术要求》中规定地电阻率测项应规避的所有干扰源种类，在划分每项干扰源的分值时，笔者以平均为原则（在实践中也可对重点因素适当加权，这样更趋于合理），干扰源距观测中心或电极的距离以最小规避距离的1倍、1.5倍和2.5倍、小于1倍或干扰强度的0.5倍、0.7倍和1倍、大于1倍为依据划分4个档次，分别赋为0分、7.0分、8.5分和10分（见表1）。

在实际工作中，可以依据某台站观测环境的实测数据结果与表1中的各档对应，确定每项干扰因素得分情况，若其中某一项得分为0，则判定为该地震观测环境不合格；若无0分项，则累积计算各项的总分值，依据观测环境质量的总分值来量化确定该观测环境的优良程度。