基于贝叶斯方法的双江口水电站水库诱发地震危险性预测评估

袁国庆，高建祥，李　静

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都　610072)



基于贝叶斯方法的双江口水电站水库诱发地震危险性预测评估

袁国庆，高建祥，李静

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都610072)

目前国内对水库诱发地震的预测评价一般都采用贝叶斯方法进行，本文通过对双江口水电站的水库基本条件、区域地质构造、工程地质条件及地震活动特点的分析，计算出三个库段多因素诱发不同震级地震的概率。综合分析评价认为,双江口水库蓄水后发生小于5级地震的可能性大，发生大于5级地震的可能性小，其中主要发震区域为花岗岩库段。

贝叶斯方法;水库诱发地震;双江口水电站

1　工程概况

双江口水电站坝址位于绰斯甲河与脚木足河交汇处下游段。其中水库绰斯甲河回水至观音桥附近，脚木足河回水至干木鸟附近。水库正常蓄水位2 500 m，堆石坝最大坝高314 m，对应库容约28.97亿m3，具有年调节能力，电站装机容量2 000 MW。

双江口水库属高坝大库，从水库坝高、库容来考虑，双江口水库存在一定的发震概率。水库库盆岩性主要为花岗岩，花岗岩在冷却过程中易产生节理、裂隙等张性结构面，在地壳抬升及河流下切过程中易产生卸荷裂隙等，水库蓄水后易引起库水的渗透而诱发地震。水库区内的主要构造形迹以NW、NE向的褶皱和压性断裂为主，库区范围没有大规模的活动断裂通过，库区主要断裂有松岗断裂、观音桥断裂、业隆沟断裂等及规模较小的小断层，断裂为中更新世活动断裂，晚更新世以来不活动。库区节理裂隙发育，蓄水后库水可沿节理、裂隙渗透而诱发地震，但断层、节理裂隙发育规模有限，发生破坏性地震的可能性很小，以微震形式为主。双江口水库区地震活动频度比较高，但活动的强度较弱，震中烈度为Ⅵ～Ⅶ度。库区应力场的最大主应力方向为NW～NWW方向。

2　水库诱发地震背景

目前水库诱发地震的危险性评估和预测预报问题仍然是世界上的科学难题，其主要原因是目前我们对水库诱发地震产生的机理与活动规律仍有许多问题没有足够的认识和了解。国内外对水库潜在的诱发地震危险性评估主要采用的是根据地质环境、水文环境、地震活动、断层构造、岩性、坝高、水位、库容、水库特征参数等对已发生水库诱发地震的水库震例进行类比分析，同时根据概率统计学的贝叶斯方法建立数学模型，综合评估给出水库诱发地震潜在危险的预测结果[1]。本文也采用此方法对双江口水库的诱发地震危险性进行预测评估。

3　贝叶斯方法及预测统计

贝叶斯方法基本思想是:假定对所研究的对象在抽样前己有一定的认识，常用先验分布来描述这种认识，然后基于抽取的样本再对先验认识作修正，得到后验分布，而各种统计推断都基于后验分布进行。主要特点是使用先验分布，而在得到样本观测值X=(x1，x2，…，xn)后，由X与先验分布提供的信息，经过计算和处理，组成较完整的后验信息。

该方法在水库诱发地震中的应用首先由美国地质调查所Baecher(1982)等最先提出，采用了库容、库深、构造应力环境、断层活动性及地质条件(主要是岩性)5个影响因子。中国地震局胡毓良等在国家八五重点科技攻关项目专题研究中，针对三峡水库诱发地震危险性的预测，提出了改进的诱震因子集，其构成有库深、库容、区域应力状态、断层活动性、岩性条件和地震活动背景6个因子，按诱震的震级划分成4类。I类是3.0>M1、II类为5.0>M2≥3.0、III类为M3≥5.0级。双江口水库采用胡毓良等研究成果的基础上进行预测评价。

同一诱震因素不同状态出现的概率计算公式为：

(1)

式中A——为不同震级水库震例数;

M——为RIS事件震级;

i——为发生i类地震;

j——为诱震因素中j类因子。

综合考虑六种诱震因素的发震概率则公式为：

(2)

式中的h、v、s、f、r、b分别表示RIS事件库深、库容、区域应力状态、断裂活动性、诱震区岩性和地震活动背景六种因素，每种因素的状态范围列在表1中。P(Mi)=Ni/N，Ni为发生i类地震次数，N为发生地震的总数。研究证明h、v、s、f、r和b等六种因素状态是相互独立的。

则有：

P(h，v，s，f，r，b/Mi)=

P(h/Mi)P(v/Mi)P(s/Mi)P(f/Mi)P(r/Mi)P(b/Mi)

(3)

从1931年希腊马拉松水库首次发现水库地震以来，迄今为止，全世界发生的水库地震约有120例。我国专家胡毓良、杨清源等在上世纪90年代对这些水库地震进行了统计分析，在109个震例中将各因素进行分类(见表1)，在岩性栏中为提高精确度,把诱发地震较多的碳酸盐岩和花岗岩单独列出。将这些震例数按公式(1)计算其分布概率(见表1)[2]。

表1　各因素状态下不同震级水库震例数及分布概率

注：本表根据中国地震局地质研究所杨清源等的资料。

4　双江口水库诱发地震预测

双江口水库区由脚木足河和绰斯甲河构成(见图1)，从坝址算起，脚木足河库尾到干木鸟，全长约62 km。绰斯甲河库尾到观音桥附近，全长约35 km,库容28.97亿m3，为v2。坝前库深250 m(正常蓄水位与可尔因河床海拔之差，2 500～2 250 m)，根据库深与库长的比，计算得到东西两支河流河床纵坡降分别是4.5‰和8‰。

图1　水库诱发地震预测示意

将双江口水库根据库深分成三个库段，即库首段，水库中段和库尾段，各库段的诱震因素状态和计算结果分述如下：

库首段：脚木足河按河床纵坡降4.5‰计算，从坝址往上27 km，约到神山(直波)附近；绰斯甲河床纵坡降按8‰计算，从坝址-年克库段约16 km；库深降到了140 m。这两段库深均为140～260 m，库深为h1。岩性均为燕山期花岗岩即r2。脚木足河无断层。绰斯甲河有NE向业隆沟断层，正断层，应力状态取拉张s2，晚更新世以来不活动，断层活动性属f2。

水库中段：脚木足河从神山—大西木尔巴附近，绰斯甲河从年克-504林场转运站附近，库水深度降到90～140 m的范围，水深为h2。绰斯甲河岩性仍为燕山期花岗岩r2，而神山—大西木尔巴为三迭系变质砂岩，千枚岩，取变质岩r4，NW向的松岗断层，向北延伸至脚木足河沙市附近穿过未来库区，该断层长约70 km，左旋逆走滑断层，属早-中更新世断层。断层活动性取f2。应力状态取区域挤压应力状态s1。

库尾段：脚木足河从大西木尔巴到干木鸟，绰斯甲河从504林场转运站-观音桥附近，库水深度小于90 m，水深为h3。NW向的松岗断层，向北延伸至脚木足河扎尔都库段,该断层长约70 km，左旋逆走滑断层，属早-中更新世断层。绰斯甲河NE向的观音桥断层在斯多德和观音桥附近穿过未来水库区。两条断层主要发育在三迭系的变质砂岩、板岩中，岩性为变质岩r4。两断层晚更新世以来均不活动，断层活动性为f2。这两库段中的断层是逆断层或压扭性断层，区域应力状态取挤压s1。

水库区位于北西向鲜水河断裂带与北东向龙门山断裂带所夹持的川青断块区东南部，以紧密线状弧形褶皱构造为主，断裂构造不发育。挽近时期以来，新构造运动主要表现为以断块本身的间歇性整体抬升，处于构造相对稳定区。工程区受外围强震带的波及影响较小，坝址区遭受历史地震的最大影响烈度仅为Ⅵ度；其地震危险性主要来自近场的松岗潜在震源区(震级上限6.5级)、两河口(抚边河)潜在震源区(震级上限7.0级)强震的影响。库区地震背景取b2，考虑到水库周围的地震活动情况b1的状态也进行了计算。

把这三个库段的各诱震因素状态的单因子按先验分布概率赋值，分别代入(1)、(2)式，即可计算出三个库段多因素诱发不同震级地震的概率(见表2)。各库段结果分述如下：

库首段发生1类地震的概率为0.02～0.08，发生2类地震的概率为0.71～0.74，发生3类地震的概率为0.18～0.26；水库中段绰斯甲河段发生1类地震的概率为0.19～0.45，发生2类地震的概率为0.38～0.51，发生3类地震的概率为0.16～0.31；水库中段脚木足河段发生1类地震的概率为0.19～

表2　六种因素组合发震概率

0.45，发生2类地震的概率为0.46～0.63，发生3类地震的概率为0.09～0.18；库尾段发生1类地震的概率为0.25～0.52，发生2类地震的概率为0.46～0.70，发生3类地震的概率为0.02～0.06。

5　结论与认识

综合分析评价认为，双江口水库蓄水后发生小于5级地震的可能性大，发生大于5级地震的可能性小，其中主要发震区域为花岗岩库段(见图1)。贝叶斯方法对诱发地震强度的预测与因素组合的选择及样本的数量有关，水库地震震例只有一百多个，限制了信息量的数量，并且在地震活动区地震成因复杂,尤其是发生中小地震的水库区难以区别是水库诱发地震还是背景地震，因此该方法的预测精确度十分有限，可作为一种宏观判断的依据。

[1]秦嘉政,刘丽芳,等.水库诱发地震活动特征及其预测方法研究[J].地震研究,2009(02):105-113.

[2]杨清源,陈晓莉,等.水库诱发地震的最大震级及其发震时间的预测研究[J].地震学报,2001(05):523-529.

2015-03-10

袁国庆(1979-)，男，湖北黄冈人，高级工程师，从事水电站工程地质勘测工作。

P315.7

B

1003-9805(2016)03-0073-03