武汉地铁运行对应城地震台地磁观测的影响

张建涛 王明贵 陈星星 周 超

（中国武汉 430071 中国地震局地震研究所，中国地震局地震大地测量重点实验室）

0 引言

直流轨道交通供电回路上的杂散电流会影响附近的电磁观测，导致数据出现高频突跳、噪声增大，甚至不可用（吴利辉等，2009；谢凡等，2011；王同利等，2013；冯红武等，2019；樊晓春等，2021）。截至2021 年，我国40 多个城市开通了地铁，多个地震台站因电磁观测环境受到影响而搬迁，台站迁建将使得历史数据失去价值。在此背景下，研究城市轨道交通干扰磁场的作用距离、干扰强度，对于保护地磁观测环境具有重要的现实意义。应城地震台是国家基准地磁台，仪器种类丰富，数据质量可靠。为此，利用应城地震台地磁资料来研究受武汉地铁干扰的情况，分析影响地铁干扰距离和干扰强度的主要因素，以期为城市轨道交通建设和地磁台站选址提供有益参考。

1 台站概况

应城地震台是2016 年新建台站，位于湖北省应城市汤池镇，拥有ZD9A-2B 型地电场仪和 FHD-2B 型、GSM 90F 型、GM4 型、FGM-01 型等多套地磁仪器。GB/T19531.2—2004《地震台站观测环境技术要求第2 部分：电磁观测》规定，城市有轨直流运输系统轨道与地磁观测点的距离应不小于30 km（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004）。应城地震台场地勘选工作2009 年完成，为使地磁观测长期不受干扰，湖北省地震局预留了更大的安全距离（李德前等，2015）。2016 年应城地震台正式建成时，距最近的地铁线路86.5 km。2021 年底，武汉已开通11 条地铁线路，应城地震台距最近的地铁线路仅73 km，地电场、地磁观测均明显受到地铁干扰。为具体分析地铁线路的干扰情况，统计了2017 年后武汉市新增地铁线路的相关信息（表1）。

表1 2017 年以来武汉地铁线路开通概况Table 1 Information of subway lines operated after 2017

2 干扰概况

2.1 干扰来源

轨道交通工程直流供电系统模型见图1。我国地铁牵引电压为直流750 V 或1 500 V，电流从变电站到地铁列车需要多次转换。牵引变电所通过接触轨或接触网给列车供电，电流经过回流系统回到牵引变电站的负极，回流方式分为走行轨回流和专用轨回流，由于后者建设成本较高且后期维护困难，我国大部分轨道交通采用走行轨回流（阮羚等，2021）。由于走行轨无法完全绝缘和受天气因素的影响，部分回流会泄露到周围大地中，称为杂散电流，其产生的附加磁场可干扰地磁场观测。

图1 轨道交通直流供电系统模型Fig.1 Model of DC power supply system for urban rail transit

2.2 干扰特点

图2（a）为2020 年2 月地铁停运时应城地震台地磁观测数据，由图2（a）可见，全天各时段噪声水平一致。根据国家地磁台网中心发布的信息，应城地震台FGM01 型磁力仪Z分量当月噪声0 nT。图2（c）为地铁运行期间的观测数据，北京时间6 点后观测数据突跳增多，晚上12 点地铁停运后数据恢复正常。受武汉地铁运行干扰，应城地震台地电场观测数据也出现高频突跳。图2（b）为地电场长极距NS 测向正常数据。由图2（b）可见清晰的“两峰一谷”日变形态，观测数据曲线基本没有毛刺。2021 年11 月起受武汉地铁影响，每日6—23 时数据出现高频突跳，幅度超过地电场正常日变幅［图2（d）］。应城地震台地电场、地磁场受干扰时段与武汉地铁运行时间一致，同时对观测系统和周边环境进行巡检，排除了其他因素造成干扰。

3 干扰分析

3.1 研究方法

地磁Z分量受城市轨道交通干扰最明显，因此，针对该分量进行研究。GB/T19531.2—2004 《地震台站观测环境技术要求第2 部分：电磁观测》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004）对事件型骚扰数据的处理规定，以每周期观测数据的峰峰值作为干扰强度。因此，采用滑动窗口法计算干扰幅度，窗口长度60 s，步长1 s。为便于同地铁干扰强度直接对比，计算正常数据噪声时也采用峰峰值。2020 年2 月14 日武汉市地铁停运，该天为磁静日且没有其他干扰，应城地震台地磁Z分量平均噪声0.13 nT，将该值作为应城地震台背景噪声。为避免磁暴的影响，选择线路开通后下一个磁静日的数据（图3），分别计算在地铁停运、运行2 个时段的噪声。武汉地铁运行时间是6—23时，考虑到列车实际到站时间，停运时段选取凌晨1—3时，运行时段选择夜晚19—20时。将地铁停运时段噪声与背景噪声进行比较可以检验仪器工作状态和发现其他环境干扰。

图3 应城地震台FGM01 型磁力仪 Z 分量观测数据Fig.3 Z component of FGM01 original geomagtic data of Yingcheng Seismic Station

3.2 干扰幅度

为排除仪器自身原因导致数据噪声增大，选择FGM01 型、FHDZ-M15 型、GM4 型等3 套磁力仪的数据，按照前述方法计算2018 年1 月18 日等8 天的地磁Z分量噪声，结果见表2。

表2 地铁运行和停运时段地磁噪声Table 2 Magnetic perturbation during subway operation and shutdown

根据应城地震台仪器变动记录和工作日志，2018 年FGM01 型磁力仪因仪器故障噪声较大，2019 年更换仪器后数据质量明显改善，子夜时段峰峰值噪声仅0.13 nT。GM4 型磁力仪因为仪器老化，运行状态不稳定，2020 年以后噪声较大。2018 年10 月18 日地铁运行时段，GM4 型、M15 型磁力仪的噪声与正常背景噪声接近，说明地磁观测基本未受到地铁干扰。但是由于二者正常背景噪声约为0.2 nT，如果地铁干扰强度更小则无法识别。结合武汉地铁1 号线的相关信息，可以确认采用直流750 V 牵引电压的地铁在80 km 外对地磁Z分量的干扰强度小于0.2 nT。

2019 年2 月25 日地铁运行时段，3 套地磁仪的噪声均大于正常值，说明此时已经受到地铁干扰。在此之前新增线路是2 号线南延线，牵引电压同样为直流750 V，与应城地震台间距离为111 km，远超1 号线与应城地震台间的距离，理论上干扰强度小于0.2 nT。所以，干扰可能是多条地铁共同作用的结果，或某条线路的走行轨绝缘性变差所致。当走行轨多点出现绝缘薄弱或接地状态变化，杂散电流水平会大幅升高（郑子璇等，2020）。8 号线、11 号线的开通，基本未对应城地震台地磁观测造成干扰。2021 年12 月26 日地铁5 号线、6 号线二期、16 号线开通，对FGM01 型磁力仪的干扰幅度上升至0.63 nT，另外2 套磁力仪观测数据噪声更高。结合3 条线路的牵引电压和距离进行分析认为，干扰主要源自6 号线2 期，其采用直流1 500 V 接触网供电，最近地铁站点距应城地震台仅80 km。

4 结论与讨论

通过分析2018—2022年应城地震台地磁观测数据，发现其受到武汉地铁6号线的干扰，Z分量峰峰值干扰幅度达到0.63 nT。截至2021 年底，武汉市轨道交通运营里程435 km，而远景规划线网总长约1 100 km，应城地震台未来有可能面临更加严重的干扰。2019 年之后，应城地震台地磁噪声增大至0.23 nT，可能是武汉某条地铁线路走行轨绝缘性降低造成的。轨道交通建设单位应当采取先进技术，从源头上减小并限制地铁杂散电流扩散，加强回流轨对地绝缘性和漏电检测。从应城地震台受干扰的情况来看，采用直流1 500 V 牵引电压的地铁，对地磁场的干扰强度在80 km外依然大于0.6 nT。GB/T 19531.2—2004 《地震台站观测环境技术要求第2 部分：电磁观测》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004）规定，地磁测点与轨道间距离不小于30 km，建议根据目前地铁的技术参数和地磁台站受干扰情况进行完善。