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國際強(qiáng)震觀測的發(fā)展趨勢
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http://mamogu.com 發(fā)稿日期:2008-7-9
- 【搜索關(guān)鍵詞】:研究報(bào)告 投資分析 市場調(diào)研 強(qiáng)震視測 臺灣 地震
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發(fā)展強(qiáng)震觀測臺網(wǎng)需要巨額投資,經(jīng)費(fèi)不足制約了許多國家和地區(qū)強(qiáng)震觀測的發(fā)展。但是,隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,強(qiáng)地震造成的經(jīng)濟(jì)損失越來越嚴(yán)重。1994年1月美國北嶺6.7級地震造成了300億美元的經(jīng)濟(jì)損失。I年后的日本阪神地震造成的經(jīng)濟(jì)損失更高達(dá)1000億美元。這使許多國家和地區(qū)的政府和研究機(jī)構(gòu)迫切感到,作為減輕地震災(zāi)害的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作,必須進(jìn)一步加強(qiáng)強(qiáng)震觀測臺網(wǎng)建設(shè)。因而大幅度地增加了經(jīng)費(fèi)投人,提高臺網(wǎng)的布設(shè)密度,擴(kuò)大臺網(wǎng)的覆蓋面積。
日本政府在1995年阪神地震后,迅速制定并實(shí)施了在全國增設(shè)由1000臺寬頻帶、大動態(tài)范圍數(shù)字強(qiáng)震儀組成的有線遙測臺網(wǎng)(K-NET)計(jì)劃?偼顿Y超過4千萬美元。該臺網(wǎng)臺站平均間距為25km,全部布設(shè)在自由場地上。每個(gè)臺站都確定了上層柱狀圖、測定了波速。每臺強(qiáng)震儀有兩個(gè)RS-232通訊口,分別與當(dāng)?shù)卣驮O(shè)在筑波的控制中心相連。一方面地方政府可以根據(jù)強(qiáng)震記錄迅速進(jìn)行震害評估和應(yīng)急管理。另一方面控制中心在對記錄進(jìn)行處理和匯編后即向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送強(qiáng)震記錄。K-NET臺網(wǎng)獲取的記錄將作為日本內(nèi)務(wù)省規(guī)劃設(shè)計(jì)的地震烈度信息網(wǎng)的一部分,同時(shí)可用于研究強(qiáng)地震動特性、制訂抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和城市防災(zāi)規(guī)劃。臺灣集集大地震后,日本感到現(xiàn)有的強(qiáng)震臺網(wǎng)密度仍應(yīng)進(jìn)一步提高,于是又開始制定新的計(jì)劃,在全國再增設(shè)2000臺數(shù)字強(qiáng)震儀。美國加州理工大學(xué)、加州礦產(chǎn)地質(zhì)局和美國地質(zhì)調(diào)查局制訂了建立南加州數(shù)字強(qiáng)震儀臺網(wǎng)(TriNet)的合作計(jì)劃。在南加州布設(shè)700臺數(shù)字強(qiáng)震儀。其中部分臺站進(jìn)行實(shí)時(shí)遙測,其余臺站采用近實(shí)時(shí)遙測方式。加上原有的臺網(wǎng),以及建筑物業(yè)主按規(guī)范要求布設(shè)的大量臺站(僅在洛杉磯地區(qū)就有800臺以上),估計(jì)加州布設(shè)的強(qiáng)震儀總數(shù)將超過4000臺。
我國臺灣地區(qū)的強(qiáng)震儀臺站也增加很快,已布設(shè)強(qiáng)震儀1500多臺。1999年9月21門集集大地震及其余震中。臺灣的強(qiáng)震臺網(wǎng)獲得了1萬多條記錄,在世界各國引起了極大關(guān)注。墨西哥在1960年布設(shè)第一個(gè)強(qiáng)震臺,到1995年已增至430臺。伊朗的強(qiáng)震臺數(shù)量已超過1000臺。即使如冰島和澳大利亞這些很少發(fā)生強(qiáng)地震的國家,近幾年來強(qiáng)震臺網(wǎng)也已形成了一定的規(guī)模。
大震預(yù)警系統(tǒng)和快速反應(yīng)系統(tǒng)發(fā)展迅速
將布設(shè)在震源區(qū)的密集強(qiáng)震臺網(wǎng)記錄的強(qiáng)震信息通過電話線或無線電傳送到一定距離外的大城市。就可以在大地震到達(dá)前數(shù)秒至數(shù)10秒內(nèi)發(fā)出地震警報(bào),及時(shí)采取緊急措施,減輕生命財(cái)產(chǎn)損失。除了這種進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的大震預(yù)警系統(tǒng)外,還有一種近實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng),一般通過撥號電話傳送地震信息,可在地震發(fā)生后數(shù)分鐘或稍長一些葉間內(nèi)很快確定地震震中和震級等,以便有關(guān)部門采取應(yīng)急行動。數(shù)字強(qiáng)震儀技術(shù)的迅速發(fā)展為建立大震預(yù)警系統(tǒng)和快速反應(yīng)系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。許多國家和地區(qū)已制定和實(shí)施了建立這種系統(tǒng)的計(jì)劃,并取得了一些初步結(jié)果。
日本是最早建立實(shí)時(shí)地震警報(bào)系統(tǒng)的國家。1984年日本鐵道技術(shù)研究所就在宮古地區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)。1988年以后陸續(xù)在東京地區(qū)、青函海底隧道、東海道新干線沿線、山陽新干線沿線等地區(qū)布設(shè)了許多緊急地震檢測和警報(bào)系統(tǒng)UrEDAS。1992年日本鐵道技術(shù)研究所還與美國加州理工學(xué)院合作,在Kresge地震實(shí)驗(yàn)室布設(shè)了一個(gè)UrEDAS系統(tǒng)。這種系統(tǒng)一般采用單臺信號報(bào)警,檢測到P波后在3秒鐘內(nèi)估算出震中方位、震級、震中距和震源深度等,發(fā)布第一次警報(bào)。在S波到達(dá)后再發(fā)出第二次警報(bào)。采用多個(gè)臺時(shí),由中心臺接收各臺發(fā)布的警報(bào)進(jìn)行綜合處理,在第一個(gè)臺檢測到P波后2分鐘內(nèi)自動發(fā)出警報(bào)。這種系統(tǒng)主要用于火車的緊急制動、建筑物主動控制裝置的啟動、化工廠和核電站采取緊急防震措施、高層建筑電梯的地震控制、海嘯報(bào)警以及消防部門和醫(yī)院及時(shí)采取應(yīng)急措施等。
墨西哥的地震警報(bào)系統(tǒng)SAS由四部分組成:
(1)地震檢測系統(tǒng),在Guerrero沿漁地區(qū)300km長的范圍內(nèi)布設(shè)了間距為25km的12臺數(shù)字強(qiáng)震儀,每個(gè)臺站有一臺微機(jī),可在10秒鐘內(nèi)確定震級,如M>6或5≤M≤6即發(fā)布警報(bào),如有2臺以上確定地震的發(fā)生,就向公眾發(fā)布警報(bào)。
(2)通訊系統(tǒng),有一個(gè)VHF中繼站和3個(gè)UHF中繼站,可在2秒鐘內(nèi)將地震信息傳至墨西哥市;(3)中央控制系統(tǒng),設(shè)在距Guerrero海岸地區(qū)約320km的墨西哥市,可連續(xù)接收地震信號自動處理,確定震級后決定是否發(fā)布警報(bào);
(4)警報(bào)發(fā)布系統(tǒng),通過商業(yè)電臺發(fā)布警報(bào),有關(guān)部門配有專用接收機(jī),由專人負(fù)責(zé)接收并協(xié)調(diào)防災(zāi)活動。1995年9月14日Guerrero地區(qū)發(fā)生7.3級地震,在地震波到達(dá)墨西哥市前2秒鐘發(fā)布了警報(bào),86臺接收機(jī)中除12臺外部收到了警報(bào),及時(shí)采取了防震措施。
臺灣氣象局與美國USGS合作在1995年布設(shè)了一個(gè)地震預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)在花蓮地區(qū)有12個(gè)遙測三分量加速度儀和3臺寬頻帶地震儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,用電話線將地震數(shù)字信號轉(zhuǎn)送至花蓮氣象站作實(shí)時(shí)處理,然后再轉(zhuǎn)送至位于臺北市的氣象局本部。目的是在強(qiáng)地震波到達(dá)臺北市以前提前發(fā)布警報(bào)。另外,臺灣氣象局還與美國南加州地震中心合作,計(jì)劃布設(shè)1000臺三分量數(shù)字加速度儀,利用電話線傳送數(shù)字化地震數(shù)據(jù),用兩臺微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,4分鐘內(nèi)完成自動定位報(bào)告。該系統(tǒng)在經(jīng)過改造后將在接收到信號后1分鐘內(nèi)完成初步報(bào)告,2分鐘內(nèi)完成最終報(bào)告。然后向媒介發(fā)布警報(bào)。美國的TriNet臺網(wǎng)計(jì)劃也具有實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)地震監(jiān)測和報(bào)警功能,可在大震發(fā)生后數(shù)分鐘內(nèi)由分析中心發(fā)布警報(bào)信息。澳大利亞的地震快速反應(yīng)系統(tǒng)已布設(shè)了75臺數(shù)字強(qiáng)震儀和數(shù)字地震儀,用電話線將地震數(shù)據(jù)傳送至分析中心,在數(shù)分鐘內(nèi)確定震中位置、震級和烈度等,然后向有關(guān)部門傳送,以便及時(shí)采取應(yīng)急行動。
立陶宛Ignalina核電站的地震預(yù)警系統(tǒng)由一個(gè)中心臺和位于離電站約30km的圓周上的6個(gè)臺站組成。每個(gè)臺站有3個(gè)相距500m的子臺。每個(gè)臺站上有一臺地震儀和3臺加速度計(jì)連續(xù)運(yùn)行。加速度計(jì)的記錄輸入地震開關(guān),當(dāng)加速度超過置定的閥值時(shí),地震開關(guān)發(fā)出警報(bào)信號,警報(bào)信號經(jīng)數(shù)字編碼后用無線電發(fā)送到控制中心。為避免誤發(fā)警報(bào),采用2/3表決權(quán)法,即3臺中有兩臺的加速度超過置定的閥值時(shí)才發(fā)出警報(bào)信號。
建立震害快速評估系統(tǒng)利用強(qiáng)震觀測記錄對建筑物和結(jié)構(gòu)物的震后安全狀況進(jìn)行快速評估,用以指導(dǎo)震后應(yīng)急反應(yīng)和修復(fù)計(jì)劃,是強(qiáng)震觀測的又一發(fā)展方向。
日本東京煤氣公司建立了一個(gè)用于評估煤氣管道系統(tǒng)震后破壞狀況的SIGNAL系統(tǒng)。該系統(tǒng)于1994年投人運(yùn)行。它由地震動測量系統(tǒng)、震中估算系統(tǒng)和破壞評估系統(tǒng)3部分組成。地震動測量系統(tǒng)包括3部分:
(1)在東京地區(qū)布設(shè)了331個(gè)譜烈度計(jì),可以測定地震動的譜烈度值和最大加速度值;
(2)在東京地區(qū)20個(gè)最易發(fā)生液化的場地布設(shè)了液化傳感器(地下水位測量儀);
(3)在5個(gè)基巖場地上布設(shè)了加速度儀,記錄地震波形,用以確定地震震中和震級等參數(shù)。該地震動測量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)用微波傳送至分析中心,震中評估系統(tǒng)根據(jù)P波和S波到時(shí)以及與理論值的比較,確定震中位置,并利用經(jīng)驗(yàn)公式估算震級。破壞評估系統(tǒng)內(nèi)建有東京地區(qū)煤氣管道分布和場地條件數(shù)據(jù)庫,可以根據(jù)測得的譜烈度值和地下水位以及管道震害經(jīng)驗(yàn)公式,在震后10分鐘內(nèi)計(jì)算出各個(gè)場地的標(biāo)準(zhǔn)破壞比??及時(shí)制定修復(fù)計(jì)劃。1998年1月,東京煤氣公司又開始建立高密度實(shí)時(shí)地震監(jiān)測系統(tǒng)SUPREME。要在約3100kmz的范圍內(nèi)布設(shè)約3600臺新地震計(jì)(新的譜烈度計(jì))。這種地震儀能測定譜烈度和加速度時(shí)程,并能進(jìn)一步根據(jù)最大加速度、譜烈度、估計(jì)位移和估計(jì)周期判斷是否發(fā)生液化,目的是能夠高精度地估計(jì)地震破壞和實(shí)時(shí)判定液化。
橫濱市建立的實(shí)時(shí)地震災(zāi)害評估系統(tǒng)READY由3個(gè)子系統(tǒng)組成:(1)密集強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng);
(2)實(shí)時(shí)地震危害評估系統(tǒng);
(3)破壞信息收集系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)獲得的地面運(yùn)動數(shù)據(jù),在震后20分鐘內(nèi)計(jì)算出地震動危害、液化危險(xiǎn)和木結(jié)構(gòu)房屋的破壞。
密集強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)于1997年建成。在150個(gè)自由場地布設(shè)了數(shù)字強(qiáng)震儀,在9個(gè)臺站布設(shè)了井下擺,觀測數(shù)據(jù)由高速高優(yōu)先權(quán)的電話線路傳送至3個(gè)觀測中心。每個(gè)臺站在地震觸發(fā)后即計(jì)算出地震烈度、峰值加速度、反應(yīng)譜值和持續(xù)時(shí)間等參數(shù)并自動向中心報(bào)告。震后幾分鐘內(nèi)就可以畫出全市的烈度分布,并通過電視和互聯(lián)網(wǎng)向公眾發(fā)布。實(shí)時(shí)地震危害評估系統(tǒng)于1998年投人運(yùn)行。該系統(tǒng)匯集該市不同部門建立的GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行評估。全市劃分為170000個(gè)單元(每個(gè)單元面積為50m×50m),場地條件劃分為268類,用等效線性法計(jì)算出每類場地的放大系數(shù),最后給出詳細(xì)的地面震動分布圖。根據(jù)地面記錄和井下擺記錄估計(jì)出土的動荷載,用公路橋規(guī)定中采用的方法計(jì)算出液化阻抗。最后將液化阻抗與動荷載作比較,確定每個(gè)單元的液化可能性分布圖。地震危害評估系統(tǒng)還建立了全市450000棟木結(jié)構(gòu)房的GIS數(shù)據(jù)庫,根據(jù)其結(jié)構(gòu)、用途、屋頂?shù)念愋秃湍甏_定每棟房屋的振動特性,利用地面運(yùn)動反應(yīng)譜計(jì)算其變位,最后確定出破壞程度,給出木房屋的破壞分布圖。破壞信息收集系統(tǒng)是從1999年4月開始運(yùn)行的。市政府與約500個(gè)土木工程公司簽訂了協(xié)議,規(guī)定一旦地震烈度大于5度(日本氣象廳烈度表),這些公司就立即調(diào)查93條主要道路的破壞情況,并向市政府報(bào)告,這些數(shù)據(jù)由網(wǎng)上GIS系統(tǒng)傳送到市政府的GIS系統(tǒng)上。電話、煤氣和電力公司以及供水部門也將生命線系統(tǒng)的破壞和修復(fù)情況報(bào)告市政府,這些數(shù)據(jù)將在市政府和18個(gè)區(qū)政府的監(jiān)視器上顯示。
美國科學(xué)家開發(fā)了一種基于微機(jī)的地震記錄系統(tǒng),用于進(jìn)行震后快速安全評估。這種系統(tǒng)已在臺灣的許多建筑物上布設(shè)。強(qiáng)地震發(fā)生后即使專家能迅速到達(dá)現(xiàn)場調(diào)查震害,也不可能完全正確地對建筑物震后安全性作出判斷,因?yàn)橛行⿹p傷難以被肉眼發(fā)現(xiàn)。這種震后安全快速評估系統(tǒng)則可以利用強(qiáng)震儀記錄的建筑物反應(yīng)和己有的專家知識對建筑物震后安全性進(jìn)行快速評估。該系統(tǒng)包括布設(shè)在建筑物內(nèi)的多臺強(qiáng)震儀和兩臺微機(jī)。一臺微機(jī)對地震反應(yīng)記錄自動進(jìn)行處理,另一臺則作進(jìn)一步分析,根據(jù)系統(tǒng)識別結(jié)果確定建筑物性狀「進(jìn)而根據(jù)對特定建筑規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行破壞評估。在震后1小時(shí)內(nèi)就可以自動完成對建筑物的安全評估。
建立地震工程試驗(yàn)場選擇地震活動性高的合適場地,進(jìn)行詳細(xì)的場地地質(zhì)勘探,建造典型的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)和模型,布設(shè)各種強(qiáng)震觀測臺陣,以求最大可能地獲取不同場地的地震動觀測數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測數(shù)據(jù),檢驗(yàn)和改進(jìn)現(xiàn)有的各種理論分析方法,這是推動和加快地震工程進(jìn)一步發(fā)展的有效措施。
日本研究者早在70年代就建立了小型的試驗(yàn)場。東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所在千葉實(shí)驗(yàn)所內(nèi)建造了兩棟結(jié)構(gòu)模型,觀測地震時(shí)模型的實(shí)際反應(yīng)。在周圍場地上還布設(shè)了強(qiáng)震加速度儀臺陣和地形變觀測儀器。
90年代初,歐洲科學(xué)家在希臘的Thessaloniki東北30km處的一個(gè)沉積谷地建立了歐洲第一個(gè)工程地震和地震工程試驗(yàn)場。試驗(yàn)場內(nèi)布設(shè)了強(qiáng)震觀測臺陣,建造了一個(gè)五層建筑的模型,對試驗(yàn)場的地震、地質(zhì)和場地土質(zhì)等進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查勘測。目的在于在一個(gè)長時(shí)期內(nèi)獲取高質(zhì)量的地震記錄,以完成各種試驗(yàn),檢驗(yàn)和改進(jìn)有關(guān)地震動衰減規(guī)律、場地上層放大作用、土的非線性和液化、建筑物反應(yīng)、土與結(jié)構(gòu)的相互作用等方面的各種新理論新方法。
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