Study on Seismic Activity of Reservoir in Complex Tectonic Environment −Take Nuozhadu Hydropower Station as An Example
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摘要: 糯扎渡水电站位于澜沧江中下游,该地区构造环境复杂,活动断层发育,地震频发。本文利用区域构造、糯扎渡库区水荷载变化、云南省区域地震台网2000—2021年地震监测资料,对糯扎渡水库区域断层性质、库水位荷载变化、地震震源参数和水库蓄水前后的地震活动空间等进行综合分析。研究结果表明,糯扎渡水库影响区及附近区域活断层密集,构造环境复杂且存在应力水平较高区域,蓄水前库区地震活动强度较高。伴随蓄水量的增加,微小地震活动频度和强度逐渐增强,显示出蓄水对库区内断层上的应力分布具有明显的扰动作用。蓄水后水库坝区附近和澜沧江库区中段窝拖寨断层区的地震活动频度和强度有所增强,普洱大河库段地震活动强度则低于区域背景地震,但微小地震活动的频度有所上升,且与库水位的周期性变化有一定的相关性。地震活动的空间位置与库区内复杂的构造断层密切相关。在区域构造应力和库区水加、卸载的共同作用下,构成了糯扎渡水库影响区微小地震时间、空间、强度的活动图像。未来区内地震活动仍将受到区域构造应力影响和水位变化及水的渗透作用影响,其地震活动强度可能达到5.0级左右。Abstract: Nuozhadu Hydropower Station (NHS) is located at the middle and lower reaches of the Lancang River, where the tectonic environment is complex with massive active faults and frequent earthquakes. In this paper we comprehensively analyzed the characteristics of regional faults, the variation of water level load in NHS, focal parameters, and the spatial distribution, frequency and intensity of seismicity before and after impoundment, based on the regional tectonics, the variation of water load, and the seismic monitoring data of Yunnan regional seismic network from 2000 to 2021. The results show that the affected areas in and around the reservoir have densely distributed active faults and tectonic environment with high stress level, and higher intensity of seismic activities before impoundment. The frequency and intensity of micro-seismic activities gradually increase on the rise of water level, indicating that water storage has a significant disturbance on the stress distribution along the faults. After impoundment, however, the intensity of seismic activities is lower than that of regional background earthquakes, but the frequency of micro-earthquakes increases and intensifies, which is correlated with the periodic change of reservoir water level. The spatial distribution of seismic activities is closely related to the complex faults in the area. The activity pattern of time, space and intensity of micro-earthquakes in the affected area of NHS are constructed by the joint action of regional tectonic stress and water loading and unloading. Seismicity in the region will still respond to the regional tectonic stress, the change of water level and the infiltration of water in the future and the magnitude may reach about M5.0.1)
1 2 叶建庆、李勇、徐誉宸等,2018.糯扎渡库区及邻区水库地震监测总结与地震活动特征研究报告(2008年—2017年). -
引言
地震小区划是对特定区域范围内可能遭遇到的地震影响进行划分,包括设计地震动参数小区划和地震地质灾害小区划。相比地震区划,地震小区划工作更重视局部场地条件的影响,更为详细地考虑周围的地震地质环境,其成果可为抗震设计、土地利用规划、震害防御等提供更精确的资料(胡聿贤,1999)。
地震小区划工作内容涉及地震活动性评价、地震构造评价、场地地震动分析等,工作量大,获取的数据也很丰富。传统地震小区划成果通常以文字报告、专题图件的形式提交,类型较单一,展示度较差,难以满足目前公共服务的需要。管理现有数据并充分利用数据推出更多服务型产品是目前包括地震小区划工作在内的地震工作信息化和现代化迫切需要。
随着GIS技术的发展,国内很多研究者逐步将GIS技术引入地震小区划研究工作中(张苏平等,2003;王庆满等,2011;李程程等,2014),建立有关数据库和数据管理系统(田勤虎等,2011;龚磊等,2015)。但已建系统多以数据查询、展示为主,缺少分析功能和实际产出服务。本文以嘉兴科技城地震小区划工作为基础,将基础数据与地理信息系统(GIS)相结合,形成集查询、分析于一体的地震小区划成果数字化系统,可为不同用户提供不同数据服务。
1. 研究区概况
研究区位于嘉兴科技城,行政区划属于嘉兴市南湖区,面积约30km2,是浙江省四大科技平台之一。现聚集了包括浙江清华长三角研究院、浙江中科院应用技术研究院在内的一批高端院所,还建有多个国际技术合作平台、工程中心和产学研基地,是嘉兴市乃至浙江省重要的创业创新平台。
查询《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等,2015)可知,嘉兴市大部分地区由原来的Ⅵ度设防提升为Ⅶ度设防,设防水准的提高将对区内建设工程抗震设防、国土利用规划、社会经济发展等提出更高的要求。嘉兴科技城现处于Ⅶ度设防区内,加之人才产业聚集、产值高,地震灾害风险大。在该区进行地震小区划工作,可为该区提供更精确的抗震设防和土地规划资料,有效降低地震灾害风险。
2. 基础数据
根据相关规范要求,地震小区划工作内容包括地震地质及地震活动性资料的收集、场地钻探、场地土层反应分析等,涉及地质、地震、地球物理、工程勘察等多方面的数据,根据系统建设的需要归纳如下:
(1) 地震地质及地震活动性数据
研究区内地震地质及地震活动性专题图包括区域地震分布图、场地地震分布图、历史地震等震线分布图、区域构造图、区域断层分布图、近场构造图等,均为Mapinfo格式的矢量文件。
(2) 场地地震工程地质条件勘察数据
区划范围内布设60个钻孔,其中标准钻孔1个(孔深232.8m),地震钻孔29个(深度不小于105m),勘察孔30个(深度小于30m),钻探总进尺4204m,浅层人工地震探测测线共21534m。系统建设收集的数据包括60幅钻孔柱状图、18条工程地质剖面、5幅浅层人工地震探测解译图,其中钻孔资料均以柱状图的形式提供,格式为AUTO CAD矢量文件,钻孔的其他信息以Excel表格的形式提供;工程地质剖面图和地震探测测线数据为PDF文档和栅格图片;勘察报告以PDF文档的形式提供。
场地内60个钻孔均进行了波速测试,钻孔代表性土层动三轴土样80件,收集的波速数据和动三轴数据以Excel表格的形式提供。
(3) 地震动分析与参数区划数据
根据土层地震动分析的需要,建立29个场地钻孔模型,数据格式为TXT文本。收集全球范围内天然地震记录1692条,人工合成地震波522条(每个钻孔3个超越概率各6条),以TXT文本的形式提供。
地震小区划成果图件主要为地震动参数区化图,以Mapinfo矢量文件的形式提供。另外,还包括小区划报告的文本,以PDF文档的形式提供。
3. 系统设计
3.1 面向对象实现
地震小区划涉及钻孔、场地、强震记录、地震灾害等概念,其对象层次清晰,易于以面向对象的方式实现,形成地震小区划数字化系统。根据需求分析,首先将地震小区划数字化涉及的问题抽象成类,并建立类之间的消息机制及类之间的关系,即进行地震小区划数字化概念设计。
根据概念模型抽象出类,相应的类关系如图 1所示,地震小区划数字化主要类有CSolid(工程地质三维实体类)、CDrillHoles(钻孔集合类)、CSoilLayers(土层集合类)、CGroundMotion(强震动观测记录类)、CEarthQuake(场地地震动类)等。CDrillHoles类由CDrillHole类组合形成,并通过CreateTIN方法实现CTins类,由CTins类实现CSolid类,利用CGroundMotion类中SelectEarthQuake方法筛选出符合地质条件的历史强震记录,导入CSolid类,进行地震动分析,计算场地地震动参数峰值加速度、特征周期,并绘制峰值加速度等值线图和特征周期等值线图,由此生成场地地震小区划成果。
3.2 数据库设计
系统采用Access小型数据库实现场地基础地理信息数据、地震动数据、地震震陷数据、地震液化数据等的建库,结合GIS技术实现空间数据与属性数据的整合、矢量数据与栅格数据的整合、信息数据与分析数据的整合。数据库共包含9张数据表,分类如表 1所示。
表 1 数据库汇总Table 1. Database summary序号 表名 功能说明 1 ZkInfo 钻孔基本信息 2 ZkLayer 钻孔土层信息 3 StLayer 标准层序土层信息 4 ZkLique 钻孔砂土液化信息 5 ZkClay 钻孔软土震陷信息 6 ZkWave 钻孔土层剪切波速信息 7 ZkBG 钻孔土层标贯信息 8 ZkMx 钻孔动力分析模型信息 9 ZkSeis 钻孔动参数区划信息表 数据库逻辑设计如图 2所示。
3.3 系统物理设计
系统采用MapX作为GIS开发组件,数据库采用Access,在VB环境下完成开发,可运行于多个版本的windows操作系统中。
4. 系统功能实现
系统功能分为资料查询、成果应用、专题研究三大模块,其中专题研究整合了资料查询、成果应用模块的所有功能,详细的功能设计如图 3所示,系统主界面(专题研究模块)如图 4所示,主要对资料查询、成果应用模块进行介绍。
4.1 资料查询模块
该模块主要对地震小区划工作的基础资料及成果数据进行可视化展示,内容包括地震活动性、地震构造、场地勘察、地震区划等。由于部分功能展示的形式类似,对其中的部分功能进行介绍。
(1) 地震活动性查询:可查询区域地震、场地地震、历史地震影响烈度及场地地震综合评价。按地震震级自动统计地震活动性情况,通过地点地图及数据表的方式查询当前地震发生日期、经度、纬度、震级、震源深度等相关信息,成果展示如图 5所示。
(2) 地震区划:对区内潜在震源区的划分情况及地震小区划成果进行查询,成果以可视化的形式展示,包括区划的范围、相关的地震动参数及标定的反应谱,成果展示如图 6所示。
(3) 钻孔快捷查询:可对区内所有勘察钻孔进行集中展示,包括钻孔柱状图、钻孔土层剪切波速、抗震类别判定、砂土液化和软土震陷情况判断等所有信息,成果展示如图 7所示。
4.2 成果应用
该模块基于现有基础资料,通过建立分析模型对数据进行数字化分析,生成相应的成果数据。该模块主要包括虚拟勘察、场地分析及国土规划3个子模块,其中虚拟勘察模块包括虚拟钻孔、工程地质剖面、地层等值线等,场地分析模块包括砂土液化、软土震陷分析及场地抗震类别判定,国土规划模块包括断层分布及地震小区划。
(1) 虚拟钻孔:采用delaunay三角网上的线性内插算法,根据坐标输入或地图点选获得示范区内任意位置钻孔(虚拟)的相关资料,包括钻孔柱状图、场地抗震类别判定、砂土液化和软土震陷分析、历史地震、地震动参数等。虚拟钻孔的柱状图以栅格图片或CAD矢量文件的形式导出,所有虚拟钻孔信息还可以Word文档的形式导出,内容包括场地土层信息、场地地震动参数、场地类别等,涵盖了地震工程大部分基础资料,可供相关单位参考使用,如图 8所示。
(2) 工程地质剖面:根据连续的坐标输入或在底图上绘制剖面线生成研究区内相应的工程地质剖面图(见图 9),可将剖面图以栅格图片或CAD矢量文件的形式导出。
(3) 地震地质灾害:包括场地内的砂土液化和软土震陷。根据部分钻孔试验参数,采用建规中的判别方法对场地内钻孔进行判定,给出其液化程度和震陷情况。
(4) 地震动分析:根据点选的坐标位置,选择距离最近的地震钻孔数据,输入筛选要素,从天然地震时程库中选取符合要求的天然地震时程;根据人工合成的基岩地震动计算得到各超越概率下的场地地表地震动参数,成果展示如图 10所示。
5. 结论与建议
通过对地震小区划数据的整理,基于GIS软件开发地震小区划成果数字化系统。在实现项目成果数据查询与可视化展示的同时,还可导出数字化分析成果。相比传统的地震小区划工作,该系统的成果更丰富,形式更多样,为地震工作服务能力的提升进行了尝试。同时,需指出的是,此次建立的系统仅为单机版,与实现公共服务仍存在一定差距,后续还需进行更多的研究,补充和完善相关功能,以期建立高效便捷的在线服务系统。
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表 1 糯扎渡库区及邻近地区主要断裂活动特征
Table 1. Major faults activity characteristics of Nuozhadu hydropower station and affected area
断裂名称 断裂长度/km 产状 断裂性质 最新活动年代 地震活动 走向 倾向 倾角/(°) 澜沧江断裂 800 NNW SE 近直立,
微向西倾右旋走滑 10万年以内 永平、鲁史附近发生过5.5级地震 南汀河断裂 210 NE — 40~50 左旋走滑压扭 第四纪 1941年耿马大寨7级地震、1988年11月7.2级地震 营盘山断裂 140 NS SE 60 — 更新世 第四纪以来活动减弱 邦东断裂 50 NW NE 40~70 左旋,北为正断,
南为逆断10万年以内 历史上发生过多次中震 窝拖寨断裂 26.5 NE NW — 左旋 全新世 现代有多次中震记载 漫罗断裂 38 NE — — 平移断层 — — 孟连-澜沧断裂 150 NE NW 70~80 左旋 全新世 1952年孟连-澜沧交界6.5级地震、1984年4月
孟连6.4级地震、1995年7月中缅边境7.3级地震木戛-谦迈断裂 120 NW SW/NE 60~80 右旋走滑 全新世 1988年澜沧7.6级地震 澜沧-勐遮断裂 160 NW SW 60~80 右旋走滑 全新世 1988年11月6日澜沧-耿马7.6级地震的6.7级强余震
发生在断裂北段,现代小震活动频繁谦六断裂 92 SN W — 逆断 中更新世中晚期 — 平掌寨断裂 90 NS W/E — 正断层、逆断 前第四纪 近现代无地震记载 白马山断裂 35 NW SW — 正倾滑断裂 中更新世中期 断裂东侧现代有地震活动记载 酒房断裂 50 NNW NE 80 逆断 中更新世 断裂中段有中震记载 普文断裂 220 NNW — — — — 2014年12月7日普文断裂北西(隐伏)延长段上发生的
景谷6.6级地震是距今最近的一次强震肖塘断裂 100 SE W 45 逆断 前第四纪 现代有中强震记载 肖塘箐断裂 — NS W — 压扭左旋 第四纪 断裂中段东侧及南段现代有强震记载 麻栗坪断裂 40 NNW SW — 逆断 第四纪 断裂中段东侧现代有中强震记载,断裂南段有小震记载 李子箐断裂 40 NW SW — 逆断 第四纪 断裂南段近代有中强震记载 表 2 糯扎渡水库蓄水后水位年变幅度
Table 2. Annual variation of water level after Nuozhadu hydropower station impoundment
年份/年 极低位时间/(年-月-日) 极低位值/m 极高位时间/(年-月-日) 极高位值/m 变化幅度/m 2011 2011-11-29 610.33 2011-12-17 666.23 55.90 2012 2012-01-02 663.04 2012-12-31 774.69 111.65 2013 2013-03-16 771.27 2013-10-18 812.09 40.82 2014 2014-06-16 769.35 2014-10-24 812.34 42.99 2015 2015-07-01 770.05 2015-12-31 795.26 35.41 2016 2016-06-05 770.38 2016-11-01 812.31 41.93 2017 2017-07-04 770.03 2017-10-26 811.73 41.70 2018 2018-06-06 765.12 2018-10-30 811.93 46.81 2019 2019-06-19 765.40 2019-01-29 811.12 45.72 2020 2020-06-26 766.70 2020-12-03 811.61 44.91 2021 2021-07-05 774.97 2021-10-21 807.54 32.57 表 3 蓄水后糯扎渡水库影响区内地震活动情况
Table 3. Seismic activity after impoundment in Nuozhadu hydropower station adjacent region
年份/年 频次/次 最小震级/级 3.0级以上地震
次数/次最大地震发震时间/
(年-月-日)震级/级 震源深度/km 距坝区距离/km 距库岸距离/km 震中参考位置 2012 189 1.0 12 2012-09-18 4.2 10 82.0 0.5 窝拖寨断裂 2013 176 1.1 12 2013-07-21 4.2 12 53.0 4.8 普洱大河支库附近 2014 183 1.0 6 2014-08-27 4.1 5 71.0 8.0 普洱大河支库尾段 2015 327 1.0 4 2015-12-08 4.0 7 6.2 2.0 黑河支库附近 2016 101 1.0 2 2016-11-06 3.8 5 75.0 5.0 普洱大河支库尾段 2017 97 1.0 4 2017-07-29 4.0 13 14.0 0.0 澜沧江主库段 2018 91 0.4 5 2018-08-28 3.8 5 76.0 5.0 普洱大河支库尾段 2019 77 0.4 7 2019-01-06 4.1 7 74.0 3.0 普洱大河支库尾段 2019-05-11 4.1 8 61.0 1.0 普洱大河支库附近 2020 64 0.7 2 2020-03-27 3.6 13 54.0 7.0 普洱大河支库附近 2021 81 0.4 8 2021-06-20 4.3 10 5.4 5.4 澜沧江主库附近 -
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