羅俊秋 李德前 賀玉方 孫伶俐 鄧 娜 楊艷芳

(湖北省地震局,武漢 430071)

武漢市軌道交通運行對地磁觀測的影響＊

羅俊秋 李德前 賀玉方 孫伶俐 鄧 娜 楊艷芳

(湖北省地震局,武漢 430071)

對武漢市軌道交通一號線附近進行了地磁干擾測試,測試結(jié)果表明軌道交通的運行對周邊地磁觀測產(chǎn)生了干擾,干擾距離為 10km左右,其干擾主要來自軌道泄露電流產(chǎn)生的磁場和輸電線路產(chǎn)生的磁場。

軌道交通;地磁觀測;地磁干擾測試;泄露電流;輸電線路

1 引言

隨著城市建設的不斷發(fā)展,城市軌道交通的出現(xiàn)與發(fā)展對地磁觀測產(chǎn)生了不利影響,國內(nèi)外已有不少地磁臺站因受城市軌道交通的電磁干擾而被迫搬遷。武漢軌道交通一號線 (以下簡稱輕軌)2004年 9月 28日正式運行,一期工程為高架線路,全長10.234 km,采用直流牽引供電。

武漢地磁臺距離已運行的軌道交通線約 20km,低于《地震臺站觀測環(huán)境技術要求》中規(guī)定地磁臺站距地鐵安全距離為 30 km的要求,為了研究以目前方式運行的輕軌線路的影響范圍及對武漢臺地磁觀測的影響狀況,在武漢市軌道交通一號線附近進行地磁干擾測試有其必要性。

2 地磁干擾測試方法

本次測試的方法為利用高精度數(shù)字化的地磁觀測儀器,測試距輕軌不同距離布設多個觀測點,實施連續(xù)時間段的野外觀測,以獲取可靠的數(shù)字化試驗數(shù)據(jù)。野外現(xiàn)場測試時間為每個點位連續(xù)記錄 24小時左右,主要記錄輕軌運行和停止時地磁場的變化,找出軌道運行與地磁觀測的安全距離。實驗中使用了 G M4型磁通門磁力儀,該儀器測量地磁場水平分量H、垂直分量 Z和偏角D的變化,同時監(jiān)視探頭溫度 T。分辨率為 0.1 nT,采樣率為 1 Hz,溫度系數(shù)小于 1 nT/℃。

根據(jù)輕軌的地理布局,選擇了地磁觀測環(huán)境比較好的漢陽和武昌東湖兩個區(qū)域布設測點。經(jīng)過仔細勘察,選定了距輕軌分別為 245 m、1.54 km、4.54 km、7.3 km、8.95 km、9.86 km、11 km、14.2 km、16.8 km的 9個野外測試點。在具體點位選取中,采取點位分布與輕軌線路基本垂直的原則,選取的測試點位遠離城鎮(zhèn)、工廠、高壓線和其他軌道交通線,并距公路有一定的距離。點位選取時使用 GPS進行精確定位,點位分布情況見圖 1,各地磁測點基本情況見表1。

3 數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 觀測曲線分析

將各地磁野外試驗測點所測得的地磁三分量數(shù)據(jù)繪制成曲線,見圖 2。從圖 2中可以看出：

圖 1 地磁干擾試驗測點布設示意圖Fig.1 Distribution of the geomagnetic test points

表 1 地磁干擾試驗測點(位)情況Tab.1 Parameters of the geomagnetic test points

1)1號點觀測數(shù)據(jù)曲線形態(tài)較粗,且毛刺較多,特別是 Z分量的毛刺干擾集中在輕軌運行時段,較強的干擾脈沖為火車通過時的干擾,說明 1號測點受到輕軌運行和火車通過的雙重干擾,如圖 3所示。在 1號點位附近輕軌干擾量約為 30 nT左右,輕軌干擾包括車體經(jīng)過時的干擾以及線路的電磁干擾;火車干擾量約為 50 nT左右,火車干擾主要為車體的磁性材料干擾,有時火車車箱多時最大干擾高達150 nT。

2)2號點觀測數(shù)據(jù)曲線相對 1號點光滑,但觀測曲線仍然較粗,Z分量觀測曲線特別是輕軌運行期間毛刺較多,較強的干擾脈沖為火車通過時的干擾,說明 2號點位附近受輕軌運行和火車通過的雙重干擾明顯。

3)3號點觀測數(shù)據(jù)曲線較為光滑,白天和晚上在輕軌運行期間干擾明顯,由于鐵路距測試點較遠,火車通過干擾不明顯。

4)4號點至 6號點觀測數(shù)據(jù)曲線較為光滑,白天和晚上在輕軌運行期間干擾不太明顯。受觀測氣溫的影響,數(shù)據(jù)存在一定的漂移現(xiàn)象,但整體日變清晰;由于受公路及周邊人為活動影響,觀測曲線產(chǎn)生毛刺、小臺階、間斷性曲線變粗等。

5)7號點觀測數(shù)據(jù)曲線較為光滑,白天和晚上在輕軌運行期間干擾不明顯。由于地磁觀測儀器安裝在野外,在 7號點觀測夜間 2時—5時打雷下雨,造成該時段 Z分量干擾比較明顯。另外,該測點距沌口的火力發(fā)電廠 3 km,距一家中型汽車加工廠400 m,使得其地磁試驗觀測數(shù)據(jù)毛刺較多。

6)8號點和 9號點觀測數(shù)據(jù)曲線較為光滑,白天和晚上在輕軌運行期間無干擾。這兩個測點位于武昌東湖地區(qū),測點周邊觀測環(huán)境較為平靜,且測點據(jù)漢口的輕軌 1號線 14km以上,除受城市公路交通影響外,干擾源較少。地磁試驗觀測曲線除有個別突跳點及受觀測環(huán)境溫度影響產(chǎn)生的漂移外,整體穩(wěn)定性較高,日變清晰。

圖2 輕軌干擾地磁試驗觀測曲線Fig.2 Disturbed curves of the geomagnetic test

3.2 Z分量分析

地磁三分量記錄中 Z分量相對比較穩(wěn)定,對于輕軌運行干擾反映比較顯著的特點,分析中采取以Z分量記錄為代表,對每個測點采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后,選取輕軌停車 (21：30—22：30)、開車 (06：00—07：00)和平靜(00：00—01：00)3個時段繪制對比圖(圖 4、5、6),分析輕軌干擾情況,各時段干擾量見表2。

從圖 4～6中可以看出,不論是輕軌開車、停車還是平靜時段,在 6號點附近輕軌的干擾量均為0.2 nT左右;7號點距沌口的火力發(fā)電廠 3 km、距中型汽車加工廠 400 m,受環(huán)境因素影響較大,造成其在輕軌運行期間其干擾量略大于 6號點,干擾量為0.5 nT左右,其夜間地磁觀測數(shù)據(jù)受晚上 2時—5時打雷下雨,造成該時段干擾比較明顯,其他時段的干擾量為 0.2 nT左右;距離較遠的 8號和 9號點受輕軌的干擾量均為 0.2 nT左右。由于這些測點均離公路較近,受公路車輛等影響,在平靜時段其干擾量也為 0.2 nT左右。整體而言,目前武漢輕軌客車運行對地磁觀測環(huán)境的干擾影響的最小距離應在 10 km左右,對武漢地磁臺的地磁觀測暫無影響。

圖 3 1號點地磁試驗 Z分量觀測曲線(2009-11-03—04)Fig.3 Curve of Z component of the geomagnetic test at point 1(2009-11-03—04)

圖 4 輕軌停運時段(21：30—22：30)地磁試驗 Z分量觀測曲線Fig.4 Curve of Z component of the geomagnetic test in light rail stop ti me(21：20-22：30)

圖 5 輕軌開車時段(06：00—07：00)地磁試驗 Z分量觀測曲線Fig.5 Curve of Z component of the geomagnetic test in light rail running ti me(06：00-07：00)

圖 6 輕軌平靜時段(00：00—01：00)地磁試驗 Z分量觀測曲線Fig.6 Curve of Z component of the geomagnetic test in light rail inactive ti me(00：00-01：00)

表 2 輕軌干擾地磁試驗的測試結(jié)果統(tǒng)計Tab.2 Statistics of the geomagnetic test results

3.3 地磁干擾噪聲分析

本次地磁干擾試驗計算地磁背景噪聲的算法如下(計算結(jié)果見表 3和表 4)。

1)計算 F、Z、H、D各要素在選定時段預處理數(shù)據(jù)的一階差分;

2)統(tǒng)計各個一階差分絕對值的頻度 (即出現(xiàn)次數(shù)/總數(shù));

表 3 各測點平靜時段噪聲Tab.3 Geomagnetic noise at each point in light ra il inactive ti me

表 4 各測點輕軌干擾時段噪聲Tab.4 Geomagnetic noise at each poi nt in light ra il moving ti me

3)若某個值的頻度大于 80%,則該值的 2倍即為該要素的背景噪聲 SF、SZ、SH和 SD;若沒有頻度大于 80%的數(shù)據(jù),則對頻度總和為 80%的幾個絕對值求平均(即將頻度大小排序,從第一個依次求和,直到和大于 80%為止),平均值的 2倍即為該要素的背景噪聲 SF、SZ、SH和 SD。

從表 3和表 4的噪聲情況可以看出：1號點和 2號點平靜時段的背景噪聲偏大,主要是受附近公路、鐵路和輕軌線路的運行及車輛干擾;3號點附近在平靜時段的背景噪聲較為平靜,但輕軌運行時段其3分量噪聲水平,特別是 Z分量的噪聲,明顯高于輕軌停運時段,說明距離輕軌 4.5km的地段受輕軌運行的影響明顯;4號點在地鐵運行時段的噪聲水平已較為平靜,比較起來白天的噪聲水平低于夜間噪聲,經(jīng)考察發(fā)現(xiàn) 4號點靠近主要交通干道、公路及立交橋,夜間大型貨車行駛較多,造成夜間噪聲水平高于白天;5號點和 6號點存在和 4號點相似的問題,即平靜時段的噪聲水平相較與干擾時段的噪聲略有增大,但 5號點地磁噪聲水平,在平靜時段和干擾時段整體高于 4號點位的噪聲水平,而 6號點的噪聲水平,在平靜時段和干擾時段整體明顯低于 4號點位;7號點距沌口的火力發(fā)電廠 3 km,距一家中型汽車加工廠400 m,周邊城市交通要道分布,車輛往來較密,造成其地磁噪聲水平,特別是 H分量的噪聲水平較高,但仍能看出其在平靜時段和干擾時段的噪聲水平基本一致;8號點和 9號點在運行和平靜時段的背景噪聲都較小,這兩個測點均位于武昌東湖地區(qū),周邊觀測環(huán)境較為安靜,除受城市公路交通影響外,干擾源較少,經(jīng)觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)該地區(qū)地磁水平分量 H的背景噪聲水平相對較大,主要受武漢鋼鐵廠的影響。

對輕軌地磁干擾測試布設的 9個點位的地磁D、H、Z 3分量觀測數(shù)據(jù),進行平靜和干擾時段背景噪聲的綜合分析,認為 6～9號點位附近背景噪聲在輕軌運行和停止工作時段都較小,地磁觀測結(jié)果表明 6號點位以后輕軌運行對地磁觀測基本上沒有干擾,目前武漢輕軌客車運行對地磁觀測環(huán)境的干擾影響的最小距離應在 10 km左右。

4 分析和討論

從武漢軌道交通一號線附近進行的地磁干擾測試結(jié)果和分析可以看出,目前輕軌運行對地磁觀測環(huán)境的干擾量在0.2 nT左右的最小距離應在 10 km左右,對地磁觀測背景噪聲的干擾也基本在 10 km左右恢復。

分析輕軌客車運行干擾的機制,認為其對磁場環(huán)境造成的干擾主要有以下 3個方面：

1)軌道泄露電流產(chǎn)生的磁場。輕軌運行對地震臺站電磁觀測產(chǎn)生的電磁騷擾影響,起因于輕軌運行時在饋電線和走行軌上存在著電流,而且輕軌運行過程中走行軌對地漏電,導致饋電線電流與走行軌回流電流之間的不平衡,是地鐵對地震電磁觀測產(chǎn)生騷擾影響的最重要的物理原因。

2)輕軌列車運行過程中以直流方式供電的輸電線路產(chǎn)生的磁場,其影響量與線路負載 (即列車頻次、負荷、速度等)有關。

3)車體本身鐵磁性物質(zhì)產(chǎn)生的干擾。以目前方式運行的輕軌列車其本身鐵磁性物質(zhì)產(chǎn)生的干擾不會超出1 km,其影響遠遠小于輕軌以上兩種方式產(chǎn)生的影響。

從本次地磁干擾測試結(jié)果看來武漢軌道交通一號線對地磁觀測的干擾,主要來自于輕軌泄露電流產(chǎn)生的磁場和輸電線路產(chǎn)生的磁場影響。本次實驗測試結(jié)果只是軌道交通線路地上 (高架線路即輕軌)部分的影響結(jié)果,地下部分(地鐵)影響會更大,需要另行進行測試分析。隨著使用時間的延長,輕軌泄露電流會逐漸加大,其干擾范圍也會逐漸加大,因此,目前我們應該留出足夠的安全距離,并在今后不斷追蹤實驗,給出科學合理的結(jié)論。

1 中國地震局.地震及前兆數(shù)字觀測技術規(guī)范[M],北京：地震出版社,2001.

2 孫枋友,王秀山.北京市地下鐵路電磁場地面分布的測繪結(jié)果[J].地震地磁觀測與研究,1984,5(1)：57-63.

3 馬欽忠,等.上海市地鐵對地磁觀測影響的實驗分析[J].地震地磁觀測與研究,2004,5(1)：25-29.

4 于政軒,等.大連輕軌客車運行對地磁觀測環(huán)境干擾的測試與分析[J].地震地磁觀測與研究,2004,6(1)：55 -62.

5 徐學恭,等.津濱輕軌地磁干擾范圍的實驗研究 [J].地震地磁觀測與研究,2008,29(6)：41-44.

INFLUENCE OFW UHAN C ITY RA ILCAR ON THE GEOMAGNETIC OBSERVATION

Luo Junqiu,LiDeqian,He Yufang,Sun Linli,DengNa and Yang Yanfang
(Earthquake Adm inistration of Hubei Province,W uhan 430071)

The results of the geomagnetic test aroundWuhan first city light railline indicate that the moving of trains on the city railcar disturbs the environment of geomagnetic observation and the influence basically disappears by 10 kilometers from the railcar line.The disturbance results from the leakage of electric current by railway and transmit electricity line.

city railcar;geomagnetic observation;geomagnetic disturbance test;leakage of electric current;transmit electricity line

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0135-06

2010-01-10

中國地震局地震研究所所長基金(IS200846081)

羅俊秋,工程師,主要從事地震監(jiān)測預報工作.E-mail：luojq04@163.com

P315.73

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