張建濤 王明貴 陳星星 周 超

（中國(guó)武漢 430071 中國(guó)地震局地震研究所，中國(guó)地震局地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

直流軌道交通供電回路上的雜散電流會(huì)影響附近的電磁觀測(cè)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)高頻突跳、噪聲增大，甚至不可用（吳利輝等，2009；謝凡等，2011；王同利等，2013；馮紅武等，2019；樊曉春等，2021）。截至2021 年，我國(guó)40 多個(gè)城市開(kāi)通了地鐵，多個(gè)地震臺(tái)站因電磁觀測(cè)環(huán)境受到影響而搬遷，臺(tái)站遷建將使得歷史數(shù)據(jù)失去價(jià)值。在此背景下，研究城市軌道交通干擾磁場(chǎng)的作用距離、干擾強(qiáng)度，對(duì)于保護(hù)地磁觀測(cè)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。應(yīng)城地震臺(tái)是國(guó)家基準(zhǔn)地磁臺(tái)，儀器種類豐富，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。為此，利用應(yīng)城地震臺(tái)地磁資料來(lái)研究受武漢地鐵干擾的情況，分析影響地鐵干擾距離和干擾強(qiáng)度的主要因素，以期為城市軌道交通建設(shè)和地磁臺(tái)站選址提供有益參考。

1 臺(tái)站概況

應(yīng)城地震臺(tái)是2016 年新建臺(tái)站，位于湖北省應(yīng)城市湯池鎮(zhèn)，擁有ZD9A-2B 型地電場(chǎng)儀和 FHD-2B 型、GSM 90F 型、GM4 型、FGM-01 型等多套地磁儀器。GB/T19531.2—2004《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求第2 部分：電磁觀測(cè)》規(guī)定，城市有軌直流運(yùn)輸系統(tǒng)軌道與地磁觀測(cè)點(diǎn)的距離應(yīng)不小于30 km（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2004）。應(yīng)城地震臺(tái)場(chǎng)地勘選工作2009 年完成，為使地磁觀測(cè)長(zhǎng)期不受干擾，湖北省地震局預(yù)留了更大的安全距離（李德前等，2015）。2016 年應(yīng)城地震臺(tái)正式建成時(shí)，距最近的地鐵線路86.5 km。2021 年底，武漢已開(kāi)通11 條地鐵線路，應(yīng)城地震臺(tái)距最近的地鐵線路僅73 km，地電場(chǎng)、地磁觀測(cè)均明顯受到地鐵干擾。為具體分析地鐵線路的干擾情況，統(tǒng)計(jì)了2017 年后武漢市新增地鐵線路的相關(guān)信息（表1）。

表1 2017 年以來(lái)武漢地鐵線路開(kāi)通概況Table 1 Information of subway lines operated after 2017

2 干擾概況

2.1 干擾來(lái)源

軌道交通工程直流供電系統(tǒng)模型見(jiàn)圖1。我國(guó)地鐵牽引電壓為直流750 V 或1 500 V，電流從變電站到地鐵列車需要多次轉(zhuǎn)換。牽引變電所通過(guò)接觸軌或接觸網(wǎng)給列車供電，電流經(jīng)過(guò)回流系統(tǒng)回到牽引變電站的負(fù)極，回流方式分為走行軌回流和專用軌回流，由于后者建設(shè)成本較高且后期維護(hù)困難，我國(guó)大部分軌道交通采用走行軌回流（阮羚等，2021）。由于走行軌無(wú)法完全絕緣和受天氣因素的影響，部分回流會(huì)泄露到周圍大地中，稱為雜散電流，其產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)可干擾地磁場(chǎng)觀測(cè)。

圖1 軌道交通直流供電系統(tǒng)模型Fig.1 Model of DC power supply system for urban rail transit

2.2 干擾特點(diǎn)

圖2（a）為2020 年2 月地鐵停運(yùn)時(shí)應(yīng)城地震臺(tái)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)，由圖2（a）可見(jiàn)，全天各時(shí)段噪聲水平一致。根據(jù)國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心發(fā)布的信息，應(yīng)城地震臺(tái)FGM01 型磁力儀Z分量當(dāng)月噪聲0 nT。圖2（c）為地鐵運(yùn)行期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)，北京時(shí)間6 點(diǎn)后觀測(cè)數(shù)據(jù)突跳增多，晚上12 點(diǎn)地鐵停運(yùn)后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。受武漢地鐵運(yùn)行干擾，應(yīng)城地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)也出現(xiàn)高頻突跳。圖2（b）為地電場(chǎng)長(zhǎng)極距NS 測(cè)向正常數(shù)據(jù)。由圖2（b）可見(jiàn)清晰的“兩峰一谷”日變形態(tài)，觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線基本沒(méi)有毛刺。2021 年11 月起受武漢地鐵影響，每日6—23 時(shí)數(shù)據(jù)出現(xiàn)高頻突跳，幅度超過(guò)地電場(chǎng)正常日變幅［圖2（d）］。應(yīng)城地震臺(tái)地電場(chǎng)、地磁場(chǎng)受干擾時(shí)段與武漢地鐵運(yùn)行時(shí)間一致，同時(shí)對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)和周邊環(huán)境進(jìn)行巡檢，排除了其他因素造成干擾。

3 干擾分析

3.1 研究方法

地磁Z分量受城市軌道交通干擾最明顯，因此，針對(duì)該分量進(jìn)行研究。GB/T19531.2—2004 《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求第2 部分：電磁觀測(cè)》（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2004）對(duì)事件型騷擾數(shù)據(jù)的處理規(guī)定，以每周期觀測(cè)數(shù)據(jù)的峰峰值作為干擾強(qiáng)度。因此，采用滑動(dòng)窗口法計(jì)算干擾幅度，窗口長(zhǎng)度60 s，步長(zhǎng)1 s。為便于同地鐵干擾強(qiáng)度直接對(duì)比，計(jì)算正常數(shù)據(jù)噪聲時(shí)也采用峰峰值。2020 年2 月14 日武漢市地鐵停運(yùn)，該天為磁靜日且沒(méi)有其他干擾，應(yīng)城地震臺(tái)地磁Z分量平均噪聲0.13 nT，將該值作為應(yīng)城地震臺(tái)背景噪聲。為避免磁暴的影響，選擇線路開(kāi)通后下一個(gè)磁靜日的數(shù)據(jù)（圖3），分別計(jì)算在地鐵停運(yùn)、運(yùn)行2 個(gè)時(shí)段的噪聲。武漢地鐵運(yùn)行時(shí)間是6—23時(shí)，考慮到列車實(shí)際到站時(shí)間，停運(yùn)時(shí)段選取凌晨1—3時(shí)，運(yùn)行時(shí)段選擇夜晚19—20時(shí)。將地鐵停運(yùn)時(shí)段噪聲與背景噪聲進(jìn)行比較可以檢驗(yàn)儀器工作狀態(tài)和發(fā)現(xiàn)其他環(huán)境干擾。

圖3 應(yīng)城地震臺(tái)FGM01 型磁力儀 Z 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)Fig.3 Z component of FGM01 original geomagtic data of Yingcheng Seismic Station

3.2 干擾幅度

為排除儀器自身原因?qū)е聰?shù)據(jù)噪聲增大，選擇FGM01 型、FHDZ-M15 型、GM4 型等3 套磁力儀的數(shù)據(jù)，按照前述方法計(jì)算2018 年1 月18 日等8 天的地磁Z分量噪聲，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 地鐵運(yùn)行和停運(yùn)時(shí)段地磁噪聲Table 2 Magnetic perturbation during subway operation and shutdown

根據(jù)應(yīng)城地震臺(tái)儀器變動(dòng)記錄和工作日志，2018 年FGM01 型磁力儀因儀器故障噪聲較大，2019 年更換儀器后數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯改善，子夜時(shí)段峰峰值噪聲僅0.13 nT。GM4 型磁力儀因?yàn)閮x器老化，運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，2020 年以后噪聲較大。2018 年10 月18 日地鐵運(yùn)行時(shí)段，GM4 型、M15 型磁力儀的噪聲與正常背景噪聲接近，說(shuō)明地磁觀測(cè)基本未受到地鐵干擾。但是由于二者正常背景噪聲約為0.2 nT，如果地鐵干擾強(qiáng)度更小則無(wú)法識(shí)別。結(jié)合武漢地鐵1 號(hào)線的相關(guān)信息，可以確認(rèn)采用直流750 V 牽引電壓的地鐵在80 km 外對(duì)地磁Z分量的干擾強(qiáng)度小于0.2 nT。

2019 年2 月25 日地鐵運(yùn)行時(shí)段，3 套地磁儀的噪聲均大于正常值，說(shuō)明此時(shí)已經(jīng)受到地鐵干擾。在此之前新增線路是2 號(hào)線南延線，牽引電壓同樣為直流750 V，與應(yīng)城地震臺(tái)間距離為111 km，遠(yuǎn)超1 號(hào)線與應(yīng)城地震臺(tái)間的距離，理論上干擾強(qiáng)度小于0.2 nT。所以，干擾可能是多條地鐵共同作用的結(jié)果，或某條線路的走行軌絕緣性變差所致。當(dāng)走行軌多點(diǎn)出現(xiàn)絕緣薄弱或接地狀態(tài)變化，雜散電流水平會(huì)大幅升高（鄭子璇等，2020）。8 號(hào)線、11 號(hào)線的開(kāi)通，基本未對(duì)應(yīng)城地震臺(tái)地磁觀測(cè)造成干擾。2021 年12 月26 日地鐵5 號(hào)線、6 號(hào)線二期、16 號(hào)線開(kāi)通，對(duì)FGM01 型磁力儀的干擾幅度上升至0.63 nT，另外2 套磁力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)噪聲更高。結(jié)合3 條線路的牽引電壓和距離進(jìn)行分析認(rèn)為，干擾主要源自6 號(hào)線2 期，其采用直流1 500 V 接觸網(wǎng)供電，最近地鐵站點(diǎn)距應(yīng)城地震臺(tái)僅80 km。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)分析2018—2022年應(yīng)城地震臺(tái)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其受到武漢地鐵6號(hào)線的干擾，Z分量峰峰值干擾幅度達(dá)到0.63 nT。截至2021 年底，武漢市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程435 km，而遠(yuǎn)景規(guī)劃線網(wǎng)總長(zhǎng)約1 100 km，應(yīng)城地震臺(tái)未來(lái)有可能面臨更加嚴(yán)重的干擾。2019 年之后，應(yīng)城地震臺(tái)地磁噪聲增大至0.23 nT，可能是武漢某條地鐵線路走行軌絕緣性降低造成的。軌道交通建設(shè)單位應(yīng)當(dāng)采取先進(jìn)技術(shù)，從源頭上減小并限制地鐵雜散電流擴(kuò)散，加強(qiáng)回流軌對(duì)地絕緣性和漏電檢測(cè)。從應(yīng)城地震臺(tái)受干擾的情況來(lái)看，采用直流1 500 V 牽引電壓的地鐵，對(duì)地磁場(chǎng)的干擾強(qiáng)度在80 km外依然大于0.6 nT。GB/T 19531.2—2004 《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求第2 部分：電磁觀測(cè)》（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2004）規(guī)定，地磁測(cè)點(diǎn)與軌道間距離不小于30 km，建議根據(jù)目前地鐵的技術(shù)參數(shù)和地磁臺(tái)站受干擾情況進(jìn)行完善。