天津臺網水溫觀測系統事件數據跟蹤分析＊

王云泉 龔永儉 王建國 張長軒 劉學領 程立康 吳博洋

（天津市地震局，天津 300201）

引言

地下流體廣泛地賦存于地殼巖體的空隙之中，由于具有可自由流動性，成為了地殼動力過程中最活躍的因素。觀測地下流體的各種物理、化學動態，一直被作為探索地震預報科學的有希望的途徑[1-2]。水溫作為地下流體學科的一個重要的物理測項，在大量地震的震前均有突出的異常表現[3-8]，車用太等[4]在對汶川MS8.0 地震的震前異常的研究中發現，地下流體異常幾乎達到全部震前異常的46%，而水溫異常又約占到流體異常的40%，由此也可見水溫在地震預測中的重要性。然而，水溫觀測數據的質量制約著地震預測的效能[9]，實踐中，并非所有的水溫異常均揭示了地下介質的應力變化，反映地下熱動力學過程，以及預示地震的孕育與發展，大量的水溫異常卻源于觀測系統、自然環境、場地環境、人為干擾和地球物理事件的影響[10-13]。準確判定水溫異常的成因，剔除干擾數據，在地震預測工作中尤為重要。觀測數據跟蹤分析旨在落實中國地震局《關于加強地震監測預報工作的意見》，推進地震監測與預測工作的緊密結合，對地球物理臺網的大數據變化進行持續監控和跟蹤，對各類非正常的數據變化，通過技術手段，深入挖掘影響因素，對數據受影響的特征及影響因素的關聯進行分析，從而服務于地震預測工作[14]。天津流體臺網自2013 年12 月開始開展數據跟蹤分析工作，截止2020 年5 月，產出了600 余條非正常事件的分析記錄，對上述記錄的梳理和研究，是推進數據跟蹤分析工作的基礎和保障。我們在對天津流體臺網2013 年12 月—2020 年5 月的水溫數據跟蹤分析記錄進行梳理時發現，觀測系統故障類事件在水溫觀測數據跟蹤分析記錄中的占比較大，這可能源于水溫觀測并不像水位觀測那樣容易受到自然環境和場地環境的影響。水溫觀測系統事件的排查又較為困難，對該類事件的數據跟蹤進行全面分析，其成果更具有指導意義。為此，我們專門對水溫觀測系統事件的數據跟蹤分析進行了研究。

1 天津臺網水溫觀測概述

天津臺網水溫觀測井孔共有10 口，包括：高村井、寶坻新臺井、辛莊井、靜海井、張道口-1 井、寧河井、漢1 井、桑梓井、王3 井、薊縣臺井。各井孔類型不一，有油井、基巖井、土層井、咸水層井、第三系沉積層井；井孔深度也不一，深度85—3 402.81 m不等，跨度較大。在天津區域內，水溫觀測井孔既有足夠的密度，又有各典型層位的井孔，具有一定的監測能力。表1 為各井孔及水溫觀測使用的儀器、探頭投放深度等基礎信息（部分測點儀器近年來有更新，更新完成后，原儀器停止觀測。表中給出了更新儀器的啟用時間）。

表 1 天津臺網水溫觀測井孔和儀器信息一覽表Table 1 Information of water temperature observation wells and instruments in Tianjin network

天津臺網水溫觀測使用的數字式溫度計（又稱為“水溫儀” ）分為2 個系列：①中國地震局地殼應力研究所研制生產的SZW 系列，包括：SZW-1 型數字式溫度計、SZW-1A 型數字式溫度計、DRSW-1 型地熱水位綜合觀測儀和SZW-2 型數字式溫度計。該類數字式溫度計采用石英晶體傳感器（又稱為“探頭” ），其利用石英諧振器的自振頻率隨溫度變化的特性來檢測水溫。由于石英晶體高純度的特性，決定了其具有高Q值，其頻率—溫度變換關系可以表示為：T＝A0＋A1f＋A2f2＋A3f3＋A4f4……，其中：f為石英諧振器的自振頻率，T為石英諧振器的溫度，A1、A2、A3、A4……則是隨著每個石英溫度傳感器的個性不同而不同的常數；②北京中科光大自動化有限公司研制生產的ZKGD 系列地下流體自動監測系統。該類儀器有水溫觀測功能，水溫觀測采用鉑電阻傳感器，其利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化的特性來檢測水溫。2 個系列的數字式溫度計（水溫儀）在硬件組成方面均由主機和傳感器構成（部分早期產品，例如SZW-1 型數字式溫度計、SZW-1A 型數字式溫度計、DRSW-1 型地熱水位綜合觀測儀的網絡通訊接口獨立于主機，通過RS232 串口線與主機相連）。

2 水溫觀測系統事件實例分析

2013 年12 月—2020 年5 月，天津流體臺網水溫觀測共產出觀測系統事件36 條，其中：16 條事件記錄由主機故障引起，7 條事件記錄由傳感器（線路）故障引起，3 條事件記錄由避雷故障引起，10 條事件記錄由供電故障（包括交、直流切換）引起。各種因素影響的事件在各井孔中沒有明顯的聚集性反應。

2.1 主機故障

如前所述，水溫觀測使用的數字式溫度計均包括主機和傳感器（探頭）2 個部分（SZW-1 型數字式溫度計、SZW-1A 型數字式溫度計和DRSW-1 型地熱水位綜合觀測儀的網絡通訊接口獨立于主機）。主機負責數據的采集和處理，其內部在功能上可能分成供電電路部分、數采電路部分以及網絡通訊部分，數采部分和網絡通訊部分依賴于供電電路部分，供電電路故障往往會導致數采部分不能工作，數據缺測；數采部分故障則可能導致數據缺測、數據錯誤。單純的網絡通訊部分故障，往往不會引起觀測數據異常[15]，除非數采部分與通訊部分是集成在一起的（例如：SZW-2 型數字式溫度計）。實踐中，主機故障往往不能自行恢復，需要人工介入解決，但也有少量的例外。

主機供電部分故障主要是數字式溫度計內部的電源適配器故障，該電源適配器的功能是將220 V的交流電壓轉換成15 V 的直流電壓，供儀器電源板，由電源板轉換成12 V、9 V、5 V 直流電壓供儀器各部件使用。該類故障導致電源適配器后端沒有直流電輸出，儀器主機和傳感器均不能工作，例如：2015年12 月9 日，王3 井水溫因SZW-1A 型數字式溫度計主機內部電源適配器故障無直流電壓輸出，自動轉為電瓶供電（該儀器為交、直流并行供電），后因電瓶電壓過低不再能滿足工作，主機于08：57 自動關機。當日14：30，寶坻臺值班人員遠程檢查儀器運行狀態時發現儀器出現故障，趕赴王3 井現場維修。現場測量電瓶直流電壓低于9 V 且不穩定，拔掉直流電插頭后，儀器前面板指示燈全滅。通過對主機由外到內逐步檢查，發現主機內部電源適配器損壞，無電壓輸出。更換主機內部電源適配器及電瓶，17：04 水溫觀測恢復正常。此類故障的排查過程是：檢查儀器前面板是否有顯示或指示燈閃爍，檢查電瓶電壓是否過低，嘗試更換新電瓶后看主機能否正常工作。如在新電瓶下主機能正常工作，則從交流電電源線、主機外部保險管、內部電源適配器，由外至內逐步檢查，從而排除故障。

主機死機是儀器程序故障，是主機在運行過程中突發故障導致時鐘停止或停止采數，這種故障多是隨機的，但老舊儀器出現的頻次更多些，筆者認為這可能與儀器內部元器件的老化有關。死機故障在張道口-1 井SZW-1A 型數字式溫度計、寧河臺井SZW-1A 型數字式溫度計和高村井SZW-1 型數字式溫度計都出現過。主機死機表現為顯示停滯，導致的結果是觀測數據缺測，這種故障通過人工斷電重啟能有效排除。

主機故障也可能出現時鐘錯誤。例如：2016 年9 月20 日09：32—17：43，高村井水溫（測點B）觀測數據缺測，系SZW-1 型數字式溫度計時鐘紊亂導致。當日14：30，寶坻臺值班人員在對儀器運行狀態的例行檢查時發現高村井水溫（測點B）SZW-1 型數字式溫度計時鐘于當日09：32 發生紊亂，去現場恢復。這種故障的排查往往可以通過查看主機面板的顯示即可，有些儀器的故障可以通過遠程對鐘的方式解決；有些則需要到現場斷電，之后再校對時鐘解決，例如SZW-1 數字式溫度計。時鐘紊亂會導致數據存儲發生錯誤，從而導致數據丟失；另外，若采用斷電重啟方式恢復，也可能會導致之前數據全部丟失，例如SZW-1 型數字式溫度計。

主機部件老化也可能導致數據錯誤，這種錯誤往往是曲線無規則的畸變。例如：2018 年1 月17 日15：17—16：17、17 日17：19—18 日08：44、19 日17：28—20 日09：54，張道口臺張道口-1 井SZW-1A 型數字式溫度計（測點2）觀測數據出現錯誤，經檢查發現主機界面顯示數據不正常，經斷電重啟后，于20 日09：55數據恢復正常，期間錯誤數據預處理剔除（圖1）。這種故障能夠重啟恢復，可能是在斷電后元器件有一個“釋放”的過程。

主機受潮嚴重，也可能引起觀測數據異常，表現為觀測數據曲線頻繁出現突跳。此類事件是歸于觀測系統事件，還是自然環境事件，尚存爭議。筆者認為不宜將此類事件歸于自然環境事件，因為這不屬于自然環境對水溫的影響，而是對主機的影響。排除的方法，天津張道口臺同事有相關的經驗：采用吹風機對主機內部進行加溫，使之干燥。例如：2016 年9 月11 日凌晨，天津地區普降大雨，張道口臺張道口-1 井井房由于年久失修，屋頂漏水嚴重，造成SZW-1A 型數字式溫度計（測點2）主機受潮嚴重，11 日02：00—12 日02：25 水溫觀測數據出現大量錯誤數據，剔除期間錯誤數據（圖2）。9 月12 日清晨，值班人員采取措施，對設備用多層塑料布遮蓋，并對桌面及設備水漬清除，使用吹風機對儀器進行低溫烘干，之后水溫觀測數據恢復正常。

SZW-2 型數字式溫度計采用的是觸摸顯示屏，該顯示屏同時也是工控機，負責運行主程序，采集數據和實現與外部的通訊。該屏板的損壞，將導致數據缺測和通訊故障，是較常見的故障，特別是在夏季。排除的方法是更換該屏板。例如：2016 年7 月10 日23：06—7 月11 日13：24，漢1 井SZW-2 型數字式溫度計（測點編碼2）液晶屏電路板損壞，耗費電流急劇增加，主機運轉不正常，期間數據缺測14.3 小時。7 月11 日，濱海臺值班人員發現儀器網絡不通后，去漢1 井將損壞主機的CF 卡放到備用主機中，設置備機的IP 地址等信息后更換備機，13：25 觀測恢復正常。

主機故障類事件的水溫數據跟蹤分析記錄應當描述清楚以下要素：①數據異常的時間段；②數據異常的類型：缺測、存儲數據丟失或數據錯誤，如果是數據錯誤，必要時可對數據異常的形態作較細致的描述；③排查的過程，要交待主機面板的屏幕顯示、電源指示燈情況以及對保險管、電源適配器、電源板等的檢查過程。有主機替換測試的，也要予以說明；④部件損壞部位的判斷及其機理的描述。如果明確部件損壞原因的，也要一并做出說明；⑤排除故障的方法：是主機替換，還是更換備件，抑或對主機部件干燥處理；⑥錯誤數據的處理依據及結果；⑦其他。例如：水位水溫綜合觀測儀要對水位數據的情況一并說明，并繪制對比曲線直觀顯示。

圖 1 張道口-1 井SZW-1A 數字式溫度計（測點2）主機故障數據跟蹤分析圖Fig. 1 Analysis of main engine failure data of SZW-1A digital thermometer（measuring point 2）in Zhangdaokou-1 well

圖 2 張道口-1 井SZW-1A 數字式溫度計（測點2）主機受潮數據跟蹤分析圖Fig. 2 The data tracking analysis diagram of SZW-1A digital thermometer affected by damp in Well Zhangdaokou-1

2.2 傳感器故障（線路故障）

正如前述，數字式溫度計傳感器（探頭）常見的有石英材料和鉑電阻材料2 種，但這2 種探頭都需要主機供電和將信號傳輸到主機上。傳感器故障實際上包含了傳感器本身故障和傳輸線故障，并且線路故障在實踐中更為普遍，特別是接頭的接觸不良。例如：2014 年9 月23 日13 時—25 日8 時，張道口臺張道口-1 井DRSW-1 型地下流體綜合觀測儀（測點1）水溫數據變化不正常，而同儀器觀測到的水位數據變化正常，現場檢查儀器液晶顯示屏，顯示的水溫數據錯誤，檢查儀器前面板顯示燈正常，測量儀器的交、直流供電電源均在正常范圍，初步判斷為儀器水溫探頭或其探頭線故障所致。25 日8 時經拔插水溫探頭與主機連接的插頭，水溫觀測數據恢復正常，且此后未再出現錯誤數據，判斷此次故障系傳感器接頭接觸不良所致（圖3）。這種故障，水溫觀測數據往往表現突升或突降，頻繁抖動，且無規則，而拔插探頭線是排查工作的必要一步和有效方法。對于水位、水溫綜合觀測儀，水位數據沒有出現異常，單純水溫數據出現異常，首要的是要對水溫探頭線是否接觸不良進行排查。

圖 3 張道口-1 井DRSW-1 地下流體綜合觀測儀（測點1）水溫傳感器故障影響數據跟蹤分析圖Fig. 3 Tracking analysis of water temperature sensor failure of DRSW-1 underground fluid comprehensive observation instrument （measuring point 1） in Zhangdaokou-1 well

傳感器故障類事件的水溫數據跟蹤分析記錄應當描述清楚以下要素：①數據異常的時間段；②數據異常的類型：缺測或數據錯誤，如果是數據錯誤，必要時可對數據異常的形態作較細致的描述；③是傳感器本身損壞，還是傳感器線路故障，要交待清楚；④排查的過程，要交待主機面板的屏幕顯示、電源指示燈情況以及線路檢查的過程；如果是傳感器線路故障，描述故障部位及其原因；如果是傳感器故障，要交待是否雷擊所致或其他可以判斷出的原因；⑤恢復觀測的方法，是更換傳感器，還是接線、拔插插頭；⑥錯誤數據的處理依據及結果。

2.3 避雷系統故障

地球物理觀測是微弱信號的測量，主機中有放大電路。而雷電卻又是強電信號，當雷電引入到儀器主機中，經由放大電路，則可導致主機毀損，因此，作好避雷措施是必須的，特別是信號避雷。儀器的避雷系統包括信號避雷器與接地。目前天津臺網使用的信號避雷器基本是廣州俫信公司生產的專用信號避雷器，這種信號避雷器為專門設計生產，性能較好，但也難免會有質量問題。高村井水溫（測點B）觀測使用的SZW-1 型數字式溫度計在安裝該避雷器不久就出現數據紊亂：2015 年6 月16 日，高村井安裝避雷設備，SZW-1 型數字式溫度計（測點B）安裝的信號避雷器有問題，導致水溫（測點B）6 月16 日11：07、11：15—11：19、11：26—17 日09：54 分鐘值不正常；拆除該儀器信號避雷器后，17 日09：55 恢復正常；聯系廠家，更換了信號避雷器，之后未再出現此類故障（圖4）。避雷器故障導致水溫的異常變化，往往表現為成簇的突跳，也有伴隨臺階變化的，為無效數據。這種故障的排查，往往是通過拆除信號避雷器直接連接傳感器與主機，看是否數據恢復正常。在出現數據異常變化后，如果儀器安裝有信號避雷器，首先要嘗試拆除避雷器。

圖 4 高村井水溫（測點B）受避雷器故障影響數據跟蹤分析圖Fig. 4 Data tracking analysis of Gaocun well water temperature（measuring point B）affected by arrester failure

接地線是將干擾電流引入大地的一種途徑，但實踐中也有可能將不良信號引入到主機中，使主機觀測到的水溫數據出現不正常情況。例如：2016 年4 月18 日08：15—12：37，高村井水溫（測點2）觀測數據曲線出現階變，最大變幅約0.6℃（數值約為89℃和10℃的水溫觀測數據系現場測試產生的錯誤數據）。寶坻臺值班人員到現場排查，檢查儀器主機狀態、傳感器連接線、交直流供電以及信號避雷器等均無問題，在廠家的指導下，斷開主機外殼接地線，水溫數據恢復正常，確認高村井水溫（測點2）觀測數據曲線階變異常系儀器外殼接地所致（圖5）。

圖 5 高村井水溫（測點2）受接地線引入信號影響數據跟蹤分析圖Fig. 5 Data tracking analysis of Gaocun well water temperature（measuring point 2）affected by the signal introduced by grounding wire

避雷故障類事件的水溫數據跟蹤分析記錄應當描述清楚以下要素：①數據異常的時間段；②數據異常的類型：缺測或數據錯誤。如果是數據錯誤，必要時可對數據異常的形態作較細致的描述；③是信號避雷器本身損壞，還是接地線問題，要交待清楚；④排查的過程，要交待主機面板的屏幕顯示、電源指示燈情況以及避雷器和接地線檢查的過程，必要時要說明機理；⑤恢復觀測的方法；⑥錯誤數據的處理依據及結果。

2.4 供電故障

供電故障可以分為完全斷電、交直流切換等情況。完全斷電會導致數據缺測，有時短時完全斷電也會引起時鐘紊亂，導致數據缺測，例如：2014 年9 月26 日，寧河臺所在的大北澗沽村停電改造外線路，寧河井SZW-1A 型數字式溫度計無交流供電，直流電瓶瞬間短路斷電，07：22—10：17 時鐘錯誤，導致數據缺測。

SZW-1 型數字式溫度計是早期生產的儀器，目前全國地震系統已基本淘汰。該類型儀器不能在斷電的情況保存數據，一旦供電中斷，將丟失存儲的所有數據。這種情況在天津臺網也有實例：2017 年8 月13 日00：00—14 日10：16，桑梓井“九五”SZW-1 型數字式溫度計因供電故障導致數據缺測34.28 小時。8 月14 日，薊縣臺值班人員發現桑梓井協議轉換器網絡連接不通后，去現場重啟協議轉換器并更換數字式溫度計直流供電電瓶。在卸下電瓶后，無意中觸碰到數字式溫度計交流供電插頭，插頭接觸不良導致交流供電中斷，造成之前數據丟失，重新加電并設置儀器時鐘后，水溫觀測恢復正常。

2014 年5 月19 日16：22—16：32，寶坻新臺井SZW-1A 型數字式溫度計（測點4）因交直流切換影響產生下降尖峰變化（圖6）。這種尖峰變化，往往發生在恢復交流供電之后，判斷系恢復供電后有浪涌電壓以及儀器為電瓶充電導致。若影響時間較短，在刪除影響數據后作好觀測日志記錄，可以不作數據跟蹤分析。

圖 6 寶坻新臺井水溫（測點4）受交直流切換影響出現尖峰數據跟蹤分析圖Fig. 6 Data tracking analysis of water temperature（measuring point 4）spikes in new Baodi station well due to AC/DC switching

采用交、直流并行供電的部分數字式溫度計在交直流切換后也可能會出現水溫數據曲線畸變的現象。天津臺網中也曾出現過類似問題：數字式溫度計交流電與主機相連，主機與電瓶相連（網絡通訊接口也連接到電瓶上），平時交流電給主機供電，主機電源板轉換成15 V 直流電，同時給網絡通訊接口供電和對電瓶浮充。在交流電斷電后，使用電瓶給主機和網絡通訊接口供電。此后若經歷較長一段時間，在恢復交流供電時，可能會導致水溫數據出現突升變化并且不穩定，數據曲線出現畸變。例如：2018 年6 月11 日10：13—13：43，寶坻新臺井水溫（測點4）觀測數據出現大幅畸變。經核查，當日4：00 時交流電停電，SZW-1A 型數字式溫度使用電瓶供電；10：00 時交流電恢復。不久，水溫數據出現上升畸變（圖7）。此次故障，從時間點上與交流電的恢復供給相對應，且隨著時間的推移自行恢復，除此之外未找到其他原因，故判斷為供電影響。具體原理推斷為：恢復交流電供電后，儀器主機電源板對電瓶充電，因電瓶此前電量耗費較大，此時電瓶的充電電流耗費急劇增加，從而導致水溫數據出現問題。

圖 7 寶坻新臺井水溫（測點4）受交直流切換影響出現畸變數據跟蹤分析圖Fig. 7 Data tracking analysis of distorted water temperature（measuring point 4） in new Baodi station well due to AC/DC switching

供電故障類事件的水溫數據跟蹤分析記錄應當描述清楚以下要素：①數據異常的時間段；②數據異常的類型：缺測、數據錯誤或其他形態。如果是數據錯誤，必要時可對數據異常的形態作較細致的描述。如果是尖峰、曲線畸變，則必須說明數據曲線變化形態、幅度等；③要交待供電方式：交流供電、直流供電、交直流并行供電，如果使用交直流并行供電，要交待直流電瓶的充電方式，是儀器浮充還是外接充電機；④交待清楚是斷電，還是交直流切換或其他供電故障；⑤排查的過程，要交待主機面板的屏幕顯示、電源指示燈情況以及交、直流電源檢查的過程；⑥恢復觀測的方法；⑦異常數據的處理依據及結果。

3 結束語

觀測數據跟蹤分析工作于2010 年起步探索，在全臺網齊力推進下，已逐步步入常態化、規范化的工作階段。數據跟蹤分析工作開展的幾年來，產出了大量的分析記錄，為更好服務于地震預測工作奠定了基礎。通過數據跟蹤分析工作，提升了地震監測一線專業人員的數據分析能力，推動了數字化地球物理臺網海量觀測數據的信息化處理進程，發展了地球物理臺網觀測數據處理與產出能力，適應了數據挖掘、大數據等信息技術創新發展的方向。另一方面，系統挖掘地球物理臺網中直接反映學科現象與演變規律的各種觀測事件記錄，有利于夯實數字化地球物理臺網的基礎處理能力，發揮地球物理臺網的監測效能。

但是，還必須清楚地認識到，目前全臺網數據跟蹤分析的整體水平還較低，產品的成熟度還不能令人滿意，甚至有不少分析記錄是錯誤的、不可用的，數據跟蹤分析的研究大多僅限于概況總結或實例介紹，尚需同仁們繼續摸索、實踐檢驗、深入研討和不斷完善與創新。