地下流體臺網(天津)基礎資料綜合管理系統研制與應用

王建國, 劉春國, 張 彬, 高小其, 劉耀煒

(1. 天津市地震局, 天津 300201; 2. 中國地震臺網中心, 北京 100045;3. 中國地震局地殼應力研究所, 北京 100085)

0 引言

近年來,中國地震局先后印發了《地震前兆臺網產品產出技術要求(試行)》(1)中國地震局監測預報司.地震前兆臺網產品產出技術要求(試行),2015.《電磁、地下流體、地殼形變學科觀測資料質量評比辦法(修訂)》(2)中國地震局監測預報司.電磁、地下流體、地殼形變學科觀測資料質量評比辦法(修訂),2015.《地殼形變、電磁、地下流體臺網運行管理辦法(修訂)》(3)中國地震局監測預報司.地殼形變、電磁、地下流體臺網運行管理辦法(修訂),2015.《觀測井水位校測與水溫梯度測量要求(試行)》(4)中國地震臺網中心.觀測井水位校測與水溫梯度測量要求(試行),2016.,進一步規范地殼形變、電磁、地下流體臺網系統運維、數據管理、質量控制、產品產出等各環節的核心內容和要求,提升臺網運行管理水平。地下流體學科觀測資料質量評比辦法新增了基礎資料、數據跟蹤分析、觀測年報等評比內容,修訂了內在質量、數據有效率的計算方法等。按照新的規范要求,亟待研制一系列的軟件模塊以適應新的業務需求,這是確保臺網運行管理標準化和自動化不可缺少的重要措施[1-2]。

為此,在中國地震局監測預報司和地下流體學科技術管理組的支持下,研制了地下流體臺網基礎資料綜合管理系統,包括基礎信息質量檢查、地球化學背景調查、水位檢查與校測、參評清單與申報、臺站變更與停測、學科質量評估問題反饋等項功能。該系統適用于地下流體臺站、省級地下流體臺網中心,以及國家地下流體臺網中心的基礎資料質量控制與應用服務工作,提升了地下流體臺網基礎資料綜合管理能力與效率,為做好資料收集與歸檔、儀器運維、跟蹤分析、異常核實、產品產出服務等提供技術支撐,為監測、預報、科研打下良好基礎[3-7]。

1 系統設計

該系統采用C#編程語言開發,C/S架構,通過人機交互的圖形界面實現基礎資料的入庫管理、檢查分析與產出應用功能,數據存儲為Oracle數據庫,功能框架圖如下所示[8-9]。

圖1 系統功能框架圖Fig.1 System functional framework

在Oracle數據庫qzprocess方案下,創建了系統相關表7張(表1)。

表1 系統創建信息表Table 1 Information table created by the system

1.1 基礎信息質量檢查

地下流體臺網涉及的臺站信息、儀器信息、測點信息、井信息、井泉測項、構造信息等基礎信息已經存儲在“十五”Oracle前兆數據庫中,是預報研究工作不可或缺的基礎資料,必須確保錄入信息的完整性、準確性。自動逐項檢查錄入信息的完整性,未填寫項提示“無”,已填寫項提示“有”,輸出到Excel中,快速定位漏填項;建立“分省范圍.ini”文件,根據錄入數據庫中的臺站測點經緯度,自動判斷是否落在本省范圍內,便于修改錯誤經緯度;自動產出這些基礎信息到Excel報表、Word報告之中,形成電子版文件,便于臺網基礎資料質量檢查與歸檔管理。

“分省范圍.ini”文件四列數據分別為省名、經緯度范圍(Xmin/Xmax/Ymin/Ymax)、格網密度(單位°)、比例尺(單位km),如下所示:

北京 115.2/117.8/39.3/41.2 0.5 100

天津 116.5/118.3/38.5/40.3 0.5 100

………………………………………………

河北 113.3/120.0/36.0/42.7 1.0 200

1.2 地球化學背景調查

在地震發生前、發生時和發生后一般會出現流體地球化學異常[10-12]。目前這些地球化學背景信息還未建立統一的入庫管理、數據分析和共享服務機制,不利于異常核實、震情跟蹤、科學研究工作的開展。為此研究地球化學背景調查信息存儲結構設計方案,創建地球化學背景調查表Geochemistry,實現水樣pH值、電導率、離子組分、氫氧同位素、離子當量濃度、離子當量百分比含量、礦化度、水樣測定單位等背景信息的入庫管理與產出,自動計算鈉離子、鉀離子、鎂離子、鈣離子、氯離子、硫酸根離子、碳酸根離子、重碳酸根離子共計8個主要離子組分的水樣礦化度、離子當量濃度、離子當量百分比含量,采用舒卡列夫分類方法自動分析水化學類型等[13-15]。

(1) 礦化度(mg/L)=鈉離子濃度+鉀離子濃度+鎂離子濃度+鈣離子濃度+氯離子濃度+硫酸根離子濃度+碳酸根離子濃度+重碳酸根離子濃度

(2) 離子當量濃度(meq/L)=離子價*(質量濃度/溶質分子量)

① 鈉離子當量濃度=1*鈉離子濃度/23

② 鉀離子當量濃度=1*鉀離子濃度/39

③ 鎂離子當量濃度=2*鎂離子濃度/24

④ 鈣離子當量濃度=2*鈣離子濃度/40

⑤ 氯離子當量濃度=1*氯離子濃度/35.5

⑥ 硫酸根離子當量濃度=2*硫酸根離子當量濃度/96

⑦ 碳酸根離子當量濃度=2*碳酸根離子濃度/60

⑧ 重碳酸根離子當量濃度=1*重碳酸根離子濃度/61

(3) 離子當量百分比含量(%)

陽離子:鈉(鉀、鎂、鈣)離子當量百分比含量=100*鈉(鉀、鎂、鈣)離子當量濃度 /(鈉離子當量濃度+鉀離子當量濃度+鎂離子當量濃度+鈣離子當量濃度)

陰離子:氯(硫酸根、碳酸根、重碳酸根)離子當量百分比含量=100*氯(硫酸根、碳酸根、重碳酸根)離子當量濃度 /(氯離子當量濃度+硫酸根離子當量濃度+碳酸根離子當量濃度+重碳酸根離子當量濃度)

(4) 水化學類型

當重碳酸根離子、氯離子、硫酸根離子、鈉離子、鉀離子、鎂離子的當量百分比含量≥25%,參與命名。

(5) 表結構設計(表2)

表2 地球化學背景調查信息表結構設計Table 2 Structure design of geochemical background survey information table

1.3 水位傳感器檢查

創建水位傳感器檢查表Water Level Sensor Depth,存儲臺站測點水位傳感器調整日期、投放深度(與儀器中設置值一致)、基準面差等,實現水位傳感器臨界檢查報警。當水位傳感器量程為0～10 m(中科光大為0～50 m),水柱高度值(水位傳感器至水面的距離)=水位傳感器投放深度-水位埋深值≤1 m或≥9 m(中科光大為49 m)臨界報警。

1.4 水位校測記錄

(1) 校測值誤差

當|σ1|<水位校測值平均誤差閾值(表3),表明校測值誤差符合要求④。

表3 水位校測值平均誤差表Table 3 Table of average error of water level calibration

σ1為水位校測值平均誤差:

σ2為儀器顯示水位值平均誤差:

(2) 計算觀測誤差值ΔH′

(3) 計算觀測誤差判定值ΔH

ΔH=Δh+|σ1|+|σ2|

式中:Δh為儀器最大允許誤差,Δh=0.2%水柱高度平均值+0.02。

(4) 校測結論

當|ΔH′|<ΔH,儀器符合水位觀測技術要求,可以繼續觀測;否則需要送廠家重新標定。

1.5 參評臺項清單

創建參評臺項清單表AppraisalList,實現流體臺網參評臺項清單信息的入庫、查詢與產出。參評臺項清單表包括省局名稱、臺站名稱、臺站代碼、臺站性質、臺站負責人、聯系電話、測點名稱、測點經度、測點緯度、測點高程、井泉類型、有無泄流、是否給國家中心報數,水位、水溫、氣氡、水氡、氣汞、水汞、氫氣、氦氣等測項應參評、參評等字段,主鍵為臺站代碼。臺站性質為國家臺、區域臺或市縣臺,井泉類型為自流井、非自流井或泉,在“應參評”及“參評”相應欄目填上測項數。

1.6 參評臺項申報

創建參評臺項申報表AppraisalItem,實現流體臺網參評臺項申報信息的入庫、查詢與產出。參評臺項申報表包括參評年度、參評測項、臺站代碼、臺站名稱、完成單位全稱、通訊地址及郵編、負責人及聯系電話、主要參加人員、收件人、電子郵箱等字段,主鍵為參評年度、參評測項、臺站代碼、完成單位全稱。

1.7 臺站變更與停測

創建臺站變更與停測表Archive Management,實現臺站變更與停測的公文函件、學科意見的入庫、查詢與下載。臺站變更與停測表包括上傳時間、單位名稱、單位代碼、文件類型、文件名稱、文件內容、備注等字段,主鍵為單位名稱、單位代碼、文件類型、文件名稱,文件類型為公文函件、學科意見兩種。

1.8 質量評估問題反饋

創建學科質量評估問題反饋表Appraisal Question,實現年度質量評估反饋問題的入庫、查詢與產出。學科質量評估問題反饋表結構如表4所列。

表4 學科質量評估問題反饋表結構設計Table 4 Structure design of feedback table for subject quality evaluation

2 功能實現

2.1 基礎信息質量檢查

(1) 自動產出基礎信息錄入完整性和準確性檢查結果Excel報表。例如:自動檢查臺站信息表QZ_DICT_STATIONS,已填寫項標記為“有”,未填寫項標記為“無”并加粗標紅;天津經緯度范圍116.5°～118.3°、38.5°～40.3°,當臺站經度<116.5°或>118.3°、臺站緯度<38.5°或>40.3°標記為“錯”字并加粗標紅。如表5，當徐莊子臺(12011)經度錄入72°、緯度錄入15°提示“錯”,無臺站平面分布圖、測點分布圖、臺站建設報告提示“無”。

表5 臺站信息表檢查結果Table 5 Check result of station information table

(2) 自動產出臺站儀器測點信息、井信息Word報告,目錄結構見圖2。

圖2 臺站儀器測點信息、井信息文檔結構圖Fig.2 Document structure diagram of information of station instruments, measuring points, and wells

2.2 地球化學背景調查

具有添加、刪除、保存、計算分析、導出(到Excel)、幫助等功能。中國地震臺網中心2018年牽頭開展的地球化學普查工作完成了天津9口井水樣化驗,這些井孔水質和氫氧同位素測定結果已全部入庫,分析結果見表6。

表6 地球化學背景調查表部分入庫數據Table 6 Partial warehousing data of geochemical background questionnaire

2.3 水位傳感器檢查

具有添加、刪除、保存、檢查、導出(到Excel)、幫助等功能;鼠標點擊左側“水位傳感器檢查”表任意一條記錄,在右側“水位校測記錄”表顯示當前臺站測點的水位校測數據,實現了兩者之間的聯動。天津18口井19個測點水位傳感器調整日期、投放深度、基準面差等信息已入庫,并應用于日常水位傳感器臨界檢查中(表7)。

表7 水位傳感器檢查表Table 7 Check list of water level sensor

2.4 水位校測記錄

具有添加、刪除、保存、導出(到Excel)、打印(水位校測記錄表)、幫助等功能。天津18口井19個測點水位校測記錄已入庫,此外在四川省地震局、福建省地震局推廣應用。

圖3 張道口臺DRSW-1地熱水位綜合觀測儀 傳感器臨界檢查正常Fig.3 The critical check of the sensor of DRSW-1 geo- thermal water level observation instrument at Zhangdaokou station is normal

(1) 錄入檢查。包括校測開始時間、校測結束時間未錄入提示;校測結束時間-校測開始時間<5分鐘提示;|校測值的一階差分值|>0.005 m提示;|儀器水位值-數據庫中存儲水位值|>0.005 m提示;校測人、校核人為同一人提示。

(2) 打印報表。下面Excel表,藍色內容是根據錄入界面選擇的臺站測點自動填充到相應位置,紅色內容為自動計算結果。

校測值誤差|σ1|=0.000 3<0.010 m-校測值誤差符合要求,公式如下:

=CONCATENATE(TEXT(I5,"0.0000"),IF(I50,H5<=10),"0.005",IF(AND(H5>10,H5<=30),"0.010",IF(AND(H5>30,H5<=60),"0.015",IF(H5>60,"0.020",""))))," <"," >="))+CONCATENATE(IF(AND(H5>0,H5<=10),"0.005",IF(AND(H5>10,H5<=30),"0.010",IF(AND(H5>30,H5<=60),"0.015",IF(H5>60,"0.020","")))),"m-校測值誤差",IF(I50,H5<=10),"0.005",IF(AND(H5>10,H5<=30),"0.010",IF(AND(H5>30,H5<=60),"0.015",IF(H5>60,"0.020","")))),"","不"),"符合要求")

觀測誤差值ΔH′=27.686 2-27.676 3=0.009 9 m,公式如下:

=CONCATENATE("=",TEXT(H5,"0.0000")," - ",TEXT(H7,"0.0000"),"=",TEXT(ROUND(H5-H7,4),"0.0000"),"m")

觀測誤差判定值ΔH=0.028 7 m,公式如下:

=CONCATENATE("ΔH=",TEXT(ROUND(0.2%*H6+0.02,4),"0.0000"),"+",TEXT(I5,"0.0000"),"+",TEXT(I7,"0.0000"),"=",TEXT(ROUND(0.2%*H6+0.02,4)+I5+I7,"0.0000"),"m")

2.5 參評臺項清單

具有添加、刪除、保存、導出到Excel、幫助等功能,見圖5。點擊“+”圖標,默認將FluidAppraisal.xls文件“參評臺項清單”Sheet表內容導入左側表中,點擊“磁盤”圖標保存到數據庫。

圖4 水位校測記錄表Fig.4 Water level calibration log

2.6 參評臺項申報

具有添加、刪除、保存、導出(到Excel)、幫助等功能,見圖5。點擊“+”圖標,默認將FluidAppraisal.xls文件“參評臺項申報”Sheet表內容導入右側表中,點擊“磁盤”圖標保存到數據庫。

圖5 參評臺項清單與申報界面Fig.5 Item list and declaration interface

2.7 臺站變更與停測

具有添加、刪除、保存、下載(下載到桌面并自動打開文件)、導出(到Excel)、幫助等功能,見圖6。 點擊“+”圖標新添記錄→依次選擇變更與停測“所屬區域、文件類型(包括公文函件、學科意見)、文件名稱”→自動入庫保存,點擊“↓”圖標下載記錄→自動下載當前行已入庫文件到桌面→自動打開文件。

圖6 臺站變更與停測界面Fig.6 Station change and stop-test interface

2.8 質量評估問題反饋

具有添加、刪除、保存、導出(到Excel)、幫助等功能,見圖7。依次選擇參評年度、測項、區域、臺點,點擊“+”圖標新添記錄,當前選項“質量評估內容”逐條自動添加到表格中,再手工錄入反饋問題。點擊按鈕“質量評估內容”,打開FluidAppraisal.xls文件“質量評估內容”Sheet表,修改水位、水溫、水氡、水汞、氣氡、氣汞、氣氫、氣氦的評估內容,見表8。

表8 測項質量評估內容Table 8 Content of quality evaluation of test item

圖7 測項質量評估問題反饋界面Fig.7 Feedback interface for item quality assessment

3 結語

該系統V1.0版獲計算機軟件著作權1項(軟著登字第5052275號),在天津市地震局監測預報中心和8個有人值守臺站推廣應用,部分功能模塊已在四川省地震局、福建省地震局試用,取得了較好地應用示范效果,初步達到了地下流體臺站(網)基礎信息管理的功能設計要求。下一步還需按照中國地震局地下流體學科技術管理組的要求,新增“水溫觀測投放深度及溫度梯度,氡氣K值、氡氣源活度、測氡儀標定與檢查,以及汞氣和氦氣檢查與標定”等系統功能模塊,不斷提高系統完備性、可靠性、易用性,以便在全國推廣應用。

致謝:在系統研制過程中,得到了天津市地震局龔永儉、四川省地震局趙德楊和福建省地震局張清秀的技術指導與幫助,在此一并感謝！