地震地下流体台网日常质量监控现状分析

2021-04-18陶志刚樊春燕樊俊屹

地震地磁观测与研究 2021年1期

陶志刚樊春燕樊俊屹王晓

（中国北京 100045 中国地震台网中心）

0 引言

地震地下流体台网的建立是为地震预测预报服务的，其主要目的是获取地震地球物理异常信息（车用太等，2006）。地震台站是地震监测预报工作的基础，地震地下流体监测不仅需要台站产出连续、完整、可靠的观测数据，同时还希望观测到的数据序列中包括丰富的地壳活动信息，以使观测数据具有较高的科学价值，特别是具有较强的地震监测意义（刘春国等，2002）。因此，对观测数据进行质量监控非常必要。观测数据质量优秀的基本标准是，观测数据能真实反映地下动态变化，动态变化背景清晰，具有记录到地震、构造活动或其他地球物理信息的能力（刘春国，2017）。

地震地下流体台网数据质量监控采用年、月、周（日常）3 个时间尺度进行，日常质量监控是对上一周观测数据的预处理、观测日志填写、数据质量情况进行检查，并将筛选出的问题和处理意见以报告和报表的形式发送给各省（自治区、直辖市）地震局台网中心，督促其及时处理相应的问题。月质量监控会重新对问题进行复核，检查台站是否修改，并且进行量化评分。本文对2017—2019 年地震地下流体台网日常质量监控中出现的所有典型问题进行总结与分析，旨在为监测人员的数据预处理、观测日志记录工作提供参考。

1 地震地下流体台网概况

日常观测数据质量监控对象主要为纳入地震地下流体台网中心数据库管理的所有台站，约491 个，仪器约1 200 套，监控测项主要包括水位、水温及氡、汞、氢、氦测项，采样率分为日、小时和分钟。观测仪器主要分为人工观测、模拟观测和数字化观测3 大类，水位观测仪器主要有SWY-2、LN-3A、ZKGD3000 等；水温观测仪器主要有SZW系列、ZKGD3000NT 等；氡、汞、氦、氢浓度测项观测仪器主要有FD-125、SD-3A、RG-BS、ATG-6138M、WGK-1、ATG-6118H 等。总之，地下流体观测仪器种类较多，仪器在网运行时间长短不一。从全国地下流体观测点的分布情况来看，空间分布明显不均匀，存在东密西疏的现象，即在我国大陆东部特别是华北、东北、东南地区与中部地区分布较密，而在西部的新疆、青海、西藏与北部的内蒙古等地区分布较稀疏（图1）。

图1 地震地下流体台网观测站点分布Fig.1 Distribution map of underground fluid network stations

2 监控流程与方法

地震地下流体台网日常质量监控主要包括数据汇集、仪器运行、观测日志、预处理和观测质量等内容，并形成1 个报告和1 个报表，其中，台网质量监控报表包括问题台项的问题要点描述、问题时段、问题解决办法或建议等；台网质量监控报告是对流体学科台网数据汇集、质量监控情况和仪器运行状况的总结。

目前，地下流体台网日常质量监控的方式主要为软件自动化扫描与人工检查相结合。学科组每周通过地震地下流体台网管理与日常质量监控系统（图2）对全国地下流体台网数据进行自动扫描，根据预设的检查指标筛选出错误数据或异常数据的台站，然后人工检查复核这些台站的预处理和观测日志填写情况。数据质量监控环节在保证数据的真实性、准确性和可靠性方面起到了至关重要的作用。

数据预处理要求：数据预处理是在观测仪器产出的原始数据基础上进行的，包括测项计量单位标准化、测值数据转换以及对观测数据中无效数据、故障数据、人为干扰数据、突跳等数据的预处理。

观测日志填写要求：观测日志主要记录与数据变化密切相关的观测事件及其相应的预处理情况；每次数据的非正常动态变化和预处理操作，都应记录1 条观测日志。观测日志是监测人员对异常数据进行标注的一种方式，是对已知原因造成的数据非正常变化的说明。

图2 地下流体台网管理与质量监控系统软件界面Fig.2 GUI of the underground fluid network management and quality monitoring system

3 监控效果分析

从2017—2019 年数据日常质量监控和月、周尺度评价结果来看（图3），周尺度的数据预处理问题数量变化较小，而观测日志填写问题数量呈增加的趋势；月尺度的观测日志、预处理问题的数量相对变化不大。说明地下流体学科组在周尺度提出的数据质量问题，大部分台站在月尺度评价之前已经进行了修改。但是从观测日志和预处理评价结果来看，目前地下流体台网数据质量监控效果没有明显的提升。

图3 2017—2019 年观测日志和预处理中的问题数量（a）月尺度；（b）周尺度Fig.3 Histogram of the number of observation logs and preprocessing problems in 2017—2019

与观测日志问题相比，数据预处理问题相对较简单，台站人员按照《地下流体数字化观测数据预处理办法》（地下流体学科组，2015）进行操作，基本上都可以对数据进行正确的预处理，出现的问题大多是由工作责任心不强或业务不熟练引起的。

数据发生明显变化时没有对应观测日志的问题占比较多。当观测数据出现异常变化时，台站人员需要查明引起数据变化的具体原因，并对各个影响因素进行逐一排查，该过程需要一定的工作经验和专业背景，排查难度较大。近年来，随着台站人员轮岗制度的实施与台站的无人值守化，观测日志填写问题逐渐增多。

4 主要问题

4.1 预处理问题

地下流体数据产品包括原始数据、预处理数据和整点值数据等。预处理数据是在原始数据的基础上获得的，而整点值则是在预处理数据的基础上提取的。如果数据预处理不准确，就会严重影响整点值的数据质量，同时也会影响地下流体学科产品产出的质量。因此，数据预处理的质量决定了学科产品产出的质量。由观测系统、场地环境、人为干扰等因素引起的数据异常变化均需要进行预处理操作，数据预处理出现的主要问题包括无效数据、突跳数据、人为干扰数据、台阶问题、仪器更新问题、仪器调零问题等。

（1）无效数据。观测仪器产出的观测数据都有一个合理的取值范围，超出该范围的数据被定义为无效数据。其主要包括仪器故障数据、仪器参数配置错误产生的数据以及超仪器量程的数据。当仪器产出无效数据后，应该进行预处理删除（图4）。

图4 2018 年无效数据和故障数据示例（a）无效数据；（b）故障数据Fig.4 Examples of invalid data and fault data in 2018

（2）突跳数据。突跳问题主要包括单点数据突跳和短时段的数据突跳（图5），造成数据单点突跳的原因主要是仪器不稳及电源、电压不稳等。数据突跳不是真实的地下流体的观测数据，对于物理量的水位、水温观测数据分钟值出现的单点突跳，直接做预处理删除即可；对于化学量观测的单点突跳数据一般不进行处理，若出现严重影响正常动态规律的数据，则按缺数处理。短时段数据突跳的影响因素有很多，若突跳数据压制动态曲线变化，需预处理删除，其他突跳只需在观测日志中记录具体原因即可。

图5 单点数据和短时段数据的突跳示例（a）单点突跳；（b）短时段突跳Fig.5 Examples of single-point data high value and short-period data high value

（3）人为干扰数据。人为干扰数据主要指受仪器安装、调试、检修、重启、标定检查、装置系统改造、试验、取水样、模拟换纸等人为干扰而产生的观测数据。受人为干扰而产生的观测数据需要进行预处理删除，并在日志中记录原因。例如水温仪器重启后，从开始记录数据到恢复正常的背景值期间会产生1 段不稳定数据（图6），应对这段不稳定数据进行预处理删除。

图6 仪器重启后不稳定数据未处理示例Fig.6 Example of unstable data after the instrument restarts

（4）台阶问题。台阶问题是观测数据产生了1 个台阶变化，观测人员对台阶进行的不正当改正导致仪器产出的原始数据与预处理数据的曲线变化形态一致，但是观测数据值永远相差1 个固定的常数（图7）。导致该现象的原因有3 方面：①在预处理的时候，对碰触探头、供电干扰等因素引起的台阶进行了修正，加或减了1 个常数，这导致后面的原始数据与预处理数据一直相差1 个固定常数；②调整了水位传感器的位置而没有及时修改仪器参数；③在对仪器进行校测时，因为基准面的位置选取不一致，导致校测值与仪器测值存在1 个固定误差，为了消除误差，直接在预处理数据上加或减校测的误差值。

图7 原始数据与预处理数据差常数示例Fig.7 The difference constant between the original data and the preprocessed data

以上3 种情况如果处理不当，均会出现差常数问题。对于地下流体学科而言，观测井的基准面位置一旦选定，就不能进行更改。观测曲线产生的台阶通常是不需要进行台阶改正的，但如果台阶压制动态曲线变化特征，可以进行预处理删除；如果产生的台阶较小，直接在观测日志中记录具体原因即可。由于水位传感器的投放深度测量不准确，校测调整参数造成的台阶可以改正，其他情况下产生的台阶均不用进行改正，但是需要在观测日志中记录产生台阶的原因。

（5）仪器更新问题。台站每年都会对部分老旧仪器进行更新改造，仪器更新前后应尽量保持观测数据在同一背景值域内，以保证前后数据的连续性，更新前后数据变化幅度应控制在仪器的观测精度范围内。水位仪器更新后，需要重新测量传感器投放深度并及时修改仪器参数，校测合格后方可观测。水温仪器更新后，普遍会出现前后背景值阶变现象（图8）。井水温观测是井孔某一深度处温度随时间的变化，传感器的深度一旦选定，就不能随意更改。若因观测井堵塞，传感器无法下放到原深度，则需向学科组提交申请备案，经同意后，方可进行更改。如果与原传感器投放深度相差较多，应新建测点，而不是在原测点上继续观测。水温仪器更换时，前后背景值域变化应控制在0.05℃以内。更新后的传感器应投放在原观测深度，下放传感器时，要缓慢、匀速，避免传感器碰撞井壁，传感器达到预定深度后，要检测传感器线缆是否拉直（防止传感器被卡在井孔中间）。若更换的仪器为SZW 系列水温仪，还应该提前与厂家联系，及时获取水温传感器的5 个参数并进行修改。

图8 水温仪器更换产生阶变示例Fig.8 Example of water temperature instrument replacement

（6）调零问题。地下流体学科的观测仪器是不需要进行调零操作的，但个别台站监测人员会在每年的1 月1 日对地下流体仪器进行调零操作，将观测数据的起始数值调整为从零值开始记录，产生1 个阶变，导致前后观测数据不在同一个背景值域变化。仪器调零操作只适用于形变学科的观测仪器，主要是为了消除仪器年漂移误差，其他学科的观测仪器均不需要进行调零。

4.2 观测日志问题

填写观测日志是数据质量监控的主要内容之一。当台站监测人员发现数据异常时，需查明原因，进行跟踪检查，并记入观测日志；数据进行预处理操作后也需填写观测日志。台站观测日志记录与观测数据变化密切相关的所有事件，包括仪器故障、更换仪器、重启、标定、校测、调零、时钟错误、工作参数错误、成片坏数、停电、雷击、井断流、探头扰动、排水管堵塞、气路故障、井口改造、人为干扰、观测环境变化、自然现象（风、雨、雪、洪水等）、地震及其他引起观测数据出现大幅突跳、阶变等异常变化的事件。观测日志是作为观测数据的配套产品对外发布使用的，是数据异常变化的使用“说明书”，对于已知原因及不明原因造成的非正常数据变化均需填写观测日志。

个别台站的观测日志填写不规范。观测日志必须当日按事件逐条记录，每条记录包括该事件产生的日期、事件起止时间、事件类型、事件名称、事件属性、填写人员、事件产生原因说明、处理结果说明等。观测日志中除了记录数据的变化幅度外，还应记录引起数据变化的具体原因。

准确填写观测日志需要监测人员对本台站的历史观测数据有充分的了解，对历史观测数据的异常变化有充分的认识，同时对台站周边监测环境、日常操作规范、观测技术系统、自然环境等影响因素引起数据变化的机理有充分的理解，这样才能找到具体的异常变化原因。观测日志是对观测数据异常变化的初步分析，同时也是最可靠的原始资料之一，在观测数据的使用中起到了重要作用。观测日志填写质量越高，数据的利用程度就越高，同时也会减少不明原因事件和异常核实的数量。

5 问题与讨论

影响地下流体台网数据质量的因素有很多，并呈现逐渐增加的趋势，学科组对于日常质量监控存在2 个层面上的含义，目前流体学科组只是在“监”的层面上做到了，在“控”的层面上还不到位。日常质量监控是对台站数据质量的监控，监控流程复杂，问题反馈时效性不高，数据质量软件的监控模型不完备，自动化程度不高，对于软件自动筛选出来的问题还需要人工进行核实。

今后日常质量监控需要进行扁平化管理，当学科提出问题后，通过平台自动将问题发送至台站，台站人员修改后自动反馈给学科管理平台，然后学科进行复核。

针对日常质量监控问题，流体学科正在开发新的数据管理与产品发布平台，学科日常工作逐渐由封闭的半自动化模式转为开放式—半自动化模式。该平台将面向学科管理人员、省（市、自治区、直辖市）地震局和台站监测人员，平台具有日常质量监控、月度评比、年度评比、仪器管理、环境干扰监测、基础信息获取、产品产出等功能。学科日常工作可全部在平台上完成，通过完善质量监控模型，自动、准确筛选问题台项，台站和省（市、自治区、直辖市）地震局人员可以登录平台进行审核、解决与反馈。该平台不仅可以提高学科日常工作的效率，还可以有针对性地对日常问题较多的台站给予指导。