天津台网水温观测系统事件数据跟踪分析＊

王云泉 龚永俭 王建国 张长轩 刘学领 程立康 吴博洋

（天津市地震局，天津 300201）

引言

地下流体广泛地赋存于地壳岩体的空隙之中，由于具有可自由流动性，成为了地壳动力过程中最活跃的因素。观测地下流体的各种物理、化学动态，一直被作为探索地震预报科学的有希望的途径[1-2]。水温作为地下流体学科的一个重要的物理测项，在大量地震的震前均有突出的异常表现[3-8]，车用太等[4]在对汶川MS8.0 地震的震前异常的研究中发现，地下流体异常几乎达到全部震前异常的46%，而水温异常又约占到流体异常的40%，由此也可见水温在地震预测中的重要性。然而，水温观测数据的质量制约着地震预测的效能[9]，实践中，并非所有的水温异常均揭示了地下介质的应力变化，反映地下热动力学过程，以及预示地震的孕育与发展，大量的水温异常却源于观测系统、自然环境、场地环境、人为干扰和地球物理事件的影响[10-13]。准确判定水温异常的成因，剔除干扰数据，在地震预测工作中尤为重要。观测数据跟踪分析旨在落实中国地震局《关于加强地震监测预报工作的意见》，推进地震监测与预测工作的紧密结合，对地球物理台网的大数据变化进行持续监控和跟踪，对各类非正常的数据变化，通过技术手段，深入挖掘影响因素，对数据受影响的特征及影响因素的关联进行分析，从而服务于地震预测工作[14]。天津流体台网自2013 年12 月开始开展数据跟踪分析工作，截止2020 年5 月，产出了600 余条非正常事件的分析记录，对上述记录的梳理和研究，是推进数据跟踪分析工作的基础和保障。我们在对天津流体台网2013 年12 月—2020 年5 月的水温数据跟踪分析记录进行梳理时发现，观测系统故障类事件在水温观测数据跟踪分析记录中的占比较大，这可能源于水温观测并不像水位观测那样容易受到自然环境和场地环境的影响。水温观测系统事件的排查又较为困难，对该类事件的数据跟踪进行全面分析，其成果更具有指导意义。为此，我们专门对水温观测系统事件的数据跟踪分析进行了研究。

1 天津台网水温观测概述

天津台网水温观测井孔共有10 口，包括：高村井、宝坻新台井、辛庄井、静海井、张道口-1 井、宁河井、汉1 井、桑梓井、王3 井、蓟县台井。各井孔类型不一，有油井、基岩井、土层井、咸水层井、第三系沉积层井；井孔深度也不一，深度85—3 402.81 m不等，跨度较大。在天津区域内，水温观测井孔既有足够的密度，又有各典型层位的井孔，具有一定的监测能力。表1 为各井孔及水温观测使用的仪器、探头投放深度等基础信息（部分测点仪器近年来有更新，更新完成后，原仪器停止观测。表中给出了更新仪器的启用时间）。

表 1 天津台网水温观测井孔和仪器信息一览表Table 1 Information of water temperature observation wells and instruments in Tianjin network

天津台网水温观测使用的数字式温度计（又称为“水温仪” ）分为2 个系列：①中国地震局地壳应力研究所研制生产的SZW 系列，包括：SZW-1 型数字式温度计、SZW-1A 型数字式温度计、DRSW-1 型地热水位综合观测仪和SZW-2 型数字式温度计。该类数字式温度计采用石英晶体传感器（又称为“探头” ），其利用石英谐振器的自振频率随温度变化的特性来检测水温。由于石英晶体高纯度的特性，决定了其具有高Q值，其频率—温度变换关系可以表示为：T＝A0＋A1f＋A2f2＋A3f3＋A4f4……，其中：f为石英谐振器的自振频率，T为石英谐振器的温度，A1、A2、A3、A4……则是随着每个石英温度传感器的个性不同而不同的常数；②北京中科光大自动化有限公司研制生产的ZKGD 系列地下流体自动监测系统。该类仪器有水温观测功能，水温观测采用铂电阻传感器，其利用铂电阻的阻值随温度变化而变化的特性来检测水温。2 个系列的数字式温度计（水温仪）在硬件组成方面均由主机和传感器构成（部分早期产品，例如SZW-1 型数字式温度计、SZW-1A 型数字式温度计、DRSW-1 型地热水位综合观测仪的网络通讯接口独立于主机，通过RS232 串口线与主机相连）。

2 水温观测系统事件实例分析

2013 年12 月—2020 年5 月，天津流体台网水温观测共产出观测系统事件36 条，其中：16 条事件记录由主机故障引起，7 条事件记录由传感器（线路）故障引起，3 条事件记录由避雷故障引起，10 条事件记录由供电故障（包括交、直流切换）引起。各种因素影响的事件在各井孔中没有明显的聚集性反应。

2.1 主机故障

如前所述，水温观测使用的数字式温度计均包括主机和传感器（探头）2 个部分（SZW-1 型数字式温度计、SZW-1A 型数字式温度计和DRSW-1 型地热水位综合观测仪的网络通讯接口独立于主机）。主机负责数据的采集和处理，其内部在功能上可能分成供电电路部分、数采电路部分以及网络通讯部分，数采部分和网络通讯部分依赖于供电电路部分，供电电路故障往往会导致数采部分不能工作，数据缺测；数采部分故障则可能导致数据缺测、数据错误。单纯的网络通讯部分故障，往往不会引起观测数据异常[15]，除非数采部分与通讯部分是集成在一起的（例如：SZW-2 型数字式温度计）。实践中，主机故障往往不能自行恢复，需要人工介入解决，但也有少量的例外。

主机供电部分故障主要是数字式温度计内部的电源适配器故障，该电源适配器的功能是将220 V的交流电压转换成15 V 的直流电压，供仪器电源板，由电源板转换成12 V、9 V、5 V 直流电压供仪器各部件使用。该类故障导致电源适配器后端没有直流电输出，仪器主机和传感器均不能工作，例如：2015年12 月9 日，王3 井水温因SZW-1A 型数字式温度计主机内部电源适配器故障无直流电压输出，自动转为电瓶供电（该仪器为交、直流并行供电），后因电瓶电压过低不再能满足工作，主机于08：57 自动关机。当日14：30，宝坻台值班人员远程检查仪器运行状态时发现仪器出现故障，赶赴王3 井现场维修。现场测量电瓶直流电压低于9 V 且不稳定，拔掉直流电插头后，仪器前面板指示灯全灭。通过对主机由外到内逐步检查，发现主机内部电源适配器损坏，无电压输出。更换主机内部电源适配器及电瓶，17：04 水温观测恢复正常。此类故障的排查过程是：检查仪器前面板是否有显示或指示灯闪烁，检查电瓶电压是否过低，尝试更换新电瓶后看主机能否正常工作。如在新电瓶下主机能正常工作，则从交流电电源线、主机外部保险管、内部电源适配器，由外至内逐步检查，从而排除故障。

主机死机是仪器程序故障，是主机在运行过程中突发故障导致时钟停止或停止采数，这种故障多是随机的，但老旧仪器出现的频次更多些，笔者认为这可能与仪器内部元器件的老化有关。死机故障在张道口-1 井SZW-1A 型数字式温度计、宁河台井SZW-1A 型数字式温度计和高村井SZW-1 型数字式温度计都出现过。主机死机表现为显示停滞，导致的结果是观测数据缺测，这种故障通过人工断电重启能有效排除。

主机故障也可能出现时钟错误。例如：2016 年9 月20 日09：32—17：43，高村井水温（测点B）观测数据缺测，系SZW-1 型数字式温度计时钟紊乱导致。当日14：30，宝坻台值班人员在对仪器运行状态的例行检查时发现高村井水温（测点B）SZW-1 型数字式温度计时钟于当日09：32 发生紊乱，去现场恢复。这种故障的排查往往可以通过查看主机面板的显示即可，有些仪器的故障可以通过远程对钟的方式解决；有些则需要到现场断电，之后再校对时钟解决，例如SZW-1 数字式温度计。时钟紊乱会导致数据存储发生错误，从而导致数据丢失；另外，若采用断电重启方式恢复，也可能会导致之前数据全部丢失，例如SZW-1 型数字式温度计。

主机部件老化也可能导致数据错误，这种错误往往是曲线无规则的畸变。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，张道口台张道口-1 井SZW-1A 型数字式温度计（测点2）观测数据出现错误，经检查发现主机界面显示数据不正常，经断电重启后，于20 日09：55数据恢复正常，期间错误数据预处理剔除（图1）。这种故障能够重启恢复，可能是在断电后元器件有一个“释放”的过程。

主机受潮严重，也可能引起观测数据异常，表现为观测数据曲线频繁出现突跳。此类事件是归于观测系统事件，还是自然环境事件，尚存争议。笔者认为不宜将此类事件归于自然环境事件，因为这不属于自然环境对水温的影响，而是对主机的影响。排除的方法，天津张道口台同事有相关的经验：采用吹风机对主机内部进行加温，使之干燥。例如：2016 年9 月11 日凌晨，天津地区普降大雨，张道口台张道口-1 井井房由于年久失修，屋顶漏水严重，造成SZW-1A 型数字式温度计（测点2）主机受潮严重，11 日02：00—12 日02：25 水温观测数据出现大量错误数据，剔除期间错误数据（图2）。9 月12 日清晨，值班人员采取措施，对设备用多层塑料布遮盖，并对桌面及设备水渍清除，使用吹风机对仪器进行低温烘干，之后水温观测数据恢复正常。

SZW-2 型数字式温度计采用的是触摸显示屏，该显示屏同时也是工控机，负责运行主程序，采集数据和实现与外部的通讯。该屏板的损坏，将导致数据缺测和通讯故障，是较常见的故障，特别是在夏季。排除的方法是更换该屏板。例如：2016 年7 月10 日23：06—7 月11 日13：24，汉1 井SZW-2 型数字式温度计（测点编码2）液晶屏电路板损坏，耗费电流急剧增加，主机运转不正常，期间数据缺测14.3 小时。7 月11 日，滨海台值班人员发现仪器网络不通后，去汉1 井将损坏主机的CF 卡放到备用主机中，设置备机的IP 地址等信息后更换备机，13：25 观测恢复正常。

主机故障类事件的水温数据跟踪分析记录应当描述清楚以下要素：①数据异常的时间段；②数据异常的类型：缺测、存储数据丢失或数据错误，如果是数据错误，必要时可对数据异常的形态作较细致的描述；③排查的过程，要交待主机面板的屏幕显示、电源指示灯情况以及对保险管、电源适配器、电源板等的检查过程。有主机替换测试的，也要予以说明；④部件损坏部位的判断及其机理的描述。如果明确部件损坏原因的，也要一并做出说明；⑤排除故障的方法：是主机替换，还是更换备件，抑或对主机部件干燥处理；⑥错误数据的处理依据及结果；⑦其他。例如：水位水温综合观测仪要对水位数据的情况一并说明，并绘制对比曲线直观显示。

图 1 张道口-1 井SZW-1A 数字式温度计（测点2）主机故障数据跟踪分析图Fig. 1 Analysis of main engine failure data of SZW-1A digital thermometer（measuring point 2）in Zhangdaokou-1 well

图 2 张道口-1 井SZW-1A 数字式温度计（测点2）主机受潮数据跟踪分析图Fig. 2 The data tracking analysis diagram of SZW-1A digital thermometer affected by damp in Well Zhangdaokou-1

2.2 传感器故障（线路故障）

正如前述，数字式温度计传感器（探头）常见的有石英材料和铂电阻材料2 种，但这2 种探头都需要主机供电和将信号传输到主机上。传感器故障实际上包含了传感器本身故障和传输线故障，并且线路故障在实践中更为普遍，特别是接头的接触不良。例如：2014 年9 月23 日13 时—25 日8 时，张道口台张道口-1 井DRSW-1 型地下流体综合观测仪（测点1）水温数据变化不正常，而同仪器观测到的水位数据变化正常，现场检查仪器液晶显示屏，显示的水温数据错误，检查仪器前面板显示灯正常，测量仪器的交、直流供电电源均在正常范围，初步判断为仪器水温探头或其探头线故障所致。25 日8 时经拔插水温探头与主机连接的插头，水温观测数据恢复正常，且此后未再出现错误数据，判断此次故障系传感器接头接触不良所致（图3）。这种故障，水温观测数据往往表现突升或突降，频繁抖动，且无规则，而拔插探头线是排查工作的必要一步和有效方法。对于水位、水温综合观测仪，水位数据没有出现异常，单纯水温数据出现异常，首要的是要对水温探头线是否接触不良进行排查。

图 3 张道口-1 井DRSW-1 地下流体综合观测仪（测点1）水温传感器故障影响数据跟踪分析图Fig. 3 Tracking analysis of water temperature sensor failure of DRSW-1 underground fluid comprehensive observation instrument （measuring point 1） in Zhangdaokou-1 well

传感器故障类事件的水温数据跟踪分析记录应当描述清楚以下要素：①数据异常的时间段；②数据异常的类型：缺测或数据错误，如果是数据错误，必要时可对数据异常的形态作较细致的描述；③是传感器本身损坏，还是传感器线路故障，要交待清楚；④排查的过程，要交待主机面板的屏幕显示、电源指示灯情况以及线路检查的过程；如果是传感器线路故障，描述故障部位及其原因；如果是传感器故障，要交待是否雷击所致或其他可以判断出的原因；⑤恢复观测的方法，是更换传感器，还是接线、拔插插头；⑥错误数据的处理依据及结果。

2.3 避雷系统故障

地球物理观测是微弱信号的测量，主机中有放大电路。而雷电却又是强电信号，当雷电引入到仪器主机中，经由放大电路，则可导致主机毁损，因此，作好避雷措施是必须的，特别是信号避雷。仪器的避雷系统包括信号避雷器与接地。目前天津台网使用的信号避雷器基本是广州俫信公司生产的专用信号避雷器，这种信号避雷器为专门设计生产，性能较好，但也难免会有质量问题。高村井水温（测点B）观测使用的SZW-1 型数字式温度计在安装该避雷器不久就出现数据紊乱：2015 年6 月16 日，高村井安装避雷设备，SZW-1 型数字式温度计（测点B）安装的信号避雷器有问题，导致水温（测点B）6 月16 日11：07、11：15—11：19、11：26—17 日09：54 分钟值不正常；拆除该仪器信号避雷器后，17 日09：55 恢复正常；联系厂家，更换了信号避雷器，之后未再出现此类故障（图4）。避雷器故障导致水温的异常变化，往往表现为成簇的突跳，也有伴随台阶变化的，为无效数据。这种故障的排查，往往是通过拆除信号避雷器直接连接传感器与主机，看是否数据恢复正常。在出现数据异常变化后，如果仪器安装有信号避雷器，首先要尝试拆除避雷器。

图 4 高村井水温（测点B）受避雷器故障影响数据跟踪分析图Fig. 4 Data tracking analysis of Gaocun well water temperature（measuring point B）affected by arrester failure

接地线是将干扰电流引入大地的一种途径，但实践中也有可能将不良信号引入到主机中，使主机观测到的水温数据出现不正常情况。例如：2016 年4 月18 日08：15—12：37，高村井水温（测点2）观测数据曲线出现阶变，最大变幅约0.6℃（数值约为89℃和10℃的水温观测数据系现场测试产生的错误数据）。宝坻台值班人员到现场排查，检查仪器主机状态、传感器连接线、交直流供电以及信号避雷器等均无问题，在厂家的指导下，断开主机外壳接地线，水温数据恢复正常，确认高村井水温（测点2）观测数据曲线阶变异常系仪器外壳接地所致（图5）。

图 5 高村井水温（测点2）受接地线引入信号影响数据跟踪分析图Fig. 5 Data tracking analysis of Gaocun well water temperature（measuring point 2）affected by the signal introduced by grounding wire

避雷故障类事件的水温数据跟踪分析记录应当描述清楚以下要素：①数据异常的时间段；②数据异常的类型：缺测或数据错误。如果是数据错误，必要时可对数据异常的形态作较细致的描述；③是信号避雷器本身损坏，还是接地线问题，要交待清楚；④排查的过程，要交待主机面板的屏幕显示、电源指示灯情况以及避雷器和接地线检查的过程，必要时要说明机理；⑤恢复观测的方法；⑥错误数据的处理依据及结果。

2.4 供电故障

供电故障可以分为完全断电、交直流切换等情况。完全断电会导致数据缺测，有时短时完全断电也会引起时钟紊乱，导致数据缺测，例如：2014 年9 月26 日，宁河台所在的大北涧沽村停电改造外线路，宁河井SZW-1A 型数字式温度计无交流供电，直流电瓶瞬间短路断电，07：22—10：17 时钟错误，导致数据缺测。

SZW-1 型数字式温度计是早期生产的仪器，目前全国地震系统已基本淘汰。该类型仪器不能在断电的情况保存数据，一旦供电中断，将丢失存储的所有数据。这种情况在天津台网也有实例：2017 年8 月13 日00：00—14 日10：16，桑梓井“九五”SZW-1 型数字式温度计因供电故障导致数据缺测34.28 小时。8 月14 日，蓟县台值班人员发现桑梓井协议转换器网络连接不通后，去现场重启协议转换器并更换数字式温度计直流供电电瓶。在卸下电瓶后，无意中触碰到数字式温度计交流供电插头，插头接触不良导致交流供电中断，造成之前数据丢失，重新加电并设置仪器时钟后，水温观测恢复正常。

2014 年5 月19 日16：22—16：32，宝坻新台井SZW-1A 型数字式温度计（测点4）因交直流切换影响产生下降尖峰变化（图6）。这种尖峰变化，往往发生在恢复交流供电之后，判断系恢复供电后有浪涌电压以及仪器为电瓶充电导致。若影响时间较短，在删除影响数据后作好观测日志记录，可以不作数据跟踪分析。

图 6 宝坻新台井水温（测点4）受交直流切换影响出现尖峰数据跟踪分析图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、直流并行供电的部分数字式温度计在交直流切换后也可能会出现水温数据曲线畸变的现象。天津台网中也曾出现过类似问题：数字式温度计交流电与主机相连，主机与电瓶相连（网络通讯接口也连接到电瓶上），平时交流电给主机供电，主机电源板转换成15 V 直流电，同时给网络通讯接口供电和对电瓶浮充。在交流电断电后，使用电瓶给主机和网络通讯接口供电。此后若经历较长一段时间，在恢复交流供电时，可能会导致水温数据出现突升变化并且不稳定，数据曲线出现畸变。例如：2018 年6 月11 日10：13—13：43，宝坻新台井水温（测点4）观测数据出现大幅畸变。经核查，当日4：00 时交流电停电，SZW-1A 型数字式温度使用电瓶供电；10：00 时交流电恢复。不久，水温数据出现上升畸变（图7）。此次故障，从时间点上与交流电的恢复供给相对应，且随着时间的推移自行恢复，除此之外未找到其他原因，故判断为供电影响。具体原理推断为：恢复交流电供电后，仪器主机电源板对电瓶充电，因电瓶此前电量耗费较大，此时电瓶的充电电流耗费急剧增加，从而导致水温数据出现问题。

图 7 宝坻新台井水温（测点4）受交直流切换影响出现畸变数据跟踪分析图Fig. 7 Data tracking analysis of distorted water temperature（measuring point 4） in new Baodi station well due to AC/DC switching

供电故障类事件的水温数据跟踪分析记录应当描述清楚以下要素：①数据异常的时间段；②数据异常的类型：缺测、数据错误或其他形态。如果是数据错误，必要时可对数据异常的形态作较细致的描述。如果是尖峰、曲线畸变，则必须说明数据曲线变化形态、幅度等；③要交待供电方式：交流供电、直流供电、交直流并行供电，如果使用交直流并行供电，要交待直流电瓶的充电方式，是仪器浮充还是外接充电机；④交待清楚是断电，还是交直流切换或其他供电故障；⑤排查的过程，要交待主机面板的屏幕显示、电源指示灯情况以及交、直流电源检查的过程；⑥恢复观测的方法；⑦异常数据的处理依据及结果。

3 结束语

观测数据跟踪分析工作于2010 年起步探索，在全台网齐力推进下，已逐步步入常态化、规范化的工作阶段。数据跟踪分析工作开展的几年来，产出了大量的分析记录，为更好服务于地震预测工作奠定了基础。通过数据跟踪分析工作，提升了地震监测一线专业人员的数据分析能力，推动了数字化地球物理台网海量观测数据的信息化处理进程，发展了地球物理台网观测数据处理与产出能力，适应了数据挖掘、大数据等信息技术创新发展的方向。另一方面，系统挖掘地球物理台网中直接反映学科现象与演变规律的各种观测事件记录，有利于夯实数字化地球物理台网的基础处理能力，发挥地球物理台网的监测效能。

但是，还必须清楚地认识到，目前全台网数据跟踪分析的整体水平还较低，产品的成熟度还不能令人满意，甚至有不少分析记录是错误的、不可用的，数据跟踪分析的研究大多仅限于概况总结或实例介绍，尚需同仁们继续摸索、实践检验、深入研讨和不断完善与创新。