陶志剛 樊春燕 樊俊屹 王 曉

（中國北京 100045 中國地震臺網(wǎng)中心）

0 引言

地震地下流體臺網(wǎng)的建立是為地震預(yù)測預(yù)報服務(wù)的，其主要目的是獲取地震地球物理異常信息（車用太等，2006）。地震臺站是地震監(jiān)測預(yù)報工作的基礎(chǔ)，地震地下流體監(jiān)測不僅需要臺站產(chǎn)出連續(xù)、完整、可靠的觀測數(shù)據(jù)，同時還希望觀測到的數(shù)據(jù)序列中包括豐富的地殼活動信息，以使觀測數(shù)據(jù)具有較高的科學(xué)價值，特別是具有較強的地震監(jiān)測意義（劉春國等，2002）。因此，對觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量監(jiān)控非常必要。觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)秀的基本標準是，觀測數(shù)據(jù)能真實反映地下動態(tài)變化，動態(tài)變化背景清晰，具有記錄到地震、構(gòu)造活動或其他地球物理信息的能力（劉春國，2017）。

地震地下流體臺網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控采用年、月、周（日常）3 個時間尺度進行，日常質(zhì)量監(jiān)控是對上一周觀測數(shù)據(jù)的預(yù)處理、觀測日志填寫、數(shù)據(jù)質(zhì)量情況進行檢查，并將篩選出的問題和處理意見以報告和報表的形式發(fā)送給各?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）地震局臺網(wǎng)中心，督促其及時處理相應(yīng)的問題。月質(zhì)量監(jiān)控會重新對問題進行復(fù)核，檢查臺站是否修改，并且進行量化評分。本文對2017—2019 年地震地下流體臺網(wǎng)日常質(zhì)量監(jiān)控中出現(xiàn)的所有典型問題進行總結(jié)與分析，旨在為監(jiān)測人員的數(shù)據(jù)預(yù)處理、觀測日志記錄工作提供參考。

1 地震地下流體臺網(wǎng)概況

日常觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控對象主要為納入地震地下流體臺網(wǎng)中心數(shù)據(jù)庫管理的所有臺站，約491 個，儀器約1 200 套，監(jiān)控測項主要包括水位、水溫及氡、汞、氫、氦測項，采樣率分為日、小時和分鐘。觀測儀器主要分為人工觀測、模擬觀測和數(shù)字化觀測3 大類，水位觀測儀器主要有SWY-2、LN-3A、ZKGD3000 等；水溫觀測儀器主要有SZW系列、ZKGD3000NT 等；氡、汞、氦、氫濃度測項觀測儀器主要有FD-125、SD-3A、RG-BS、ATG-6138M、WGK-1、ATG-6118H 等?？傊?，地下流體觀測儀器種類較多，儀器在網(wǎng)運行時間長短不一。從全國地下流體觀測點的分布情況來看，空間分布明顯不均勻，存在東密西疏的現(xiàn)象，即在我國大陸東部特別是華北、東北、東南地區(qū)與中部地區(qū)分布較密，而在西部的新疆、青海、西藏與北部的內(nèi)蒙古等地區(qū)分布較稀疏（圖1）。

圖1 地震地下流體臺網(wǎng)觀測站點分布Fig.1 Distribution map of underground fluid network stations

2 監(jiān)控流程與方法

地震地下流體臺網(wǎng)日常質(zhì)量監(jiān)控主要包括數(shù)據(jù)匯集、儀器運行、觀測日志、預(yù)處理和觀測質(zhì)量等內(nèi)容，并形成1 個報告和1 個報表，其中，臺網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)控報表包括問題臺項的問題要點描述、問題時段、問題解決辦法或建議等；臺網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)控報告是對流體學(xué)科臺網(wǎng)數(shù)據(jù)匯集、質(zhì)量監(jiān)控情況和儀器運行狀況的總結(jié)。

目前，地下流體臺網(wǎng)日常質(zhì)量監(jiān)控的方式主要為軟件自動化掃描與人工檢查相結(jié)合。學(xué)科組每周通過地震地下流體臺網(wǎng)管理與日常質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)（圖2）對全國地下流體臺網(wǎng)數(shù)據(jù)進行自動掃描，根據(jù)預(yù)設(shè)的檢查指標篩選出錯誤數(shù)據(jù)或異常數(shù)據(jù)的臺站，然后人工檢查復(fù)核這些臺站的預(yù)處理和觀測日志填寫情況。數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控環(huán)節(jié)在保證數(shù)據(jù)的真實性、準確性和可靠性方面起到了至關(guān)重要的作用。

數(shù)據(jù)預(yù)處理要求：數(shù)據(jù)預(yù)處理是在觀測儀器產(chǎn)出的原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行的，包括測項計量單位標準化、測值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及對觀測數(shù)據(jù)中無效數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、人為干擾數(shù)據(jù)、突跳等數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

觀測日志填寫要求：觀測日志主要記錄與數(shù)據(jù)變化密切相關(guān)的觀測事件及其相應(yīng)的預(yù)處理情況；每次數(shù)據(jù)的非正常動態(tài)變化和預(yù)處理操作，都應(yīng)記錄1 條觀測日志。觀測日志是監(jiān)測人員對異常數(shù)據(jù)進行標注的一種方式，是對已知原因造成的數(shù)據(jù)非正常變化的說明。

圖2 地下流體臺網(wǎng)管理與質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面Fig.2 GUI of the underground fluid network management and quality monitoring system

3 監(jiān)控效果分析

從2017—2019 年數(shù)據(jù)日常質(zhì)量監(jiān)控和月、周尺度評價結(jié)果來看（圖3），周尺度的數(shù)據(jù)預(yù)處理問題數(shù)量變化較小，而觀測日志填寫問題數(shù)量呈增加的趨勢；月尺度的觀測日志、預(yù)處理問題的數(shù)量相對變化不大。說明地下流體學(xué)科組在周尺度提出的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，大部分臺站在月尺度評價之前已經(jīng)進行了修改。但是從觀測日志和預(yù)處理評價結(jié)果來看，目前地下流體臺網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控效果沒有明顯的提升。

圖3 2017—2019 年觀測日志和預(yù)處理中的問題數(shù)量（a）月尺度；（b）周尺度Fig.3 Histogram of the number of observation logs and preprocessing problems in 2017—2019

與觀測日志問題相比，數(shù)據(jù)預(yù)處理問題相對較簡單，臺站人員按照《地下流體數(shù)字化觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理辦法》（地下流體學(xué)科組，2015）進行操作，基本上都可以對數(shù)據(jù)進行正確的預(yù)處理，出現(xiàn)的問題大多是由工作責任心不強或業(yè)務(wù)不熟練引起的。

數(shù)據(jù)發(fā)生明顯變化時沒有對應(yīng)觀測日志的問題占比較多。當觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化時，臺站人員需要查明引起數(shù)據(jù)變化的具體原因，并對各個影響因素進行逐一排查，該過程需要一定的工作經(jīng)驗和專業(yè)背景，排查難度較大。近年來，隨著臺站人員輪崗制度的實施與臺站的無人值守化，觀測日志填寫問題逐漸增多。

4 主要問題

4.1 預(yù)處理問題

地下流體數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括原始數(shù)據(jù)、預(yù)處理數(shù)據(jù)和整點值數(shù)據(jù)等。預(yù)處理數(shù)據(jù)是在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上獲得的，而整點值則是在預(yù)處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提取的。如果數(shù)據(jù)預(yù)處理不準確，就會嚴重影響整點值的數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時也會影響地下流體學(xué)科產(chǎn)品產(chǎn)出的質(zhì)量。因此，數(shù)據(jù)預(yù)處理的質(zhì)量決定了學(xué)科產(chǎn)品產(chǎn)出的質(zhì)量。由觀測系統(tǒng)、場地環(huán)境、人為干擾等因素引起的數(shù)據(jù)異常變化均需要進行預(yù)處理操作，數(shù)據(jù)預(yù)處理出現(xiàn)的主要問題包括無效數(shù)據(jù)、突跳數(shù)據(jù)、人為干擾數(shù)據(jù)、臺階問題、儀器更新問題、儀器調(diào)零問題等。

（1）無效數(shù)據(jù)。觀測儀器產(chǎn)出的觀測數(shù)據(jù)都有一個合理的取值范圍，超出該范圍的數(shù)據(jù)被定義為無效數(shù)據(jù)。其主要包括儀器故障數(shù)據(jù)、儀器參數(shù)配置錯誤產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及超儀器量程的數(shù)據(jù)。當儀器產(chǎn)出無效數(shù)據(jù)后，應(yīng)該進行預(yù)處理刪除（圖4）。

圖4 2018 年無效數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)示例（a）無效數(shù)據(jù)；（b）故障數(shù)據(jù)Fig.4 Examples of invalid data and fault data in 2018

（2）突跳數(shù)據(jù)。突跳問題主要包括單點數(shù)據(jù)突跳和短時段的數(shù)據(jù)突跳（圖5），造成數(shù)據(jù)單點突跳的原因主要是儀器不穩(wěn)及電源、電壓不穩(wěn)等。數(shù)據(jù)突跳不是真實的地下流體的觀測數(shù)據(jù)，對于物理量的水位、水溫觀測數(shù)據(jù)分鐘值出現(xiàn)的單點突跳，直接做預(yù)處理刪除即可；對于化學(xué)量觀測的單點突跳數(shù)據(jù)一般不進行處理，若出現(xiàn)嚴重影響正常動態(tài)規(guī)律的數(shù)據(jù)，則按缺數(shù)處理。短時段數(shù)據(jù)突跳的影響因素有很多，若突跳數(shù)據(jù)壓制動態(tài)曲線變化，需預(yù)處理刪除，其他突跳只需在觀測日志中記錄具體原因即可。

圖5 單點數(shù)據(jù)和短時段數(shù)據(jù)的突跳示例（a）單點突跳；（b）短時段突跳Fig.5 Examples of single-point data high value and short-period data high value

（3）人為干擾數(shù)據(jù)。人為干擾數(shù)據(jù)主要指受儀器安裝、調(diào)試、檢修、重啟、標定檢查、裝置系統(tǒng)改造、試驗、取水樣、模擬換紙等人為干擾而產(chǎn)生的觀測數(shù)據(jù)。受人為干擾而產(chǎn)生的觀測數(shù)據(jù)需要進行預(yù)處理刪除，并在日志中記錄原因。例如水溫儀器重啟后，從開始記錄數(shù)據(jù)到恢復(fù)正常的背景值期間會產(chǎn)生1 段不穩(wěn)定數(shù)據(jù)（圖6），應(yīng)對這段不穩(wěn)定數(shù)據(jù)進行預(yù)處理刪除。

圖6 儀器重啟后不穩(wěn)定數(shù)據(jù)未處理示例Fig.6 Example of unstable data after the instrument restarts

（4）臺階問題。臺階問題是觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生了1 個臺階變化，觀測人員對臺階進行的不正當改正導(dǎo)致儀器產(chǎn)出的原始數(shù)據(jù)與預(yù)處理數(shù)據(jù)的曲線變化形態(tài)一致，但是觀測數(shù)據(jù)值永遠相差1 個固定的常數(shù)（圖7）。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因有3 方面：①在預(yù)處理的時候，對碰觸探頭、供電干擾等因素引起的臺階進行了修正，加或減了1 個常數(shù)，這導(dǎo)致后面的原始數(shù)據(jù)與預(yù)處理數(shù)據(jù)一直相差1 個固定常數(shù)；②調(diào)整了水位傳感器的位置而沒有及時修改儀器參數(shù)；③在對儀器進行校測時，因為基準面的位置選取不一致，導(dǎo)致校測值與儀器測值存在1 個固定誤差，為了消除誤差，直接在預(yù)處理數(shù)據(jù)上加或減校測的誤差值。

圖7 原始數(shù)據(jù)與預(yù)處理數(shù)據(jù)差常數(shù)示例Fig.7 The difference constant between the original data and the preprocessed data

以上3 種情況如果處理不當，均會出現(xiàn)差常數(shù)問題。對于地下流體學(xué)科而言，觀測井的基準面位置一旦選定，就不能進行更改。觀測曲線產(chǎn)生的臺階通常是不需要進行臺階改正的，但如果臺階壓制動態(tài)曲線變化特征，可以進行預(yù)處理刪除；如果產(chǎn)生的臺階較小，直接在觀測日志中記錄具體原因即可。由于水位傳感器的投放深度測量不準確，校測調(diào)整參數(shù)造成的臺階可以改正，其他情況下產(chǎn)生的臺階均不用進行改正，但是需要在觀測日志中記錄產(chǎn)生臺階的原因。

（5）儀器更新問題。臺站每年都會對部分老舊儀器進行更新改造，儀器更新前后應(yīng)盡量保持觀測數(shù)據(jù)在同一背景值域內(nèi)，以保證前后數(shù)據(jù)的連續(xù)性，更新前后數(shù)據(jù)變化幅度應(yīng)控制在儀器的觀測精度范圍內(nèi)。水位儀器更新后，需要重新測量傳感器投放深度并及時修改儀器參數(shù)，校測合格后方可觀測。水溫儀器更新后，普遍會出現(xiàn)前后背景值階變現(xiàn)象（圖8）。井水溫觀測是井孔某一深度處溫度隨時間的變化，傳感器的深度一旦選定，就不能隨意更改。若因觀測井堵塞，傳感器無法下放到原深度，則需向?qū)W科組提交申請備案，經(jīng)同意后，方可進行更改。如果與原傳感器投放深度相差較多，應(yīng)新建測點，而不是在原測點上繼續(xù)觀測。水溫儀器更換時，前后背景值域變化應(yīng)控制在0.05℃以內(nèi)。更新后的傳感器應(yīng)投放在原觀測深度，下放傳感器時，要緩慢、勻速，避免傳感器碰撞井壁，傳感器達到預(yù)定深度后，要檢測傳感器線纜是否拉直（防止傳感器被卡在井孔中間）。若更換的儀器為SZW 系列水溫儀，還應(yīng)該提前與廠家聯(lián)系，及時獲取水溫傳感器的5 個參數(shù)并進行修改。

圖8 水溫儀器更換產(chǎn)生階變示例Fig.8 Example of water temperature instrument replacement

（6）調(diào)零問題。地下流體學(xué)科的觀測儀器是不需要進行調(diào)零操作的，但個別臺站監(jiān)測人員會在每年的1 月1 日對地下流體儀器進行調(diào)零操作，將觀測數(shù)據(jù)的起始數(shù)值調(diào)整為從零值開始記錄，產(chǎn)生1 個階變，導(dǎo)致前后觀測數(shù)據(jù)不在同一個背景值域變化。儀器調(diào)零操作只適用于形變學(xué)科的觀測儀器，主要是為了消除儀器年漂移誤差，其他學(xué)科的觀測儀器均不需要進行調(diào)零。

4.2 觀測日志問題

填寫觀測日志是數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控的主要內(nèi)容之一。當臺站監(jiān)測人員發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時，需查明原因，進行跟蹤檢查，并記入觀測日志；數(shù)據(jù)進行預(yù)處理操作后也需填寫觀測日志。臺站觀測日志記錄與觀測數(shù)據(jù)變化密切相關(guān)的所有事件，包括儀器故障、更換儀器、重啟、標定、校測、調(diào)零、時鐘錯誤、工作參數(shù)錯誤、成片壞數(shù)、停電、雷擊、井斷流、探頭擾動、排水管堵塞、氣路故障、井口改造、人為干擾、觀測環(huán)境變化、自然現(xiàn)象（風、雨、雪、洪水等）、地震及其他引起觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅突跳、階變等異常變化的事件。觀測日志是作為觀測數(shù)據(jù)的配套產(chǎn)品對外發(fā)布使用的，是數(shù)據(jù)異常變化的使用“說明書”，對于已知原因及不明原因造成的非正常數(shù)據(jù)變化均需填寫觀測日志。

個別臺站的觀測日志填寫不規(guī)范。觀測日志必須當日按事件逐條記錄，每條記錄包括該事件產(chǎn)生的日期、事件起止時間、事件類型、事件名稱、事件屬性、填寫人員、事件產(chǎn)生原因說明、處理結(jié)果說明等。觀測日志中除了記錄數(shù)據(jù)的變化幅度外，還應(yīng)記錄引起數(shù)據(jù)變化的具體原因。

準確填寫觀測日志需要監(jiān)測人員對本臺站的歷史觀測數(shù)據(jù)有充分的了解，對歷史觀測數(shù)據(jù)的異常變化有充分的認識，同時對臺站周邊監(jiān)測環(huán)境、日常操作規(guī)范、觀測技術(shù)系統(tǒng)、自然環(huán)境等影響因素引起數(shù)據(jù)變化的機理有充分的理解，這樣才能找到具體的異常變化原因。觀測日志是對觀測數(shù)據(jù)異常變化的初步分析，同時也是最可靠的原始資料之一，在觀測數(shù)據(jù)的使用中起到了重要作用。觀測日志填寫質(zhì)量越高，數(shù)據(jù)的利用程度就越高，同時也會減少不明原因事件和異常核實的數(shù)量。

5 問題與討論

影響地下流體臺網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素有很多，并呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，學(xué)科組對于日常質(zhì)量監(jiān)控存在2 個層面上的含義，目前流體學(xué)科組只是在“監(jiān)”的層面上做到了，在“控”的層面上還不到位。日常質(zhì)量監(jiān)控是對臺站數(shù)據(jù)質(zhì)量的監(jiān)控，監(jiān)控流程復(fù)雜，問題反饋時效性不高，數(shù)據(jù)質(zhì)量軟件的監(jiān)控模型不完備，自動化程度不高，對于軟件自動篩選出來的問題還需要人工進行核實。

今后日常質(zhì)量監(jiān)控需要進行扁平化管理，當學(xué)科提出問題后，通過平臺自動將問題發(fā)送至臺站，臺站人員修改后自動反饋給學(xué)科管理平臺，然后學(xué)科進行復(fù)核。

針對日常質(zhì)量監(jiān)控問題，流體學(xué)科正在開發(fā)新的數(shù)據(jù)管理與產(chǎn)品發(fā)布平臺，學(xué)科日常工作逐漸由封閉的半自動化模式轉(zhuǎn)為開放式—半自動化模式。該平臺將面向?qū)W科管理人員、?。ㄊ?、自治區(qū)、直轄市）地震局和臺站監(jiān)測人員，平臺具有日常質(zhì)量監(jiān)控、月度評比、年度評比、儀器管理、環(huán)境干擾監(jiān)測、基礎(chǔ)信息獲取、產(chǎn)品產(chǎn)出等功能。學(xué)科日常工作可全部在平臺上完成，通過完善質(zhì)量監(jiān)控模型，自動、準確篩選問題臺項，臺站和省（市、自治區(qū)、直轄市）地震局人員可以登錄平臺進行審核、解決與反饋。該平臺不僅可以提高學(xué)科日常工作的效率，還可以有針對性地對日常問題較多的臺站給予指導(dǎo)。

6 結(jié)束語

討論了地下流體學(xué)科數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控的主要內(nèi)容、工作方法及其在地震監(jiān)測預(yù)報方面的重要意義?？偨Y(jié)了地下流體數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控在數(shù)據(jù)預(yù)處理、觀測日志填寫方面出現(xiàn)的主要問題及今后的改進措施。日常質(zhì)量監(jiān)控在提升數(shù)據(jù)質(zhì)量方面起到了至關(guān)重要的作用，可確保臺站產(chǎn)出連續(xù)、可靠的觀測數(shù)據(jù)，需要所有地震監(jiān)測人員共同努力來完成。