地下流体台网(天津)基础资料综合管理系统研制与应用

王建国, 刘春国, 张 彬, 高小其, 刘耀炜

(1. 天津市地震局, 天津 300201; 2. 中国地震台网中心, 北京 100045;3. 中国地震局地壳应力研究所, 北京 100085)

0 引言

近年来,中国地震局先后印发了《地震前兆台网产品产出技术要求(试行)》(1)中国地震局监测预报司.地震前兆台网产品产出技术要求(试行),2015.《电磁、地下流体、地壳形变学科观测资料质量评比办法(修订)》(2)中国地震局监测预报司.电磁、地下流体、地壳形变学科观测资料质量评比办法(修订),2015.《地壳形变、电磁、地下流体台网运行管理办法(修订)》(3)中国地震局监测预报司.地壳形变、电磁、地下流体台网运行管理办法(修订),2015.《观测井水位校测与水温梯度测量要求(试行)》(4)中国地震台网中心.观测井水位校测与水温梯度测量要求(试行),2016.,进一步规范地壳形变、电磁、地下流体台网系统运维、数据管理、质量控制、产品产出等各环节的核心内容和要求,提升台网运行管理水平。地下流体学科观测资料质量评比办法新增了基础资料、数据跟踪分析、观测年报等评比内容,修订了内在质量、数据有效率的计算方法等。按照新的规范要求,亟待研制一系列的软件模块以适应新的业务需求,这是确保台网运行管理标准化和自动化不可缺少的重要措施[1-2]。

为此,在中国地震局监测预报司和地下流体学科技术管理组的支持下,研制了地下流体台网基础资料综合管理系统,包括基础信息质量检查、地球化学背景调查、水位检查与校测、参评清单与申报、台站变更与停测、学科质量评估问题反馈等项功能。该系统适用于地下流体台站、省级地下流体台网中心,以及国家地下流体台网中心的基础资料质量控制与应用服务工作,提升了地下流体台网基础资料综合管理能力与效率,为做好资料收集与归档、仪器运维、跟踪分析、异常核实、产品产出服务等提供技术支撑,为监测、预报、科研打下良好基础[3-7]。

1 系统设计

该系统采用C#编程语言开发,C/S架构,通过人机交互的图形界面实现基础资料的入库管理、检查分析与产出应用功能,数据存储为Oracle数据库,功能框架图如下所示[8-9]。

图1 系统功能框架图Fig.1 System functional framework

在Oracle数据库qzprocess方案下,创建了系统相关表7张(表1)。

表1 系统创建信息表Table 1 Information table created by the system

1.1 基础信息质量检查

地下流体台网涉及的台站信息、仪器信息、测点信息、井信息、井泉测项、构造信息等基础信息已经存储在“十五”Oracle前兆数据库中,是预报研究工作不可或缺的基础资料,必须确保录入信息的完整性、准确性。自动逐项检查录入信息的完整性,未填写项提示“无”,已填写项提示“有”,输出到Excel中,快速定位漏填项;建立“分省范围.ini”文件,根据录入数据库中的台站测点经纬度,自动判断是否落在本省范围内,便于修改错误经纬度;自动产出这些基础信息到Excel报表、Word报告之中,形成电子版文件,便于台网基础资料质量检查与归档管理。

“分省范围.ini”文件四列数据分别为省名、经纬度范围(Xmin/Xmax/Ymin/Ymax)、格网密度(单位°)、比例尺(单位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 地球化学背景调查

在地震发生前、发生时和发生后一般会出现流体地球化学异常[10-12]。目前这些地球化学背景信息还未建立统一的入库管理、数据分析和共享服务机制,不利于异常核实、震情跟踪、科学研究工作的开展。为此研究地球化学背景调查信息存储结构设计方案,创建地球化学背景调查表Geochemistry,实现水样pH值、电导率、离子组分、氢氧同位素、离子当量浓度、离子当量百分比含量、矿化度、水样测定单位等背景信息的入库管理与产出,自动计算钠离子、钾离子、镁离子、钙离子、氯离子、硫酸根离子、碳酸根离子、重碳酸根离子共计8个主要离子组分的水样矿化度、离子当量浓度、离子当量百分比含量,采用舒卡列夫分类方法自动分析水化学类型等[13-15]。

(1) 矿化度(mg/L)=钠离子浓度+钾离子浓度+镁离子浓度+钙离子浓度+氯离子浓度+硫酸根离子浓度+碳酸根离子浓度+重碳酸根离子浓度

(2) 离子当量浓度(meq/L)=离子价*(质量浓度/溶质分子量)

① 钠离子当量浓度=1*钠离子浓度/23

② 钾离子当量浓度=1*钾离子浓度/39

③ 镁离子当量浓度=2*镁离子浓度/24

④ 钙离子当量浓度=2*钙离子浓度/40

⑤ 氯离子当量浓度=1*氯离子浓度/35.5

⑥ 硫酸根离子当量浓度=2*硫酸根离子当量浓度/96

⑦ 碳酸根离子当量浓度=2*碳酸根离子浓度/60

⑧ 重碳酸根离子当量浓度=1*重碳酸根离子浓度/61

(3) 离子当量百分比含量(%)

阳离子:钠(钾、镁、钙)离子当量百分比含量=100*钠(钾、镁、钙)离子当量浓度 /(钠离子当量浓度+钾离子当量浓度+镁离子当量浓度+钙离子当量浓度)

阴离子:氯(硫酸根、碳酸根、重碳酸根)离子当量百分比含量=100*氯(硫酸根、碳酸根、重碳酸根)离子当量浓度 /(氯离子当量浓度+硫酸根离子当量浓度+碳酸根离子当量浓度+重碳酸根离子当量浓度)

(4) 水化学类型

当重碳酸根离子、氯离子、硫酸根离子、钠离子、钾离子、镁离子的当量百分比含量≥25%,参与命名。

(5) 表结构设计(表2)

表2 地球化学背景调查信息表结构设计Table 2 Structure design of geochemical background survey information table

1.3 水位传感器检查

创建水位传感器检查表Water Level Sensor Depth,存储台站测点水位传感器调整日期、投放深度(与仪器中设置值一致)、基准面差等,实现水位传感器临界检查报警。当水位传感器量程为0～10 m(中科光大为0～50 m),水柱高度值(水位传感器至水面的距离)=水位传感器投放深度-水位埋深值≤1 m或≥9 m(中科光大为49 m)临界报警。

1.4 水位校测记录

(1) 校测值误差

当|σ1|<水位校测值平均误差阈值(表3),表明校测值误差符合要求④。

表3 水位校测值平均误差表Table 3 Table of average error of water level calibration

σ1为水位校测值平均误差:

σ2为仪器显示水位值平均误差:

(2) 计算观测误差值ΔH′

(3) 计算观测误差判定值ΔH

ΔH=Δh+|σ1|+|σ2|

式中:Δh为仪器最大允许误差,Δh=0.2%水柱高度平均值+0.02。

(4) 校测结论

当|ΔH′|<ΔH,仪器符合水位观测技术要求,可以继续观测;否则需要送厂家重新标定。

1.5 参评台项清单

创建参评台项清单表AppraisalList,实现流体台网参评台项清单信息的入库、查询与产出。参评台项清单表包括省局名称、台站名称、台站代码、台站性质、台站负责人、联系电话、测点名称、测点经度、测点纬度、测点高程、井泉类型、有无泄流、是否给国家中心报数,水位、水温、气氡、水氡、气汞、水汞、氢气、氦气等测项应参评、参评等字段,主键为台站代码。台站性质为国家台、区域台或市县台,井泉类型为自流井、非自流井或泉,在“应参评”及“参评”相应栏目填上测项数。

1.6 参评台项申报

创建参评台项申报表AppraisalItem,实现流体台网参评台项申报信息的入库、查询与产出。参评台项申报表包括参评年度、参评测项、台站代码、台站名称、完成单位全称、通讯地址及邮编、负责人及联系电话、主要参加人员、收件人、电子邮箱等字段,主键为参评年度、参评测项、台站代码、完成单位全称。

1.7 台站变更与停测

创建台站变更与停测表Archive Management,实现台站变更与停测的公文函件、学科意见的入库、查询与下载。台站变更与停测表包括上传时间、单位名称、单位代码、文件类型、文件名称、文件内容、备注等字段,主键为单位名称、单位代码、文件类型、文件名称,文件类型为公文函件、学科意见两种。

1.8 质量评估问题反馈

创建学科质量评估问题反馈表Appraisal Question,实现年度质量评估反馈问题的入库、查询与产出。学科质量评估问题反馈表结构如表4所列。

表4 学科质量评估问题反馈表结构设计Table 4 Structure design of feedback table for subject quality evaluation

2 功能实现

2.1 基础信息质量检查

(1) 自动产出基础信息录入完整性和准确性检查结果Excel报表。例如:自动检查台站信息表QZ_DICT_STATIONS,已填写项标记为“有”,未填写项标记为“无”并加粗标红;天津经纬度范围116.5°～118.3°、38.5°～40.3°,当台站经度<116.5°或>118.3°、台站纬度<38.5°或>40.3°标记为“错”字并加粗标红。如表5，当徐庄子台(12011)经度录入72°、纬度录入15°提示“错”,无台站平面分布图、测点分布图、台站建设报告提示“无”。

表5 台站信息表检查结果Table 5 Check result of station information table

(2) 自动产出台站仪器测点信息、井信息Word报告,目录结构见图2。

图2 台站仪器测点信息、井信息文档结构图Fig.2 Document structure diagram of information of station instruments, measuring points, and wells

2.2 地球化学背景调查

具有添加、删除、保存、计算分析、导出(到Excel)、帮助等功能。中国地震台网中心2018年牵头开展的地球化学普查工作完成了天津9口井水样化验,这些井孔水质和氢氧同位素测定结果已全部入库,分析结果见表6。

表6 地球化学背景调查表部分入库数据Table 6 Partial warehousing data of geochemical background questionnaire

2.3 水位传感器检查

具有添加、删除、保存、检查、导出(到Excel)、帮助等功能;鼠标点击左侧“水位传感器检查”表任意一条记录,在右侧“水位校测记录”表显示当前台站测点的水位校测数据,实现了两者之间的联动。天津18口井19个测点水位传感器调整日期、投放深度、基准面差等信息已入库,并应用于日常水位传感器临界检查中(表7)。

表7 水位传感器检查表Table 7 Check list of water level sensor

2.4 水位校测记录

具有添加、删除、保存、导出(到Excel)、打印(水位校测记录表)、帮助等功能。天津18口井19个测点水位校测记录已入库,此外在四川省地震局、福建省地震局推广应用。

图3 张道口台DRSW-1地热水位综合观测仪 传感器临界检查正常Fig.3 The critical check of the sensor of DRSW-1 geo- thermal water level observation instrument at Zhangdaokou station is normal

(1) 录入检查。包括校测开始时间、校测结束时间未录入提示;校测结束时间-校测开始时间<5分钟提示;|校测值的一阶差分值|>0.005 m提示;|仪器水位值-数据库中存储水位值|>0.005 m提示;校测人、校核人为同一人提示。

(2) 打印报表。下面Excel表,蓝色内容是根据录入界面选择的台站测点自动填充到相应位置,红色内容为自动计算结果。

校测值误差|σ1|=0.000 3<0.010 m-校测值误差符合要求,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-校测值误差",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")

观测误差值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")

观测误差判定值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 参评台项清单

具有添加、删除、保存、导出到Excel、帮助等功能,见图5。点击“+”图标,默认将FluidAppraisal.xls文件“参评台项清单”Sheet表内容导入左侧表中,点击“磁盘”图标保存到数据库。

图4 水位校测记录表Fig.4 Water level calibration log

2.6 参评台项申报

具有添加、删除、保存、导出(到Excel)、帮助等功能,见图5。点击“+”图标,默认将FluidAppraisal.xls文件“参评台项申报”Sheet表内容导入右侧表中,点击“磁盘”图标保存到数据库。

图5 参评台项清单与申报界面Fig.5 Item list and declaration interface

2.7 台站变更与停测

具有添加、删除、保存、下载(下载到桌面并自动打开文件)、导出(到Excel)、帮助等功能,见图6。 点击“+”图标新添记录→依次选择变更与停测“所属区域、文件类型(包括公文函件、学科意见)、文件名称”→自动入库保存,点击“↓”图标下载记录→自动下载当前行已入库文件到桌面→自动打开文件。

图6 台站变更与停测界面Fig.6 Station change and stop-test interface

2.8 质量评估问题反馈

具有添加、删除、保存、导出(到Excel)、帮助等功能,见图7。依次选择参评年度、测项、区域、台点,点击“+”图标新添记录,当前选项“质量评估内容”逐条自动添加到表格中,再手工录入反馈问题。点击按钮“质量评估内容”,打开FluidAppraisal.xls文件“质量评估内容”Sheet表,修改水位、水温、水氡、水汞、气氡、气汞、气氢、气氦的评估内容,见表8。

表8 测项质量评估内容Table 8 Content of quality evaluation of test item

图7 测项质量评估问题反馈界面Fig.7 Feedback interface for item quality assessment

3 结语

该系统V1.0版获计算机软件著作权1项(软著登字第5052275号),在天津市地震局监测预报中心和8个有人值守台站推广应用,部分功能模块已在四川省地震局、福建省地震局试用,取得了较好地应用示范效果,初步达到了地下流体台站(网)基础信息管理的功能设计要求。下一步还需按照中国地震局地下流体学科技术管理组的要求,新增“水温观测投放深度及温度梯度,氡气K值、氡气源活度、测氡仪标定与检查,以及汞气和氦气检查与标定”等系统功能模块,不断提高系统完备性、可靠性、易用性,以便在全国推广应用。

致谢:在系统研制过程中,得到了天津市地震局龚永俭、四川省地震局赵德杨和福建省地震局张清秀的技术指导与帮助,在此一并感谢！