青海省井孔水溫觀測(cè)結(jié)果分析
——以德令哈等5個(gè)觀測(cè)井為例

李 滔，王永剛，李國(guó)佑

（青海省地震局，青海西寧 810001）

青海省井孔水溫觀測(cè)結(jié)果分析
——以德令哈等5個(gè)觀測(cè)井為例

李 滔，王永剛，李國(guó)佑

（青海省地震局，青海西寧 810001）

選取青海前兆臺(tái)網(wǎng)的德令哈等5個(gè)井孔開(kāi)展水溫對(duì)比觀測(cè)，對(duì)這五個(gè)井孔的水溫原始觀測(cè)數(shù)據(jù)和對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，從兩組數(shù)據(jù)變化形態(tài)、差值、日變幅等方面發(fā)現(xiàn)不同的井孔兩套數(shù)據(jù)的相似程度不同，其中以德令哈臺(tái)為最好，湟源和格爾木次之，互助和佐署井則較差。分析認(rèn)為主要原因有探頭安裝情況、儀器型號(hào)和儀器工作狀態(tài)的影響。

青海流體臺(tái)網(wǎng)；對(duì)比觀測(cè)；水溫；相關(guān)性；數(shù)字式溫度計(jì)

0 引言

十五項(xiàng)目以來(lái)，青海省共建成水溫觀測(cè)井14個(gè)，主要分布在青海省的中東部地區(qū)。趙剛等將其水溫的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)劃分為降溫型、升溫型、波動(dòng)型、穩(wěn)定型、跳變型、長(zhǎng)周期型等6種基本類型［1－2］。經(jīng)過(guò)幾年的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，青海省各觀測(cè)井水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)的正常動(dòng)態(tài)多為上升型，少數(shù)井的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)為持平或波動(dòng)型。

有的井孔的水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)在發(fā)生了異常變化后，由于僅有一套儀器工作，且無(wú)法對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，因此無(wú)法確定是水溫場(chǎng)的真實(shí)變化還是受觀測(cè)系統(tǒng)影響所致。為了驗(yàn)證水溫?cái)?shù)據(jù)變化的可靠性，目前比較通用的方法是采用對(duì)比觀測(cè)的方法，即在同一井孔內(nèi)重新安裝一套觀測(cè)儀器進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，通過(guò)對(duì)比觀測(cè)來(lái)驗(yàn)證原始數(shù)據(jù)的變化是否可靠。我國(guó)目前有多個(gè)井孔開(kāi)展了水溫的對(duì)比觀測(cè)，如白家疃、沙河、烏蘇、溫泉、?？赯K26、寧波ZK03、巢湖皖14等多個(gè)井孔等，取得了對(duì)比觀測(cè)資料，并展開(kāi)了相應(yīng)的分析研究［3－7］。

近年來(lái)，由于青海省的德令哈等5個(gè)井孔的水溫?cái)?shù)據(jù)先后出現(xiàn)不正常變化。為了判斷是溫度場(chǎng)的真實(shí)變化還是觀測(cè)系統(tǒng)的影響所致，青海省地震局前兆臺(tái)網(wǎng)中心先后在這5個(gè)井孔安裝了水溫對(duì)比觀測(cè)儀器進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀測(cè)，積累了一定的對(duì)比觀測(cè)資料。青海省的前兆觀測(cè)技術(shù)人員對(duì)于部分觀測(cè)井中對(duì)比觀測(cè)資料了進(jìn)行了一定的分析研究［8－9］。

本文即選取這5個(gè)井孔的水溫原始觀測(cè)數(shù)據(jù)和對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比較，通過(guò)多方面的方法來(lái)研究其異同，進(jìn)而探討兩組數(shù)據(jù)出現(xiàn)差異的原因。

1 觀測(cè)井簡(jiǎn)介

1.1 井孔基本情況

各對(duì)比觀測(cè)井孔的基本情況如表1所示，其中有3個(gè)井孔為自流井，兩個(gè)井孔為靜水位井。根據(jù)趙剛等的研究結(jié)果［1－2］，從長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)看，湟源井和互助井的年變幅都小于0.01℃，屬于穩(wěn)定型，格爾木井和德令哈井屬于大幅度波動(dòng)型，佐署屬于跳變型。各井孔的分布位置見(jiàn)圖1。

1.2 儀器情況

各井孔原始觀測(cè)儀器和對(duì)比觀測(cè)儀器的情況見(jiàn)表2。

表1 對(duì)比觀測(cè)井孔基本情況表Tab.1 Basic situation of comparative observation the well holes

表2 各井孔儀器情況統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistics of each well instrument

5個(gè)井孔觀測(cè)使用的儀器主要有3種：SZW－1數(shù)字式溫度計(jì)、SZW－1A數(shù)字式溫度計(jì)、ZKGD300－N型地下流體自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 數(shù)據(jù)的選取

本文選取德令哈、格爾木、佐署、湟源、互助5個(gè)井孔的水溫原始觀測(cè)和對(duì)比觀測(cè)分鐘值進(jìn)行研究。各井孔均選取對(duì)比觀測(cè)儀器安裝且數(shù)據(jù)變化基本正常后的時(shí)間作為數(shù)據(jù)開(kāi)始時(shí)間。數(shù)據(jù)截止時(shí)間為2015年4月9日（表3）。

表3 各井孔數(shù)據(jù)起止時(shí)間統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Starting and ending times for each well

3 觀測(cè)資料分析

3.1 歸一化和相關(guān)分析

由于每個(gè)井孔的兩套儀器數(shù)據(jù)都存在一定的差異，如果繪在同一曲線圖上進(jìn)行形態(tài)對(duì)比，可能會(huì)由于彼此數(shù)據(jù)差值較大而導(dǎo)致每條曲線的變化形態(tài)被壓縮。為了在同一坐標(biāo)系內(nèi)對(duì)曲線形態(tài)進(jìn)行對(duì)比，選取儀器正常工作的某一時(shí)間點(diǎn)為起點(diǎn)，以該點(diǎn)的觀測(cè)值作為起始值，將同組的每個(gè)數(shù)據(jù)都減去起始值，即得到了起始值為零的一組數(shù)據(jù)。

設(shè)觀測(cè)值為N，起始點(diǎn)值為N0，歸一化值為N1，則N1＝N－N0

將同一井孔水溫原始和對(duì)比觀測(cè)分鐘值都進(jìn)行歸一化處理后，繪于同一坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行對(duì)比分析。選取的歸一起始點(diǎn)見(jiàn)表4。

對(duì)于數(shù)據(jù)基本呈線性變化的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)采用以下公式進(jìn)行線性擬合，對(duì)于一對(duì)數(shù)據(jù)序列｛xi｝、｛yi｝（I＝1，2……，n）若變量x，y之間服從y＝a+bx統(tǒng)計(jì)關(guān)系，具體表達(dá)式如下：

表4 各對(duì)比觀測(cè)井孔觀測(cè)數(shù)據(jù)歸一化計(jì)算參數(shù)表Tab.4 Data comparison of each observation well

其中，r為反映y與x之間相關(guān)程度的相關(guān)系數(shù)。

采用以上公式，對(duì)每個(gè)井孔的原始和對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算了相關(guān)系數(shù)。

（1）德令哈井

德令哈井水溫長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)應(yīng)為跳變型，兩條曲線整體形態(tài)非常相似。兩組數(shù)據(jù)的擬合相關(guān)系數(shù)為0.9880。一些明顯的突升、突降、上升、下降等變化均同步，從局部的短期變化看，二者幾乎完全相同。但是從長(zhǎng)期變化來(lái)看，二者的差異在逐漸加大，對(duì)比觀測(cè)曲線相對(duì)于原始觀測(cè)曲線有一個(gè)較為明顯的整體下降趨勢(shì)。從2013年5月1日到2015年4月21日，二者的差值累計(jì)達(dá)到了0.0945℃（圖2）。

（2）湟源井

湟源井水溫原始觀測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)處理數(shù)據(jù)的整體變化趨勢(shì)基本一致，均呈上升趨勢(shì)。短期動(dòng)態(tài)來(lái)看，兩者略有差異，一些較小的起伏并不完全一致。特別是對(duì)比觀測(cè)儀器在2015年3月11日出現(xiàn)故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)下降約0.0003℃，使得原始觀測(cè)數(shù)據(jù)和對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)變化出現(xiàn)明顯的不一致。，總體上差異都在10－4℃量級(jí)，差異量很小，兩組數(shù)據(jù)的線性擬合相關(guān)系數(shù)為0.9442（圖2）。

（3）格爾木井

格爾木井水溫原始觀測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)類似，對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)相比原始觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯的上升，而原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的上升并不明顯，基本在水平狀態(tài)下起伏變化。兩組數(shù)據(jù)的線性擬合相關(guān)系數(shù)僅為0.7277。從2014年7月1日到2015年4月21日，二者之間的差值達(dá)到了0.2509℃。另外，在部分時(shí)段兩組數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯的反向變化，如2014年7月中旬至8月上旬、9月上旬等時(shí)段（圖2）。

（4）佐署井

佐署井水溫原始觀測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)類似，長(zhǎng)期趨勢(shì)均為下降，但形態(tài)差異較大。兩組數(shù)據(jù)的線性擬合相關(guān)系數(shù)為0.8205。原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的起伏變化比較劇烈，對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)變化平緩，毛刺、突升、突降等劇烈變化不明顯，整體下降速率也較慢。從2014年6月16日到2015年4月21日，二者的差異達(dá)到了0.1747℃（圖2）。

（5）互助井

互助井水溫原始觀測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出完全不同的變化形態(tài)。原始觀測(cè)數(shù)據(jù)呈緩慢上升態(tài)勢(shì)，數(shù)據(jù)極不穩(wěn)定，毛刺非常多；對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)則呈緩慢下降態(tài)勢(shì)，數(shù)據(jù)曲線相對(duì)較為平滑，毛刺較原始數(shù)據(jù)曲線少，毛刺的幅度也小得多，但大部分時(shí)段也有曲線加粗現(xiàn)象。兩組數(shù)據(jù)的線性擬合相關(guān)系數(shù)為－0.3344（圖2）。

3.2 差值分析

為了在同一坐標(biāo)系中直觀地比較各井孔水溫原始和對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的差異，擬計(jì)算同一時(shí)間點(diǎn)兩個(gè)數(shù)據(jù)間的差值。由于每一個(gè)原始觀測(cè)值都有一定的隨機(jī)性，為消除這種隨機(jī)性的影響，首先計(jì)算了各組數(shù)據(jù)的時(shí)均值，采用公式 N差值＝N對(duì)比－N原始計(jì)算了各個(gè)井孔同一時(shí)間點(diǎn)兩個(gè)時(shí)均值數(shù)據(jù)之間的差值，繪制在同一坐標(biāo)系中。并對(duì)每個(gè)井孔的差值曲線進(jìn)行了線性擬合，得出了擬合關(guān)系式。數(shù)據(jù)起止時(shí)間為2014年11月15日—2015年4月9日（圖3）。

從圖3中看，除佐署井外，其他井孔兩套觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的差值，均表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的線性關(guān)系。

德令哈井兩套儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)的差值最小，斜率在10－7數(shù)量級(jí)，截距僅有0.0004，接近水平。曲線比較光滑，毛刺較少。表明德令哈井兩套儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)非常接近。

湟源井差值曲線的斜率也在10－7數(shù)量級(jí)，截距為－0.092。截距和斜率都很小，表明湟源井兩套儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)也非常接近，二者之間僅有不到0.01的相差。

格爾木井的差值較大，斜率在－10－6數(shù)量級(jí)，截距為0.274。曲線也相對(duì)光滑，毛刺較少。表明格爾木井兩套儀器之間的差值相對(duì)明顯，且存在持續(xù)下降的趨勢(shì)。

佐署井的差值基本不呈現(xiàn)線性變化，差值曲線的波動(dòng)很大，沒(méi)有明顯的規(guī)律呈現(xiàn)。盡管擬合直線的截距為0.122，但線性擬合的斜率僅在10－5數(shù)量級(jí)，曲線整體呈起伏上升的變化趨勢(shì)，但線性變化特征并不明顯。

互助井兩套儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)的差值曲線截距為0.216，斜率也在10－6數(shù)量級(jí)。與之前三套儀器相比數(shù)值較為離散，曲線不光滑，毛刺很多。但整體也呈現(xiàn)相對(duì)的線性變化，差值線性上升的特征比較明顯。

差值呈現(xiàn)線性變化，表明兩套儀器的數(shù)據(jù)變化存在同步性，但由于兩套觀測(cè)儀器存在不同程度的零漂，導(dǎo)致其觀測(cè)結(jié)果的差值有一個(gè)趨勢(shì)性的準(zhǔn)線性變化。盡管有的井孔兩套儀器的觀測(cè)值曲線是呈反相變化，但不排除這種反相變化是儀器不同方向零漂所導(dǎo)致的可能性。

3.3 日變幅分析

選取2014年11月15日至2015年4月9日各井孔兩套儀器觀測(cè)的水溫分鐘值，分別計(jì)算了各組觀測(cè)數(shù)據(jù)的日變幅。為了對(duì)各井孔的日變幅進(jìn)行直觀的比較，采用同一比例進(jìn)行繪圖，結(jié)果如圖4所示。

德令哈井兩套儀器的日變幅曲線基本吻合，除個(gè)別細(xì)節(jié)外，大部分曲線是重合，差異量很小。

湟源井兩套儀器的日變幅曲線也基本吻合，有部分時(shí)段存在差異，但差異量很小。

格爾木井兩套儀器的日變幅曲線形態(tài)不完全一致，許多時(shí)段都存在較為明顯的差異。

互助井和佐署兩套儀器的日變幅曲線差異都非常大，其中對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)的日變幅曲線波動(dòng)較小，數(shù)據(jù)變化相對(duì)穩(wěn)定；原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的日變幅曲線波動(dòng)非常大。兩組數(shù)據(jù)的平均差異都超過(guò)了0.01℃。

4 對(duì)比觀測(cè)結(jié)論

（1）德令哈井

德令哈井水溫原始和對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)的相似程度最好。兩組數(shù)據(jù)變化形態(tài)基本相同，相關(guān)性好。兩組數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)之間的差值接近于0，呈線性變化。日變幅曲線也基本重合。由于原始觀測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)比觀測(cè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的同步變化，表明德令哈井水溫近年來(lái)出現(xiàn)的大幅度的起伏變化是井下溫度的真實(shí)變化。

（2）湟源井

湟源井水溫原始和對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)的相似程度也很好。兩組數(shù)據(jù)變化形態(tài)略有差異，但差別僅

在10－4數(shù)量級(jí)，相關(guān)性較好。兩組數(shù)據(jù)之間的差值在0.092℃左右，基本呈線性變化。日變幅曲線差異也很小。在對(duì)比觀測(cè)開(kāi)始前，原始觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的大幅度的突跳和起伏。在對(duì)比觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，原始觀測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)均沒(méi)有出現(xiàn)，但兩組數(shù)據(jù)基本同步變化，表明原始觀測(cè)數(shù)據(jù)也是基本可靠的。

（3）格爾木井

格爾木井水溫原始和對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)的相似程度稍差。兩組數(shù)據(jù)的差值較大，在0.27℃左右變化，但差值基本呈線性變化。兩組數(shù)據(jù)的變化形態(tài)類似，但在部分時(shí)段有反向變化，相關(guān)性較德令哈和湟源井稍差。日變幅曲線差異也比較明顯。

在對(duì)比觀測(cè)期內(nèi)兩組數(shù)據(jù)短期變化不完全一致，甚至在部分時(shí)段內(nèi)數(shù)據(jù)變化反向。但兩組數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期變化形態(tài)類似，差值基本呈線性變化。表明格爾木井水溫長(zhǎng)期的起伏變化是基本真實(shí)的。

（4）佐署井

佐署井水溫原始和對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)的相似程度較差。兩組數(shù)據(jù)的形態(tài)變化僅類似，差異很大。兩組數(shù)據(jù)差值的絕對(duì)值在五套儀器中并不是最大的，但基本不呈線性變化，差值數(shù)據(jù)非常離散，表明兩組數(shù)據(jù)變化的同步性很差。日變幅曲線的形態(tài)也完全不同，差異量也較大。

在對(duì)比觀測(cè)期內(nèi)的兩組觀測(cè)數(shù)據(jù)盡管短期變化差別很大，但長(zhǎng)期的變化形態(tài)類似。因此，佐署井水溫長(zhǎng)期的起伏變化是真實(shí)的。

（5）互助井

互助井水溫原始和對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)的相似程度較差。兩組數(shù)據(jù)基本呈反向變化，差值較大，相關(guān)性也很差。差值數(shù)據(jù)波動(dòng)很大，但基本呈線性變化。日變幅曲線形態(tài)差異明顯，差異量也較大。

對(duì)比觀測(cè)期內(nèi)的兩組觀測(cè)長(zhǎng)期變化呈反向變化，短期變化差異也很大。原始觀測(cè)數(shù)據(jù)噪聲很大，對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)噪聲相對(duì)較小。對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)清晰，曲線光滑，應(yīng)該比原始觀測(cè)數(shù)據(jù)更為真實(shí)、可靠。

5 產(chǎn)生差異的原因

經(jīng)過(guò)對(duì)各對(duì)比觀測(cè)井孔的情況進(jìn)行綜合分析認(rèn)為，原始觀測(cè)數(shù)據(jù)和對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生差異的原因主要有：

（1）探頭安裝情況：①安裝深度不同。有3個(gè)井孔對(duì)比觀測(cè)探頭的安裝深度比原始觀測(cè)探頭要深5m，導(dǎo)致其所處的熱力場(chǎng)位置不一致；②安裝時(shí)間不同。若兩探頭是先后安裝的，井下情況的未知導(dǎo)致探頭是否都安裝到了預(yù)定深度不得而知，從而導(dǎo)致兩個(gè)探頭所處的熱力場(chǎng)位置不一致；③井孔徑較大。井孔直徑較大使得位于同一深度的兩個(gè)探頭之間距離較遠(yuǎn)，也會(huì)造成所處的熱力場(chǎng)位置不同。

因此，專家的建議是將兩個(gè)探頭捆綁在一起下放。5個(gè)井孔中，僅有德令哈井把兩個(gè)探頭并排同時(shí)下放，雖然較捆綁的方式差一點(diǎn)，但相比其他分別下放的探頭，其兩組觀測(cè)結(jié)果也是最為接近的。

（2）儀器工作狀態(tài)：由于兩套儀器投入使用的時(shí)間不一致，對(duì)觀測(cè)環(huán)境的適應(yīng)情況也不完全一致。另外有的觀測(cè)井如佐署是原始觀測(cè)儀器老化后才安裝對(duì)比觀測(cè)儀器的，原始觀測(cè)儀器的工作質(zhì)量無(wú)法保證；互助井安裝對(duì)比觀測(cè)儀器的原因也是因?yàn)樵加^測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期不正常；湟源臺(tái)的對(duì)比觀測(cè)儀器工作不到半年就出現(xiàn)故障。這些情況都表明儀器工作狀態(tài)并不不穩(wěn)定。這些都造成了觀測(cè)數(shù)據(jù)的不一致。

（3）儀器的差異。有的觀測(cè)井使用了不同型號(hào)的儀器進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)。由于不同儀器的儀器參數(shù)和特性都有一定的差異，對(duì)不同觀測(cè)環(huán)境的適應(yīng)性也不完全一致。如互助井、格爾木井的對(duì)比觀測(cè)儀器與原始觀測(cè)儀器生產(chǎn)廠家儀器型號(hào)均不一致。這些都可能導(dǎo)致儀器的零漂、精度、噪聲都不完全一致，從而造成觀測(cè)數(shù)據(jù)不一致。

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Observation Results Analysis of Well Water Temperature in Qinghai——A Case?study of Delingha and other Observation Wells

Li Tao，Wang Yonggang，Li Guoyou
（Earthquake Administration of Qinghai Province，Xining 810001，China）

In this paper，the water temperature of Delingha and other wells，which are the precursor network of Qinghai，is selected to carry out water temperature contrast observation.After comparing and analyzing the original observation data and the contrast observation data of the water temperature of the five wells，it found that the similarity degree of the two sets of data from different wells is different，in terms of the two groups of data changes in morphology，the difference，the daily variation amplitude and so on.Among them，Delingha station is the best，Huangyuan and Golmud take second place，Huzhu and Zuoshujing are poor.The main reasons are the influence of the probe installation，the model of the instrument and the working status of the instrument.

Qinghai fluid network；comparative observation；water temperature；relativity；digital thermometer

P315.73

A

1673－8047（2016）03－0074－07

2016－03－16

2015年青海省地震科普基金項(xiàng)目（2015A08）

李滔（1973—），女，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事臺(tái)站監(jiān)測(cè)與管理工作。

王永剛（1970—），男，本科，工程師，從事地震監(jiān)測(cè)與資料分析工作。