數(shù)字化水位儀零漂特征的對比實(shí)驗研究

程立康，龔永儉，李穎楠，徐誠，王建國，陳嵩，朱冰清

(天津市地震局，天津　300201)

?

數(shù)字化水位儀零漂特征的對比實(shí)驗研究

程立康，龔永儉，李穎楠，徐誠，王建國，陳嵩，朱冰清

(天津市地震局，天津300201)

基于對5口流體觀測井使用的3種數(shù)字化水位儀的校測對比實(shí)驗及與氣溫、氣壓、供電交流電壓等因素的相關(guān)性分析，對數(shù)字化水位儀的零漂特征及影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：①水位儀的零漂變化呈非線性的特征，每種水位儀、甚至每臺水位儀的零漂變動規(guī)律均不完全相同，相比較而言，SWY-1A型水位儀的零漂變動更平穩(wěn)，變幅較??；②水位儀零漂與氣溫、氣壓和供電交流電壓的相關(guān)系數(shù)較低，基本可以排除氣溫、氣壓和電源電壓對水位儀零漂的影響；③水位儀零漂源于探頭，主要受探頭老化等因素的影響。探頭安裝時對探頭線測量的精準(zhǔn)度、探頭線因重力作用的拉長、調(diào)整探頭埋深時對探頭線測量的精準(zhǔn)度以及水位校測的人為誤差等，往往會導(dǎo)致零漂計算結(jié)果上的偏差；④數(shù)字化水位觀測應(yīng)定期、規(guī)范化地進(jìn)行水位校測并根據(jù)零漂變化對觀測數(shù)據(jù)予以校正，以確保觀測數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠，能更好地發(fā)揮地震預(yù)測效能。

數(shù)字化；水位儀;零漂;特征

0　引　言

水位在許多中強(qiáng)地震前均有突出的異常表現(xiàn)，因而在地震預(yù)測，特別是在地震短臨預(yù)測中具有重要的地位和價值[1-5]。我國流體臺網(wǎng)的水位觀測儀器在經(jīng)歷“九五”和“十五”觀測系統(tǒng)改造后已全面實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。與模擬觀測方式相比，數(shù)字化水位觀測具有數(shù)據(jù)信息量大，傳輸速度快，人為誤差小等諸多優(yōu)點(diǎn)，從而增加了水位高頻、短周期的信息量，為捕捉地震短臨異常信息提供更加有利的條件[6]。但是，由于數(shù)字化水位儀的測量原理均是利用傳感器(探頭)檢測在井水中受到的壓強(qiáng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成水位值來測量實(shí)際水位，而在所有電量或非電量的測量儀器中，零位的穩(wěn)定性直接影響著測量精度，電子儀器本身存在的零漂問題將導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)的可靠性和精準(zhǔn)度，故應(yīng)引起足夠的重視[7-9]。以往學(xué)者對水位儀零漂的研究主要集中在對特定1臺或1類數(shù)字化水位儀的零漂分析[7，10]，且主要基于相關(guān)性分析，基本沒有對井網(wǎng)中運(yùn)行的多臺儀器的零漂變化特征進(jìn)行對比研究，具有一定的局限性。在實(shí)施中國地震局“地震監(jiān)測、預(yù)報、科研”三結(jié)合課題“水位校測方法的對比實(shí)驗研究”過程中，筆者對天津地區(qū)的5口流體觀測井的數(shù)字化水位儀進(jìn)行每半月1次的高頻度水位校測實(shí)驗。基于實(shí)驗數(shù)據(jù)，對上述井孔所使用的3種數(shù)字化水位儀的零漂特征進(jìn)行研究，對影響零漂的因素進(jìn)行相關(guān)性分析和研究。

1　對比實(shí)驗概述

1.1實(shí)驗井孔的選擇

水位校測對比實(shí)驗選擇了天津市地震局的5口流體觀測井，分別是寶坻井、寶坻新臺井、王3井、高村井和張道口-1井。被選定的井孔既有深井(高村井井深3 402.81 m、張道口-1井井深1 150 m、王3井井深1 077 m)，又有中深度井(寶坻新臺井井深523 m、寶坻井井深427 m)；各井孔水位觀測層位各不相同，水位埋深也有較大差異。其中,張道口-1井的水位埋深在地表120 m以下，其余井孔水位埋深在地表20 m左右。被選定的井孔對于水位觀測井網(wǎng)來說具有典型性，同時滿足校測實(shí)驗的要求。

1.2水位觀測儀器

所選擇井孔水位觀測使用的數(shù)字化水位儀共有3種，即寶坻井使用的是LN-3型數(shù)字化水位儀，寶坻新臺井、高村井、王3井使用的是SWY-1A型數(shù)字化水位儀，張道口-1井使用的是DRSW-1型地?zé)崴痪C合觀測儀。LN-3型數(shù)字化水位儀系“九五”儀器，主要用于地震地下流體高精度井孔水位觀測和同層水溫觀測，由原中國地震局分析預(yù)報中心研制。SWY-1A數(shù)字化水位儀和DRSW-1型地?zé)崴痪C合觀測儀系“十五”儀器，前者用于水位觀測，后者用于水溫和地?zé)?水溫)綜合觀測(配有水位和地?zé)?個探頭)，均由中國地震局地殼應(yīng)力研究所研制。實(shí)驗井孔使用的各型號水位儀的性能參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗井孔各型號水位儀性能參數(shù)

1.3實(shí)驗方法

采取在同一日使用河北省地震局研制的電子校測設(shè)備對選定的5口流體觀測井進(jìn)行水位校測對比實(shí)驗，實(shí)驗期間為2015年1月～6月，頻度為每半個月1次，時間固定為每月的1日和15日前后。水位校測的操作方式，依照規(guī)范，使用校測設(shè)備直接測量井孔水位，校測設(shè)備讀數(shù)1次，同時讀取水位儀顯示值，用探頭埋深減去水位儀顯示值(部分儀器主機(jī)需要加2.5)，得出水位實(shí)測值，反復(fù)測量5次，以5次校測水位值的平均值與5次水位實(shí)測值的平均值計算得到差值，確定為水位儀的零漂值。

2　實(shí)驗結(jié)果及零漂特征分析

對每口井進(jìn)行12次(2015年1～6月)水位校測。水位校測對比實(shí)驗結(jié)果顯示：寶坻井、王3井、高村井、張道口-1井的水位儀零漂方向為“下漂”，即水位儀轉(zhuǎn)換值低于實(shí)際水位值(水位校測值)；寶坻新臺井水位儀的零漂方向為“上漂”。楊鼎鴻等[10]認(rèn)為，數(shù)字化水位儀的零漂方向可能與水位儀傳感器受污染或者零漂變化趨勢有關(guān)。筆者并不完全認(rèn)同其觀點(diǎn)，認(rèn)為水位儀傳感器檢測的是壓強(qiáng)，污染不會影響到井孔水位的變化以及儀器的零漂變化趨勢；水位儀的零漂應(yīng)當(dāng)與探頭(傳感器)的老化有關(guān)，探頭內(nèi)置電子元器件組成的電路，老化引起零漂是必然的。

從5口流體觀測井6個月的水位校測實(shí)驗結(jié)果來看，各井孔的水位儀零漂值相對穩(wěn)定，沒有“上漂”發(fā)展成為“下漂”，也沒有“下漂”發(fā)展成為“上漂”的現(xiàn)象，這說明歷史的累積作用才是“上漂”和“下漂”的重要原因。探頭線沒有標(biāo)明尺寸刻度，同時探頭長期受力會產(chǎn)生拉伸，因而探頭安裝時對探頭線測量的精準(zhǔn)度、探頭線因重力作用的拉長、調(diào)整探頭埋深時對探頭線測量的精準(zhǔn)度以及水位校測的人為誤差等，往往會導(dǎo)致零漂計算結(jié)果上的偏差，產(chǎn)生“上漂”或“下漂”。

在6個月內(nèi)，寶坻井最大零漂0.031 7 m，最小零漂0.001 3 m，零漂最大變幅(最大零漂減去最小零漂值)0.030 4 m；寶坻新臺井最大零漂0.051 5 m，最小零漂0.042 6 m，零漂最大變幅0.008 9 m；高村井最大零漂0.116 7 m ，最小零漂0.091 7 m，零漂最大變幅0.025 m；王3井最大零漂0.067 1 m，最小零漂0.052 0 m，零漂最大變幅0.015 1 m；張道口-1井最大零漂0.365 7 m，最小零漂0.132 0 m，零漂最大變幅0.233 7 m。由此可見，寶坻新臺井、高村井、王3井水位儀的零漂變動更平穩(wěn)，寶坻井水位儀稍次之，張道口-1井水位儀的零漂變動較大。

對各井孔使用的水位儀的零漂變化曲線見圖1(其中寶坻井、寶坻新臺井、王3井、高村井的比例尺相同，張道口-1井的比例尺為其余井孔的2倍)。寶坻新臺井、高村井、王3井使用的水位儀均是中國地震局地殼應(yīng)研究所研制的SWY-1A型數(shù)字化水位儀，相比較而言，該型號的水位儀更穩(wěn)定。但受研究儀器的樣本數(shù)量限制，本結(jié)論可能會有些偏差。

圖1　5口井水位儀零漂變化曲線

3　零漂的影響因素分析

為進(jìn)一步探究數(shù)字化水位儀的零漂影響因素，選取寶坻新臺的溫度、氣壓和水位儀供電交流電壓與寶坻新臺井水位儀零漂值進(jìn)行相關(guān)性分析。表2為零漂與溫度、氣壓及交流電壓數(shù)據(jù)，其中溫度、氣壓及電壓數(shù)據(jù)采用水位校測時段的時均值。

表1 零漂與溫度、氣壓及交流電壓數(shù)據(jù)

通過相關(guān)性分析，計算得出溫度、氣壓及電壓與水位儀零漂的相關(guān)系數(shù)分別為-0.210 9、0.326 2和-0.404 7，這表明數(shù)字化水位儀器零漂值與室溫、氣壓和交流電壓不具有顯著的相關(guān)性。實(shí)際上，寶坻新臺井在室外，以大氣溫度和氣壓數(shù)據(jù)計算相關(guān)性，與楊鼎鴻等[10]以觀測室溫計算相關(guān)性是有可比性的，但結(jié)果卻大相徑庭，之前學(xué)者通過調(diào)控室溫對比實(shí)驗數(shù)據(jù)得出數(shù)字化水位儀器零漂值與室溫具有顯著的相關(guān)性，甚至在短時間內(nèi)，水位的零漂值主要受室溫干擾，呈準(zhǔn)同步變化的結(jié)論?？梢娭皩W(xué)者就溫度等相關(guān)性分析具有偶然性和不準(zhǔn)確性。而且，水位校測對比實(shí)驗從2015年1月～6月，氣溫從低往高，呈現(xiàn)出一定的線性變化，而從圖1可以看到，各井孔水位儀的零漂均不呈線性變化，因此基本可以排除氣溫、氣壓、電源電壓對水位儀零漂的影響。

儀器原理及大量觀測實(shí)踐均表明，水位儀的零漂主要源于儀器的探頭，而非主機(jī)本身(曾對2臺SWY-1A型水位儀主機(jī)與同一探頭匹配實(shí)測實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)2臺水位儀主機(jī)的測量結(jié)果幾乎一致)。水位儀探頭處于水下的某一位置，大氣溫度或觀測室溫不能直接作用于儀器探頭，水位儀零漂受大氣溫度或觀測室溫的影響沒有任何科學(xué)依據(jù)。因為水位儀的水位測量使用高精度半導(dǎo)體壓力傳感器，具有良好的精度、線性和穩(wěn)定性。水位儀的設(shè)計中，為保證水位測量不受氣壓干擾，將半導(dǎo)體壓力傳感器的參考壓力室通過電纜中的導(dǎo)氣管與大氣相連，探頭有消除氣壓影響的設(shè)計，因此氣壓影響水位儀的零漂應(yīng)當(dāng)是不正確的。

水位儀零漂的真正影響因素，應(yīng)當(dāng)來源于儀器探頭電路老化等因素。同時，計算的零漂中有人為誤差的影響。因為人是任何工作的第一要素，由于感覺器官分辨力的差異和局限性，進(jìn)行測量工作時，讀數(shù)時會產(chǎn)生一定的誤差，同時每個人的技術(shù)水平高低不等，以及工作態(tài)度的好壞，都能對觀測結(jié)果造成不同的影響，也就是說，由于人為因素所造成的觀測誤差是不可消除的[11]。每次水位校測時，均是人在操作，難免會有誤差，這些誤差就混入到儀器零漂計算結(jié)果中。

水位儀零漂的計算結(jié)果往往還會受到歷史上的探頭安裝時對探頭線測量的精準(zhǔn)度、探頭線因重力作用的拉長、調(diào)整探頭埋深時對探頭線測量的精準(zhǔn)度的影響，甚至其影響是極大的或根本的?，F(xiàn)有的數(shù)字化水位儀的探頭測量范圍為0 m～10 m，所以，在超過測量范圍之前，觀測人員要調(diào)整水位儀的探頭埋深，既使工作人員細(xì)致工作，也難以精準(zhǔn)地將探頭下放的長度測量準(zhǔn)確，這必然會導(dǎo)致零漂計算上的累積。

4　結(jié)　論

(1)對比實(shí)驗研究表明，水位儀零漂存在著非線性變化，每種水位儀、甚至每臺水位儀的零漂變動規(guī)律均不完全相同，相比較而言，SWY-1A型水位儀的零漂變動更平穩(wěn)，在6個月內(nèi)變幅較小。儀器研制廠商必須正視目前出售的儀器中存在的儀器零漂問題，從儀器研制過程切實(shí)解決相關(guān)的技術(shù)問題，將水位儀的零漂控制到最佳，確保儀器指標(biāo)長期穩(wěn)定。

(2)相關(guān)性分析結(jié)果表明，水位儀零漂與大氣溫度、氣壓和供電交流電壓的相關(guān)系數(shù)較低，基本可以排除氣溫、氣壓、電源電壓對水位儀零漂的影響。只要按水位儀說明書要求提供溫度、電源等條件，完全可以觀測到可靠的數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)字化水位儀的零漂源于探頭，主要受探頭老化等因素的影響。探頭安裝時對探頭線測量的精準(zhǔn)度、探頭線因重力作用的拉長、調(diào)整探頭埋深時對探頭線測量的精準(zhǔn)度以及水位校測的人為誤差等，往往會導(dǎo)致零漂計算結(jié)果上的偏差。

(4)數(shù)字化水位觀測應(yīng)定期、規(guī)范化地進(jìn)行水位校測并依據(jù)零漂變化對觀測數(shù)據(jù)予以校正，確保觀測數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠，能更好地發(fā)揮地震預(yù)測效能。

致謝：天津市地震局高級工程師劉學(xué)領(lǐng)、張建新、李恩建，工程師徐學(xué)恭、王寶瑣在“水位校測方法的對比實(shí)驗研究”項目研討會上提出了許多寶貴的建議，在此表示衷心地感謝！

[1]國家地震局預(yù)測預(yù)防司.地震地下流體觀測技術(shù)[M].北京：地震出版社，1994：1-180.

[2]車用太，王廣才，劉五洲，等.關(guān)于發(fā)展我國地下流體前兆流動觀測問題的建議[J].國際地震動態(tài)，2002(11)：1-7.

[3]范雪芳，王吉易，陸明勇.汶川8.0級地震前典型流體中期前兆異常的初步研究[J].地震，2009，29(1)：132-140.

[4]范雪芳，劉耀煒，吳桂娥，等.華北地區(qū)水位與水氡中期、中短期前兆異常特征研究[J].地震研究，2010.33(2)：147-158.

[5]車用太，劉成龍，魚金子，等.汶川Ms8.0地震的地下流體與宏觀異常及地震預(yù)測問題的思考[J].地震地質(zhì)，2008，30(4)：828-838.

[6]張素欣，張子廣，劉俊明，等.數(shù)字化水位觀測資料的應(yīng)用研究[J].地震，2002，22(4)：89-93.

[7]谷元珠，劉成龍，張培仁，等.塔院井?dāng)?shù)字化水位觀測中的零漂問題 [J]. 華南地震, 2004, 24(3): 52-55.

[8]龔永儉.數(shù)字化水位儀探頭現(xiàn)場檢查之檢討[J]. 華南地震, 2012, 32(4): 103-108.

[9]栗連弟，王建國，劉春國，等.張道口-1井水位觀測精度變化分析研究[J]. 防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報, 2006, 8(4): 44-46.

[10]楊鼎鴻，程慶斌，鄧聰，等.數(shù)字化水位觀測儀零漂分析[J]. 地震地磁觀測與研究, 2013, 34(3/4): 144-149.

[11]孫維成，馬宗海.測量觀測誤差的來源和消除方法[J].黑龍江水利科技, 2006, 34(3): 55.

STUDY ON ZERO DRIFT CHARACTERISTICE OF DIGITAL WATER LEVEL METER BY COMPARATIVE EXPERIMENT

CHENG Likang，GONG Yongjian，LI Yingnan，XU Cheng，WANG Jianguo，CHEN Song，ZHU Bingqing

(EarthquakeAdministrationOfTianjinMunicipality,Tianjin300201,China)

The correlation of 3 kinds of experimental dual digital water level meter used in 5 fluid observation wells calibration based on digital water level meter zero drift characteristics are analyzed, the results show that: ① Water level zero drift change is nonlinear, each kind of instrument, even each instrument zero drift changes reguler are not the same, the SWY-1A type water level gauge zero drift changes more smoothly,and smaller amplitude; ② The correlation coefficient of gauge zero drift and temperature, pressure and power supply voltage are lower, the influence of temperature, pressure, power supply voltage and zero drift of the water level meter are excluded; ③The water level meter zero drift due to the influence of probe, the main reason for the probe by aging and other factors. Probe installed on line probe measurement accuracy, a probe line because of the gravity of the elongated, adjust the probe depth measured on line probe measurement accuracy and level of School of human error, often resulting in zero drift calculation results of deviation; ④The digital water level observation should be regularly, specification of water level calibration and the data corrected and ensure the true and reliable data, to better play to the earthquake prediction performance.

Digital; Water level meter; Zero drift; Characteristic

2015-03-10

中國地震局“地震監(jiān)測、預(yù)報、科研”三結(jié)合課題“水位校測方法的對比實(shí)驗研究”(編號：150204)資助。

程立康(1982—)，男，天津?qū)氎嫒耍こ處?，本科，主要從事地震臺站流體、電磁觀測技術(shù)的研究。

P315.72+3

A

1005-586X(2016)03-0038-05