靜樂井SWY-Ⅱ和LN-3A水位儀的對比分析

胡玉良 程冬焱 李惠玲 穆慧敏 郭宇 劉俊芳

1）山西省地震局，山西省太原市舊晉祠路二段69號 030021

2）太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，太原 030025

3）山西省地震局定襄地震臺，山西定襄 035400

0 引言

國內(nèi)外學(xué)者以大量的觀測事實論證了水位動態(tài)不僅可以直接反映含水層應(yīng)力應(yīng)變的變化，還可反映井-含水層水動力條件的變化（國家地震局科技監(jiān)測司，1994），因此水位動態(tài)研究是研究地球某些動力過程和監(jiān)測地震孕育的重要途徑（汪成民等，1988）。

隨著 “九五”、“十五”、“十一五”項目的全面建設(shè)，流體數(shù)字化觀測儀器在全國開始投入運行，為水位動態(tài)研究提供了豐富的數(shù)據(jù)（廖麗霞等，2013），以此為基礎(chǔ)的地震觀測技術(shù)由模擬觀測向數(shù)字化觀測發(fā)展（耿杰，2008）?！笆濉逼陂g，山西省地震局對鎮(zhèn)川、朔州、太原、靜樂、祁縣、介休、孝義、漫水和東郭流體井進行了技術(shù)改造，統(tǒng)一安裝了由中國地震局地震預(yù)測研究所研制的LN-3A水位儀?！笆晃濉逼陂g，山西省地震局對榆社紅崖頭流體井和忻州鴉兒坑流體井進行了技術(shù)改造，統(tǒng)一安裝了由中國地震局地殼應(yīng)力研究所研制的SWY-Ⅱ水位儀。

“九五”、“十五”項目建設(shè)完成后，耿杰等（2001）、黃春玲等（2010）曾做過數(shù)字化水位觀測資料與模擬觀測資料的對比分析，主要針對LN-3型數(shù)字水位儀和SW 40-1日記式水位儀或LN-3A型數(shù)字水位儀（以下簡稱 LN-3A水位儀）和 SW 40-1日記式水位儀（以下簡稱SW 40-1水位儀）。由于SWY-Ⅱ型數(shù)字化水位儀（以下簡稱SWY-Ⅱ水位儀）為新研制的儀器（何案華等，2012），尚未對SWY-Ⅱ水位儀和LN-3A水位儀進行對比分析研究，因此，本文通過在靜樂井對新安裝的1套SWY-Ⅱ及原有的LN-3A水位儀開展為期3個多月的并行觀測，從穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)一致性、數(shù)據(jù)精度、系統(tǒng)漂移、水震波、氣壓效應(yīng)、自然環(huán)境干擾這7方面進行對比分析。

1 對比分析

1.1 儀器運行

2015年4月17日將 SWY-Ⅱ水位儀安裝到靜樂井，從4月18日開始投入運行，臺站值班人員按照流體學(xué)科規(guī)范要求做好儀器維護、數(shù)據(jù)預(yù)處理、觀測日志填寫、儀器校測等工作，確保SWY-Ⅱ水位儀產(chǎn)出數(shù)據(jù)連續(xù)、穩(wěn)定可靠，同時對靜樂井原有的LN-3A水位儀的觀測數(shù)據(jù)進行跟蹤分析。利用中國地震前兆臺網(wǎng)運行評價系統(tǒng)對兩套儀器的數(shù)據(jù)完整率進行統(tǒng)計（表1）。

由表1可知，兩套水位儀運行穩(wěn)定，均未發(fā)生故障，數(shù)據(jù)連續(xù)率均達99.99%以上。

表1 靜樂井?dāng)?shù)字水位儀觀測數(shù)據(jù)完整率對比

1.2 數(shù)據(jù)一致性分析

首先對靜樂井SWY-Ⅱ、LN-3A兩套水位儀曲線形態(tài)進行定性分析，提取2015年4月18日～7月31日的分鐘值數(shù)據(jù)，如圖1所示，從曲線形態(tài)上看，兩套儀器的趨勢是一致的，從圖上也能明顯看出在水震波記錄的幅度上有差異（見本文1.6節(jié)），為了更詳細地說明兩套儀器記錄數(shù)據(jù)的差異是否隨時間而變化，將兩套儀器產(chǎn)生的分鐘值數(shù)據(jù)相減，得到的差值如圖2所示。兩套儀器除了在地震波記錄的幅度上有差異外，在其余時間內(nèi)差值最小值是0.091m，最大值是0.115m，平均差值為0.103m，差值變化幅度不超過0.024m。平均差值不在零附近主要是由于兩套儀器之間存在系統(tǒng)誤差，通過修正SWY-Ⅱ或LN-3A的參數(shù)值即可解決，差值曲線形態(tài)和變化幅度說明兩套儀器的一致性非常好。

圖1 靜樂井2015年4月18日～7月31日數(shù)字水位儀分鐘值數(shù)據(jù)對比曲線圖

圖2 靜樂井2015年4月18日～7月31日數(shù)字水位儀分鐘值數(shù)據(jù)差值曲線圖

標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，表明測量的分散度越小，測量的精度越高，用標(biāo)準(zhǔn)偏差可以表征測量精度。在無系統(tǒng)誤差的情況下，一般把標(biāo)準(zhǔn)偏差作為測量誤差（何平，1994）。由于兩套儀器均放置在水井中，當(dāng)井水位發(fā)生變化時兩套儀器的產(chǎn)出數(shù)據(jù)也會隨之發(fā)生變化。為了計算兩套儀器的標(biāo)準(zhǔn)偏差，從而確定兩套儀器的精度，需要按照一定的條件對兩套儀器產(chǎn)出的分鐘值數(shù)據(jù)進行篩選，條件為：①選取的時間段必須短；②確保兩套儀器觀測數(shù)據(jù)要平穩(wěn)，波動要盡可能地小?；谝陨蟽牲c，選取了2015年4月23日7：00～8：00的分鐘值，使用 SPSS軟件做單因素方差分析（羅納德，2010；里斯，2011），計算了兩套儀器的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

為了使用 SPSS軟件對兩套儀器時均值數(shù)據(jù)做配對樣本 t檢驗（羅納德，2010；里斯，2011），需要消除兩套儀器之間存在的系統(tǒng)誤差。本文對LN-3A水位儀時均值進行了修正，具體修正過程如下：SWY-Ⅱ、LN-3A水位儀 2015年 4月 18日零點數(shù)據(jù)分別是 9.693和9.787，兩者相差0.094，故對LN-3A水位儀從2015年4月18日～7月31日之間所有時均值數(shù)據(jù)都減去0.094即可。

1.2.1 單因素方差分析

方差分析就是分析不同水平下各個總體的均值是否有顯著的差異。統(tǒng)計推斷方法是計算F統(tǒng)計量，進行F檢驗。單因素方差分析指的是自變量只有一個的方差分析，計算公式為（邱軼兵，2008）

其中，VA為因素偏差平方和；Ve為誤差平方和；FA為一個統(tǒng)計量，服從自由度為（FA，fe）的F分布，其中FA為因素偏差平方和自由度；fe為誤差平方和自由度。給定α＝0.05，如果FA≥F0．05（fA，fe），就說明因素A變化的影響大于誤差的影響，即該因素變化顯著。

利用SPSS軟件對 SWY-Ⅱ水位儀和 LN-3A水位儀2015年4月23日7：00～8：00之間的分鐘值數(shù)據(jù)進行單因素方差計算，計算結(jié)果如表2。

表2 描述統(tǒng)計

由表2可知，LN-3A水位儀標(biāo)準(zhǔn)偏差是0.000279，SWY-Ⅱ水位儀標(biāo)準(zhǔn)偏差是0.00022，說明兩套儀器測量精度基本無差異，并且均優(yōu)于0.001m。

1.2.2 配對t檢驗基本步驟

首先，提出兩配對樣本t檢驗的假設(shè)為 H0，兩樣本均值 μ1、μ2無顯著差異，即 H0＝μ1-μ2＝0。

利用SPSS軟件對SWY-Ⅱ水位儀和LN-3A水位儀2015年4月18日～7月31日的時均值數(shù)據(jù)進行配對t檢驗，計算結(jié)果如表3。

表3 配對t檢驗結(jié)果

從表3可以得到SWY-Ⅱ水位儀和LN-3A水位儀數(shù)據(jù)之差的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、均值標(biāo)準(zhǔn)誤差、95%的置信區(qū)間以及t檢驗值、自由度和雙側(cè)概率值。通過分析可知，雙側(cè)概率值小于0.05，說明兩套儀器均值存在差異；兩套儀器均值相差0.009m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.005m，說明兩套儀器均值雖有差異，但均在觀測允許的誤差范圍內(nèi)，因此，從觀測的角度來說，可認(rèn)為兩套儀器均值是一致的。

1.3 數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量

井水位潮汐是固體地球潮汐的一種次生效應(yīng)（汪成民，1988），由于觀測井一般深度只有數(shù)百米或數(shù)千米，處于地球表層，因此地球表層潮汐應(yīng)力分布會影響靜水位反周期性變化（國家地震局科技監(jiān)測司，1995）。呂芳等（2012）認(rèn)為靜樂井的井-含水層系統(tǒng)對地殼應(yīng)力-應(yīng)變有較強的響應(yīng)能力，本文通過對靜樂井兩套數(shù)字水位儀分鐘值數(shù)據(jù)和理論固體潮進行曲線對比及計算M2波潮汐因子及其觀測精度，也印證了這一點。

從圖3可以看出，兩套水位儀均能記錄到完整的日波與半日波，相位同步清晰，幅度較大，與理論固體潮曲線相位一致。

圖3 2015年5月1日SWY-Ⅱ、LN-3A水位及理論固體潮時均值數(shù)據(jù)曲線

使用兩套水位儀分鐘值數(shù)據(jù)，利用中國地震前兆臺網(wǎng)運行評價系統(tǒng) 2011版軟件計算兩套水位儀M2波潮汐因子及其觀測精度（劉春國等，2015），并進行對比分析，其結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，對于M 2波潮汐因子和觀測精度，SWY-Ⅱ水位儀均優(yōu)于LN-3A水位儀。

表4 水位儀M 2波潮汐因子及其觀測精度對比

1.4 系統(tǒng)漂移

SWY-Ⅱ和LN-3A水位儀傳感器均采用擴散硅半導(dǎo)體壓力器件。一方面半導(dǎo)體的溫度特性使硅壓力傳感器的零點和靈敏度隨溫度而發(fā)生漂移（孫鳳玲等，2007；張艷鋒等，2008），導(dǎo)致測量精度會下降（何平等，2008）；另一方面，由于傳感器埋深（即傳感器探頭至水面的距離）會隨著時間發(fā)生變化，也會導(dǎo)致測量精度發(fā)生變化（楊鼎鴻等，2013），因此有必要計算兩套數(shù)字化水位儀在工作環(huán)境下的系統(tǒng)漂移。

由于每天均對靜樂井SW 40-1水位儀進行校測，因此可以認(rèn)為SW 40-1水位儀測量值是準(zhǔn)確的，故以SW 40-1水位儀2015年4月18日～6月30日的日均值為基準(zhǔn)，與兩套數(shù)字化水位儀同時段的日均值分別相減，得到兩組差值，以此來確定每套儀器隨時間變化漂移情況。差值對比曲線如圖4所示，SW 40-1水位儀日均值曲線如圖5所示。

圖4 靜樂井兩套數(shù)字水位儀系統(tǒng)誤差對比分析曲線

由圖4可知，SWY-Ⅱ水位儀正向最大漂移量為0.019m，LN-3A水位儀為0.011m；SWY-Ⅱ水位儀反向最大漂移量為-0.011m，LN-3A水位儀為-0.013m；SWY-Ⅱ水位儀漂移量平均值為0.0014m，LN-3A為-0.0048m。從曲線形態(tài)上來看，2條曲線較為一致，只是幅度略有差異；對2條曲線做一階差分后可以看出，SWY-Ⅱ水位儀的漂移量稍大于 LN-3A，最大相差0.009m，但漂移量都在mm級，這可能是由于兩套水位儀壓力傳感器的特性差異造成的。總體上來說，兩套水位儀測量值均會隨時間發(fā)生不同程度漂移，并且漂移量隨時間發(fā)生非線性變化，因此兩套數(shù)字化水位儀均需按照規(guī)范要求定期進行校測。

對比圖4和5可知，LN-3A和SWY-Ⅱ兩套水位儀系統(tǒng)漂移量最大時，靜樂井實際水位觀測值最小，由此說明水位的上下波動對兩套水位探頭的壓力響應(yīng)系數(shù)有一定的影響。

圖5 靜樂井SW 40-1水位曲線

1.5 氣壓效應(yīng)

氣壓對地下水影響具有普遍性（汪成民等，1988；耿杰等，2001），氣壓每變化1hPa所引起的水位變化稱為井水位氣壓效率，單位為mm／hPa，利用SPSS軟件對靜樂井兩套水位儀日均值與氣壓數(shù)據(jù)進行皮爾遜相關(guān)系數(shù)計算后發(fā)現(xiàn)，SWY-Ⅱ水位儀與氣壓相關(guān)系數(shù)為0.307，LN-3A水位儀與氣壓相關(guān)系數(shù)為0.293，相關(guān)程度均較弱，兩套水位儀測值與氣壓的相關(guān)系數(shù)較為接近。

1.6 水震波效應(yīng)

2015年4月～7月，靜樂井SWY-Ⅱ和 LN-3A水位儀記錄到6級以上地震4次（表5）。

表5 靜樂井?dāng)?shù)字水位儀記錄地震情況對照表

地下水位水震波受觀測層的巖性、埋深、井孔-含水層間的導(dǎo)水能力、井孔水柱高度、地震地點、震級（耿杰等，2001、2008）及觀測儀器（廖麗霞等，2009；廖麗霞等，2013）等諸多因素的影響。分析結(jié)果表明，LN-3A和SWY-Ⅱ水位儀在分鐘值采樣下均能清晰記錄到水震波，但震蕩時間和震蕩幅度均有明顯差別，具體原因是由于SWY-Ⅱ水位儀內(nèi)部采用秒采樣，然后將60s數(shù)據(jù)進行平均后獲得分鐘值數(shù)據(jù)，這樣相當(dāng)于SWY-Ⅱ水位儀進行了平均濾波，信號平滑度較好，但降低了靈敏度；而LN-3A水位儀是在每個分鐘某一個時刻進行數(shù)據(jù)采集獲得分鐘值數(shù)據(jù)。

由于SWY-Ⅱ水位儀保存了秒采樣的水位數(shù)據(jù)，這里截取了SWY-Ⅱ水位儀2015年4月25日尼泊爾地震前后記錄的秒采樣數(shù)據(jù)曲線，如圖6所示，通過圖6可以看到清晰的水震波，震蕩時間為50m in，和LN-3A水位儀相差無幾；震蕩幅度達到1.757m，比LN-3A水位儀高0.895m。基于此，建議將SWY-Ⅱ水位儀秒采樣數(shù)據(jù)接入到前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，這樣獲取的信息更多，有利于進一步研究。

圖6 靜樂井SWY-Ⅱ水位儀2015年4月25日秒數(shù)據(jù)曲線

1.7 自然環(huán)境干擾

利用前兆臺網(wǎng)（臺站）觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析軟件查詢可知，2015年4月18日～7月31日，LN-3A水位儀記錄到自然環(huán)境干擾事件5次，其中降水影響4次，雷電影響1次。以5月12日～17日記錄的事件為例進行說明，通過與SWY-Ⅱ水位儀同時段觀測數(shù)據(jù)對比可知（圖7（b）和（c）），2條曲線形態(tài)完全一致，從而說明了觀測數(shù)據(jù)變化與觀測系統(tǒng)無關(guān)，為了進一步說明是何種因素導(dǎo)致的水位上升，增加了忻州鴉兒坑雨量曲線，并且與2014年數(shù)據(jù)進行同期對比，如圖7所示。

圖7 靜樂井水位與降雨量同期對比曲線

從圖7可以看出，2014年5月9日～11日與2015年5月9日～10日同期均有降雨，導(dǎo)致靜樂井水位上升。

2 結(jié)論與討論

兩套數(shù)字化水位儀在并行運行期間工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)完整；通過曲線形態(tài)對比，兩套儀器一致性非常好；采用相關(guān)統(tǒng)計學(xué)方法得知，兩套數(shù)字化水位儀觀測數(shù)據(jù)精度均優(yōu)于0.001m，產(chǎn)出均值一致性較好；利用相關(guān)軟件對兩套數(shù)字化水位儀時均值數(shù)據(jù)計算了M 2波潮汐因子及其觀測精度，結(jié)果表明，SWY-Ⅱ水位儀觀測精度優(yōu)于LN-3A水位儀；基于靜樂井模擬水位數(shù)據(jù)，對兩套數(shù)字化水位儀系統(tǒng)漂移進行了計算，結(jié)果顯示，兩套數(shù)字化水位儀均出現(xiàn)不同程度系統(tǒng)漂移，因此在數(shù)字化水位儀運行過程中，需對水位傳感器定期進行標(biāo)定校測，確保水位數(shù)據(jù)真實可靠；兩套水位儀水位數(shù)據(jù)與氣壓相關(guān)性較為一致；分鐘值采樣下，水震波記錄震蕩時間及水位振幅有明顯差別；自然環(huán)境干擾方面，兩套水位儀干擾程度較為一致。

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，兩套數(shù)字化水位儀在系統(tǒng)漂移及水震波記錄方面存在著一些差異，SWY-Ⅱ水位儀秒采樣數(shù)據(jù)記錄地震波信息較為豐富，這為下一步深入研究提供了方向。