SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N水位儀對比分析

穆慧敏，程冬焱，胡玉良，張 梅，劉垚坤，李 穎

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025；3.臨汾市地震局，山西 臨汾 041000；4.山西省地震局五臺地震科技中心，山西 五臺 035515)

0 引言

井水位是我國地震地下流體觀測的主要測項，在地震監(jiān)測預(yù)報中發(fā)揮著重要作用。隨著“十五”“十一五”項目的全面建成，我國對井水位實現(xiàn)數(shù)字化觀測的同時，數(shù)字化水位觀測儀也在不斷更新?lián)Q代。“十五”期間，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數(shù)字化改造，統(tǒng)一安裝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和忻州鴉兒坑流體井進行數(shù)字化改造，安裝了由中國地震局地殼應(yīng)力研究所研制的SWY-Ⅱ型水位儀。依托“中國地震局地震背景場探測”項目、市縣“一縣一臺項目”等，在東郭流體井、臨汾井、洪洞井等安裝中科光大研制的ZKGD3000-N水位儀。

2017年9月至11月在朔州流體臺的水位觀測井內(nèi)，對目前我省水位觀測主要使用的LN-3A、SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N三類數(shù)字化水位儀進行對比試驗。文章以朔州流體井SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N觀測儀器為基礎(chǔ)，從儀器硬件組成、工作原理、性能指標(biāo)方面入手，結(jié)合數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量、固體潮效應(yīng)、水震波記錄等，對兩種水位儀進行對比分析。

1 儀器性能對比

朔州流體臺水位對比觀測采用3種不同型號的儀器(見表1)。由于LN-3A水位儀已停產(chǎn)，在此不做研究。SWY-Ⅱ、ZKGD3000-N儀器的水位傳感器分別置于井下24.9 m和25.1 m，分辨率均優(yōu)于1 mm。

表1 朔州流體井水位觀測儀器對比Table 1 Comparison of water level observation instrumentsin fluid well in Shuozhou

1.1 儀器硬件構(gòu)成及原理分析

SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N數(shù)字水位儀的傳感裝置均為壓力式傳感器，SWY-Ⅱ的硬件由主機與差壓式壓力傳感器組成，ZKGD3000-N的硬件由主機、絕壓式壓力水位傳感器、氣壓傳感器三部分組成。SWY-Ⅱ主機的主要功能是數(shù)據(jù)采集、存儲與傳輸，主要由主板、AD模塊、網(wǎng)絡(luò)接口(兼儀器顯示板)、電源模塊構(gòu)成；ZKGD3000-N主機構(gòu)成也基本類似，不同之處是其AD部分集成在前端傳感器內(nèi)。兩套儀器主機均采用高集成、模塊化設(shè)計思路，結(jié)構(gòu)簡單，安裝、維護便捷。

兩套儀器的工作原理相似，將傳感器置于井水面以下一定深度，當(dāng)水柱高度變化時，壓力傳感器上的壓力敏感元件受壓而產(chǎn)生微弱的電壓變化，通過電路放大，把隨井水位變化引起的電信號傳輸?shù)街鳈C中。不同的是SWY-Ⅱ儀采用差壓式壓力傳感器，采取導(dǎo)氣管與大氣連通的方式進行氣壓補償；ZKGD3000-N儀采用絕壓式壓力傳感器，采取氣壓測值參與計算的方式進行氣壓補償，測出水柱高度。

1.2 儀器技術(shù)指標(biāo)分析

SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N儀由于信號采集方式、水位測值計算方法、軟硬件不同，導(dǎo)致其技術(shù)指標(biāo)、功能應(yīng)用略有差異，如表2所示。

表2 SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N水位儀技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical index of SWY- II and ZKGD3000-N water level meter

通過對比兩套儀器的技術(shù)指標(biāo)，可以看出：

(1) 兩套儀器的氣壓補償方式不同、水位量程不同。SWY-Ⅱ儀通過線纜中導(dǎo)氣管與大氣連通的方法參與氣壓補償計算，限制它的水位量程，弊端在于若導(dǎo)氣管彎折或堵塞，可能會影響水位測值；ZKGD3000-N儀增加了氣壓傳感器，氣壓測值參與水位測量值計算，弊端是水位儀自帶的氣壓傳感器需要定時校準(zhǔn)，否則會導(dǎo)致水位測值誤差較大。

(2) 儀器性能特點。兩套儀器均有自復(fù)位功能，SWY-Ⅱ儀具有GPS自動校時功能，時間服務(wù)精度優(yōu)于1 s/d，此功能對于數(shù)據(jù)應(yīng)用分析的準(zhǔn)確性尤為重要。另外，它增加了軟件的遠程更新、儀器工作日志記錄、儀器供電異常、非法訪問等報警功能，便于對儀器遠程維護、及時排除故障；ZKGD3000-N儀則具備多測項功能。在軟件方面，SWY-Ⅱ儀優(yōu)勢更為明顯。

(3) 采樣率。采樣率越高，獲取的信息越豐富越全面。SWY-Ⅱ儀具備數(shù)據(jù)實時秒采樣記錄功能，明顯優(yōu)于ZKGD3000-N儀的分采樣率。

(4) 數(shù)據(jù)訪問方式。兩套儀器均具備Web頁面直接訪問儀器、查詢、下載數(shù)據(jù)、遠程管理儀器等功能。SWY-Ⅱ儀增加FTP方式訪問儀器，對儀器軟件升級、數(shù)據(jù)上傳、下載、查詢工作日志等操作更為便捷。

(5) 供電方式。ZKGD3000-N儀始終保持蓄電池供電，避免數(shù)據(jù)產(chǎn)生突跳、臺階等情況；根據(jù)中國地震局臺網(wǎng)中心對SWY-Ⅱ儀的測試報告，對儀器供電電源的交直流切換而影響數(shù)據(jù)變化幅度在0.001 m內(nèi)，表明觀測數(shù)據(jù)受供電影響也較小。

(6) 校準(zhǔn)方式。兩套儀器均通過儀器采集數(shù)據(jù)對比手動實測，計算差值，調(diào)整儀器參數(shù)，均存在數(shù)據(jù)偏差。

2 儀器線性度測試

線性度是描述傳感器靜態(tài)特性的一個重要指標(biāo)，表征儀器輸出量與輸入量實際校準(zhǔn)曲線與理論直線的吻合程度，可以判定儀器測值的相對誤差量。

2.1 SWY-Ⅱ儀線性度測試

2017年8月24日，在中國地震局地殼應(yīng)力研究所通過調(diào)節(jié)水位傳感器位置，對儀器線性度進行全量程測試陳華靜，李正媛，劉春國，等.ZKGD3000-NL型水位儀測試報告.北京，2016.。通過調(diào)節(jié)水位傳感器位置進行測試的結(jié)果如下：

去程測量。依次在2 m、3 m、4 m、5 m、6 m處，停留1 min，并記錄測量值。

回程測量。將探頭分別停留在6 m、5 m、4 m、3 m、2 m標(biāo)志處1 min，讀取測量值(見第23頁表3和圖1)。

水位儀傳感器去程最大誤差為0.004 m，最小誤差為0 m，平均誤差0.001 m；回程最大誤差為0.002 m，最小誤差為0 m，平均誤差0.001 m。測量誤差均小于0.02 m (0.2%FS)。去程、回程的線性擬合較好。

表3 測量誤差及線性度測試記錄表Table 3 Measurement error and linearity test record

圖1 SWY-Ⅱ水位儀線性度測試曲線Fig.1 Linearity test curve of SWY-Ⅱ water level meter

2.2 ZKGD3000-N儀線性度測試

2016年10月19日，在北京中科光大儀器公司通過調(diào)節(jié)水位傳感器位置，對儀器線性度進行全量程測試陳華靜，李正媛，趙家騮，等.SWY-Ⅱ型水位儀測試報告.北京，2017.的結(jié)果如下：

去程測量。依次在0 m、1 m、2 m、3 m、…49 m、50 m處，停留5 min，并記錄測量值。

回程測量。將探頭分別停留在50 m、49 m、48 m、…0 m標(biāo)志處5 min，讀取測量值。為便于與SWY-Ⅱ的儀器線性度測試結(jié)果對比，選取水面下10 m的測量結(jié)果(見表4、圖2)。

表4 測量誤差及線性度測試記錄表Table 4 Measurement error and linearity test record

圖2 ZKGD3000-N水位儀線性度測試曲線Fig.2 Linearity test curve of ZKGD3000-N water level meter

水位儀傳感器去程最大誤差為0.009 9 m，最小誤差為0.003 1 m，平均誤差0.006 1 m；回程最大誤差為0.008 6 m，最小誤差為0.002 9 m，平均誤差0.005 4 m。觀測誤差均小于0.02 m(0.2%FS)。去程、回程的線性擬合較好。

兩套儀器在升降試驗中測值變化較穩(wěn)定，從測試結(jié)果來看，觀測誤差均小于0.2%FS，動態(tài)穩(wěn)定性較好。

3 數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量分析

3.1 數(shù)據(jù)一致性分析

選取朔州流體井SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N水位儀2017年9月1日至30日的觀測數(shù)據(jù)分鐘值，繪制動態(tài)曲線如圖3所示。

圖3 SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N水位儀分鐘值曲線圖Fig.3 Minute values of SWY- II and ZKGD3000-N water level meter

從圖3看出，兩套水位儀均能記錄到日波與半日波，數(shù)據(jù)形態(tài)較一致，且均記錄到一些波動信號。采用Vendikov潮汐調(diào)和分析方法計算兩套水位儀M2波潮汐因子[1]及其觀測精度[2]，對比分析結(jié)果如第24頁表5所示。結(jié)果表明，兩套儀器的M2潮汐因子、觀測精度及標(biāo)準(zhǔn)差的差別較小。

3.2 水震波效應(yīng)

2017年9月8日12：49墨西哥沿岸近海發(fā)生M8.2地震，震源深度20 km。朔州井兩套水位儀均記錄到水震波，震中距13 277 km，如圖4、圖5所示。

表5 SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N水位儀M2波潮汐因子及其觀測精度對比Table 5 Comparison of M2 wave tide factor and observation precision between SWY-Ⅱ and ZKGD3000-N water level meter

圖4 SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N水位儀記錄水震波分鐘值曲線圖Fig.4 The minute value of water shock wave recorded by SWY-Ⅱ and ZKGD3000-N water level meter

由圖4和圖5可知，SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N水位儀分別于13:25和13:18記錄到水震波，最大變幅分別為0.09 m和0.146 m，持續(xù)時間分別為274 min和237 min。記錄的水震波差異原因為：

(1) 記震時間差異。因兩套儀器均為實驗儀器，未經(jīng)人工校時，同井觀測的另一套LN-3A水位儀記錄到水震波時間為13:26(人工定時校時)。由此可見，因SWY-Ⅱ水位儀具有GPS自動校時功能，記錄到非正常事件的時間更為準(zhǔn)確，ZKGD3000-N水位儀需人工定時校時。

(2) 振蕩幅度差異。因SWY-Ⅱ水位儀內(nèi)部采用秒采樣，然后將60 s數(shù)據(jù)進行平均后獲得分鐘值數(shù)據(jù)，相當(dāng)于進行了平均濾波[3]；ZKGD3000-N水位儀同樣為秒采樣進行平均后獲得分鐘值，記錄到水震波振蕩幅度比SWY-Ⅱ水位儀略大，與同井LN-3A水位儀(投放深度15.89 m、秒采樣振蕩幅度0.182 m)相比較，傳感器投放深度略微不同，對SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N儀幅度的影響較小。ZKGD3000-N和SWY-Ⅱ水位儀記錄振蕩幅度的差異可能是求取分鐘值的算法不同，或是儀器所使用元器件不同導(dǎo)致。

(3) 振蕩持續(xù)時間差異。ZKGD3000-N相比SWY-Ⅱ的水震波持續(xù)時間較短，數(shù)據(jù)曲線較快恢復(fù)到平滑狀態(tài)，可能是ZKGD3000-N對特定幅度范圍的觀測數(shù)據(jù)做了濾波處理，使得正常觀測數(shù)據(jù)曲線更為平滑。

(4) 秒值數(shù)據(jù)與分鐘值數(shù)據(jù)差異。由繪圖結(jié)果來看，SWY-Ⅱ的秒采樣數(shù)據(jù)記錄到的信息更為完整[4]。

4 結(jié)論

通過以上分析，得到以下初步認識。

(1) 儀器性能方面。兩套水位儀的測量精度均優(yōu)于0.001 m；線性度測試結(jié)果較為接近，儀器相對誤差均小于0.2% FS；兩套儀器均有自復(fù)位功能，且具有更為廣泛的應(yīng)用環(huán)境溫度，能較好地保障儀器運行率；軟硬件方面，SWY-Ⅱ水位儀增加GPS自動校時功能，可提高記錄事件的準(zhǔn)確性。

(2) 數(shù)據(jù)應(yīng)用方面。通過觀測曲線形態(tài)對比，兩套儀器觀測數(shù)據(jù)一致性較好；采用相關(guān)統(tǒng)計學(xué)方法計算得到M2波潮汐因子及觀測精度差異較小；分鐘值采樣的水震波記錄振蕩時間及振蕩幅度略有差別；秒值數(shù)據(jù)與分鐘值數(shù)據(jù)比較，SWY-Ⅱ儀秒采樣記錄的水震波更為完整，獲取的信息更為豐富。

(3) 儀器維護方面?；谟^測原理略有差異，兩套儀器在維護過程中，SWY-Ⅱ儀需注意避免線纜中導(dǎo)氣管彎折或堵塞，ZKGD3000-N儀需定期對氣壓傳感器進行標(biāo)定，確保水位數(shù)據(jù)真實可靠；SWY-Ⅱ儀增加FTP訪問儀器方式，在軟件升級、數(shù)據(jù)上傳、下載、查詢儀器工作日志等方面操作更為便捷；ZKGD3000-N儀可最大限度地避免人為對數(shù)據(jù)操作的失誤。

(4) 在今后的觀測中，建議開展多套不同型號儀器的同井對比觀測，對儀器性能及水井條件的分析評價更有意義。

綜上所述，通過對朔州流體井不同數(shù)字化水位儀的對比分析，兩套水位儀記錄到的水位形態(tài)一致性較好，均能較好記錄到水位短期動態(tài)中常見的一些地球物理現(xiàn)象，如潮汐效應(yīng)、同震和震后效應(yīng)、日波和半日波等，基本能滿足水位的長期動態(tài)觀測。