数字化水位仪探头现场检查之检讨

龚永俭

(天津市地震局， 天津 300201）

0 引言

“九五” 期间， 我国地下流体台网的水位仪全面实行了数字化， 主要推广的是中国地震局分析预报中心研制的LN-3 型数字化水位仪。 “十五” 期间， 中国地震局地壳应力研究所研制成功SWY-1 型数字化水位仪并开始在流体观测网中投入运行。 目前， 地震系统的水位观测主要采用这两种水位仪。 这两种水位仪的测量原理均是利用传感器探头检测在井水中所受到的压强， 进而转换成水位数值来测量实际水位①LN-3 型数字水位仪使用说明书， 中国地震局分析预报中心， 2001.、②SWY 型数字水位仪使用说明书， 中国地震局地壳应力研究所， 2010.。 水位仪探头是否正常是决定水位观测数据可用性的重要依据， 对长期、 连续进行井孔水位观测的数字化水位仪的探头做现场检查具有重要的意义和价值。

1 数字化水位仪现场检查的两种方法

对数字化水位仪的现场检查的方法， 2006年之前采用的是中国地震局监测预报司下发的《地下流体数字观测技术》 规范[1]， 2006年12月26日地下流体学科组下发了新的要求，对原来的水位仪现场检查方法做了补充修改， 并规定自2007-01-01 起在全国各台站执行。笔者首先对这两种规定中的水位现场检查方法作简要介绍。

1.1 原有的现场检查方法

《地震及前兆数字化观测技术规范——地下流体观测》 规定水位仪现场检查一般每年进行一次， 采取变动水位仪传感器的放置深度并同步测量电压输出值的方法[2]。 2001年11月8日地下流体学科技术协调组下发的《地下流体学科工作简讯》 要求水位观测台站要每六个月要对数字化水位仪的传感器（即探头）准确性检查1 次， 同时细化了观测技术规范中提到的变动水位仪传感器放置深度的现场检查方法， 具体方法规定如下：

（1）在水位仪探头（传感器）当前位置， 用万用表测量输出端电压值并转换成水位值或由数采与记录仪数显窗口读取水位值。

（2）将水位仪探头（传感器）提升200 mm， 用万用表测量输出端电压值并转换成水位值或由数采与记录仪数显窗口读取水位值。

（3）再重复进行第2 步操作。

（4）将水位仪探头（传感器）下放400 mm（恢复原位置）， 用万用表测量输出端电压值并转换成水位值或由数采与记录仪数显窗口读取水位值。

（5）对每次提升、 下放后测量的水位值与实际提升、 下降的水位值进行比较， 当两者误差≤3mm 时， 可认为仪器工作正常， 产出的数据可靠。

1.2 现行的现场检查方法

2006-12-26 地下流体学科技术管理组下发 《地下流体数字化观测规范的仪器检查与标定若干补充规定》（以下简称 《补充规定》）， 对水位仪现场检查的方法予以修订， 要求“有人值守的台站每月的15日前后3日的1日内进行校测”， 该补充规定已于2007-01-01起执行。 《补充规定》 对静水位井的水位仪现场检查采取测钟检查方式。 具体方法为： 进行5 次测量， 测钟读数一次， 同时读取水位仪显示值， 用探头埋深减去水位仪显示值， 得出水位实测值， 以每组5 次校测水位值的平均值与相对应的5 次水位实测值的平均值计算相对误差δ。 计算公式为：

表1 不同静水位观测井校测容许误差表Table 1 Allowable error of calibration in different wells of static water level observation

不同静水位深度的校测容许误差见表1。

当|δ|≤上表的误差时， 认为水位观测仪器正常。 当|δ|＞上表的误差时， 须重新进行现场检查， 第二次现场检查的相对误差|δ|≤上表的误差时， 认为水位仪探头工作正常； 否则，则认为水位仪探头工作不正常， 须到实验室进行标定。

2 两种现场检查方法的比较研究

2.1 原有的现场检查方法

水位仪原有的现场检查方法在人为变动探头位置时水位仪实测值也会相应改变， 造成现场检查时时段的水位实测值与实际有一定的偏差， 分钟值曲线发生严重畸变， 具体表现为出现下降的台阶。 图1 是2002-07-19 后郝窑台怀4 井水位分钟值曲线， 从曲线中可以看出在进行数字化水位仪现场检查时段的10∶29～11∶27 水位分钟值曲线出现了较严重的台阶畸变[3]。 而且由于变动水位仪探头位置现场检查水位仪需要等待探头稳定后才能产出正常的数据， 一次现场检查影响近1 h 的水位观测。

图1 2002-07-19 后郝窑台怀4 井水位分钟值曲线Fig.1 Minute-value curve of water level of Huai 4 well in Houhaoyao seismic station on July 19, 2002

这种水位仪现场检查方法理论依据的是探头检测水位是线性的， 提升水位仪探头， 探头受到压强降低， 主机检测到的电压值就变低。 这种方法是比较科学的。 如果选择在水位变化相对平稳的时段， 这种现场检查是不受仪器零漂因素影响的。 只要仪器探头和主机没有故障， 观测人员在操作上没有问题， 人为提升或降落探头的高度完全可以通过水位仪主机检测出来。 相反， 如果数字化水位仪探头有故障， 则检测的结果将出现严重偏差， 依此可以判断出水位的探头的故障， 并按规定送有关部门修理， 从而保证水位观测数据的准确可靠。

2.2 现行的现场检查方法的结果及分析

现行的水位仪现场检查采用的测钟的方法。 测钟检查方法由于不需要人为变动水位仪探头的位置， 因而也就不需要等候稳定时间， 整个现场检查时段较短， 如果两名有经验的操作员相互配合完全可以在五、 六分钟内完成现场检查。 测钟检查方法现场检查水位仪探头过程中尤其应当注意测钟入水要稳定， 不要引起水面的剧烈震荡。 如果测钟不引起水面剧烈震荡， 则整个检查过程中水位实测曲线不受影响， 全部数据可用。 图2 是2011-12-05高村井水位分钟值曲线， 水位仪现场检查时段是9∶20 分～9∶24 分， 该时段的水位曲线变化平稳， 表明水位观测数据未受到水位仪探头现场检查的影响。

但是， 水位仪作为电子类仪器， 存着零漂的可能。 椐三峡地下水动态观测井网的有关报告， 三峡井网8 口井水位观测运行2月后发现4 口井水位有一定零漂， 漂移量为7～22 cm／月， 漂移的方向均为正漂移[4]。 北京塔院井在2001年4个月时间里最大零漂幅度为0.1 m， 2002年12个月时间里最大零漂幅度为0.25 m， 2003年11个月时间里最大零漂幅度达0．642 m[4]。 张道口－1 井水位仪2001-06-l7 始测至2003-01-08 进行零点检查， 1年半时间零漂达0．2 m，日零漂幅度0．35mm[5]。 并且水位仪零漂过程不是线性的[4]。 水位仪的零漂对现行的数字化水位仪探头现场检查有较大的影响。

在现行的测钟现场检查过程中， 水位仪测量值不但包含井孔水位真实变化的成份， 还包含了水位仪零漂的累积， 而水位校测值则是井孔的实际水位值， 两者从理论上就相差一个差值—水位仪零漂累积值。 如果一台水位仪的月零漂为20 mm， 实际水位在10 m， 假设漂移线性变化， 累积6个月， 即令水位仪探头和主机均正常， 检测到的真实水位值与校测值完全一致， 那么水位仪读数加上了零漂累积值后， 按公式计算的|δ|等于1.2%， 按规定这次现场检查属于不合格。 这样反复进行多次现场检查也不可能测出合格的数据， 而送到实验室标定水位仪探头， 则结果却又是合格的。 可见现行的测钟校测方法是有其局限性的，遇数字化水位仪零漂严重的则不能正确适用。

图2 2011-12-05 高村井水位分钟值曲线Fig.2 Minute-value curve of water level of Gaocun well on December 5, 2011

2.3 现场检查对同井孔地热（水温）观测的影响

地下流体观测台站一般用同一口井孔进行水位和地热（水温）观测。 我们发现在水位仪现场检查过程中， 部分井孔的地热（水温）会受到水位仪现场检查的影响， 而且非常严重。图3 是2011-12-05 高村井地热（水温）分钟值曲线， 从图中可以看出， 在水位仪现场检查的9∶20～9∶24 时段， 同井孔中的地热（水温）曲线出现一个约0.01℃的下降台阶。 这种下降台阶如不能正确识别将影响到分析预报工作。

图3 2011-12-05 高村井地热（水温）分钟值曲线Fig.3 Minute-value curve of terrestrial heat (water temperature) of Gaocun well on December 5, 2011

图4 2011年高村井地热（水温）整点值曲线Fig.4 Hour-value curve of terrestrial heat (water temperature) of Gaocun well in 2011

这种变化并不仅发生在某次水位仪现场检查中， 每次的水位仪现场检查过程中同井孔地热（水温）均出现类似的变化。 图4 是2011 全年的地热（水温）分钟值曲线， 从中可以清楚看到水位仪4 次现场检查对同井孔地热（水温）的影响及地热（水温）逐步恢复的过程。

水位仪现场检查对同井孔地热（水温）观测的影响并不是在所有井孔中均如此。 我们所管理的宝坻台井、 王3 井的地热（水温）在同井孔水位仪现场检查过程中均未表现出显著的影响。 图5 是2011-12-05 宝坻台井地热（水温）分钟值曲线， 该日08∶07～08∶11 分进行水位仪现场检查， 在水位仪现场检查过程中及其后， 同井孔的地热（水温）观测曲线无显著变化。

图5 2011-12-05 宝坻台井地热（水温）分钟值曲线Fig.5 Minute-value curve of terrestrial heat (water temperature) of well in Baodi seismic station on December 5,2011

对于上述现象， 我们一直未能找到具体的缘由。 我们经初步研究后认为： 造成这种差别的原因可能与井孔内水层的温度梯度有关， 是在水位仪现场检查过程中测钟入水引起井孔内水层的微小变动所导致的， 也可能是在测钟下降过程中， 触碰到水温仪的电缆， 引起水温探头位置的微小改变， 从而导致观测曲线的变化。

3 结论与建议

通过对水位仪现场检查的两种方法进行比较研究， 可以得出以下结论：

（1）通过变动水位仪探头位置检查数字化水位仪探头是否能正常的方法是科学的， 但其耗时长， 检查过程中的水位数据不可用。 而且， 这种方法需要拉放水位仪探头连线， 操作不当可能对线缆或探头造成损坏。 这种方法的确不适用。

（2）现行的测钟校测静水位方法省时省力， 无须拉动探头连线， 不会对线缆或探头造成损坏。 但是， 其在计算误差时未考虑水位仪零漂累积的影响， 在这点上是不科学的， 对水位仪零漂较大的水位仪现场检查可能造成假想的探头不合格现象。

（3）水位仪现场检查可能对同井孔的地热（水温）观测数据造成或轻或重的影响。

据此， 笔者建议：

（1）可以对测钟校测水位的方法结合原现场检查方法作出改进， 如： 改成在一天分3～5个时刻， 分别用测钟校测一次水位， 同时读取水位实测值， 对差值进行比较， 如超过3 mm， 则需要在次日重新检查， 若次日的现场检查仍不合格， 则需将水位仪探头送到实验室标定。 这样就能有效克服水位仪零漂累积的影响。

（2）对于水位仪现场检查的频度应因“井”制宜， 地热（水温）观测受水位仪现场检查影响较严重的井孔应合理降低水位仪现场检查的频度， 当然在需要震情保障的活动前要进行一次临时检查， 以确定水位仪的正常运转。

（3）要重视水位仪的零漂问题， 规定每个台站都要对使用的水位仪进行零漂检查， 同时要规定零漂的合理范围， 在合理范围内的水位仪， 要定期调整零漂； 对于零漂过大的水位仪， 则需返厂修理。

[1] 中国地震局监测预报司. 地下流体数字观测技术[M]． 北京： 地震出版社， 2002.

[2] 中国地震局. 地震及前兆数字化观测技术规范——地下流体观测[M]． 北京： 地震出版社， 2001.

[3] 任佳， 秦占梅， 王长江， 等. LN-3 型数字水位仪传感准确性现场检查技术的改进[J]. 地震地磁观测与研究， 2004， 25 (2)： 101-102.

[4] 谷元珠， 刘成龙， 张培仁， 等. 塔院井数字化水位观测中的零漂问题明[J]. 华南地震， 2004， 24 (3)：52-55.

[5] 栗连弟， 王建国， 刘春国， 等. 张道口-1 井水位观测精度变化分析研究[J]. 防灾科技学院学报， 2006， 8(4)： 44-46.