辛集冀21井数字化水位观测内在质量分析

王　静，王利兵，宋　昭，解　真，罗　娜，赵志远，李细顺

(河北省地震局红山基准地震台，河北　邢台　054000)



辛集冀21井数字化水位观测内在质量分析

王静，王利兵，宋昭，解真，罗娜，赵志远，李细顺

(河北省地震局红山基准地震台，河北邢台054000)

对辛集冀21井模拟、数字化水位观测精度变化进行对比研究，结果表明数字化水位资料观测精度高、仪器运行稳定。文章分析并总结了影响数字化水位观测精度的因素，为今后观测资料分析及异常判定提供依据，也为进一步提高水位观测内在质量奠定基础。

水位观测；观测精度；内在质量；影响因素

0　引言

地下水位能够随潮汐引力的大小发生升降变化，表现较明显的地球固体潮效应。辛集冀21井观测的水位数据日变动态均呈现显著规律性，较多地呈双峰双谷型，分析井点对固体潮记录的响应能力可以判别该井点的灵敏度。

固体潮具有丰富的潮汐分量，由月球引力引起的O1波和M2波受气压影响的程度较小，理论上都是分析水位固体潮较理想的指标。但由于O1波幅度较小，信息往往隐含在噪声中难以识别，而M2波幅度为水位潮汐信息中最大的一个谐波，因此M2波是分析井水位固体潮以及含水层特征最有效的潮汐分量[1]。通过对不同时间长度采样数据的频谱分析表明，M2波幅度与潮汐长度变化密切相关，选取不同时间长度的采样数据对M2波幅度的差异性较大。一个月时间尺度的采样数据包含2个大潮和小潮，且有足够的数据长度可以使计算结果相对稳定[2]。

本文选取2015年辛集冀21井模拟和数字化地下水位数据，采用维尼迪可夫(Venedlkov)调和分析方法，逐月分析计算水位对固体潮M2波的响应能力，以此检验井水位数据的内在质量。

1　观测井概况

辛集冀21井观测站位于河北辛集市北偏西7 km处，属邢台—河间地震带。井深2 052.4 m，观测层为震旦亚界白云岩，埋深1 539.40 m至2 052.37 m，厚度512.97 m。站点的地质—水文条件清楚，套管止水措施效果良好且不受降雨直接渗入补给影响，但受地下热水开采影响明显。目前，进行正式观测的测项包括模拟水位、数字化水位和气象三要素。观测仪器采用SW-40型模拟水位仪、LN-3A型数字式水位仪及WYY-1型气象三要素观测仪。

辛集冀21井模拟观测采用SW-40型日记水位计，图纸记录方式，人工读取整点值数据。数字化观测采用LN-3A型数字水位仪，使用中国地震前兆台网数据管理系统收取储存数据，用中国地震前兆台网数据处理系统对数据进行预处理。该仪器采用高精度压力式水位传感器，无机械随动系统，观测精度不受水位埋深和井斜影响，有极高的水位跟踪速度。其工作原理是利用测量液体内部压强的方法来测量水位。水位传感器的量程范围为0～10 m，水位分辨率为1 mm[3]。

2　辛集冀21井模拟、数字化水位观测资料内在质量对比分析

通过对潮汐效应的分析计算可获得水位动态及潮汐响应函数的基本特征参数，即为观测井的特征参数。其可以客观反映观测井的基本“素质”和周边环境的影响，可用于定量评价各个井的内在质量优劣。水位数据的观测精度为中误差与潮汐因子比值，固体潮相对误差越小，数字化水位观测越稳定。

水位观测内在质量是全国观测资料的质量单项评比与综合评比中的一项，评比分数为20分。根据2015年新修订的水位观测资料评分标准，水位数据内在质量占20分：当观测精度<0.01得15分，每增大 0.01扣0.35分；当观测精度<0.04，潮汐因子≥1.00(动水位≥0.08)时，得5分，每降低0.1(动水位0.05)扣0.05分；观测精度>0.4时，潮汐因子不得分。

采用Venedlkov调和分析方法对辛集冀21井模拟和数字化水位观测资料进行分析。表1为模拟水位2012至2015年(2011年无数据)与数字水位2011至2015年潮汐因子、中误差、观测精度变化年均值对比表，表2为2015年1至12月模拟、数字化水位观测资料潮汐因子、中误差、观测精度变化月均值对比表。

表1　辛集冀21井模拟、数字化水位2011年至2015年潮汐因子、观测精度变化年均值对比表

表2　辛集冀21井模拟、数字化水位2015年1月至12月潮汐因子、观测精度变化月均值对比表

由表2可以看出，辛集冀21井模拟水位观测资料12个月的潮汐因子在2.61～2.98之间，均大于1.00，不扣分；观测精度9月为0.007 8(<0.01)，不扣分，其余每月均超过0.01。图1为辛集冀21井模拟、数字化水位观测资料2015年1至12月观测精度曲线对比图，经分析发现，模拟水位观测资料的观测精度低于数字化的，且后者相对稳定。数字化水位观测资料潮汐因子在3.07～3.14之间，观测精度在0.006～0.012之间。由表1、表2可知，辛集冀21井不论是模拟还是数字化水位观测资料，固体潮效应都很明显，较好地反映了地球潮汐变化。由于模拟水位观测过程中，需每24小时更换一张记录纸，数据靠人工读取，存在换纸造成的资料缺数和人为误差及记录笔污染图纸和记录曲线虚的弊端[4]。因此，数字化观测数据的固体潮效应反映都优于相应的模拟观测数据，数字化观测数据的观测精度也优于相应的模拟观测数据。

图1　辛集冀21井数字化、模拟水位观测资料2015年1月至12月观测精度曲线图Fig.1　Observation accuracy of digitized water level and simulated water level in Xinjiji Well 21 from January to December in 2015

3　影响数字化水位观测内在质量的因素

3.1周围井孔地下水开采造成干扰

辛集冀21井水位观测主要干扰源为每年冬季采暖期周围井孔的地热开采。采暖期开始就会引起地下水趋势性下降，采暖期结束后开始缓慢上升。井水位的年起伏完全受控于周围井孔的地热开采，影响水位的正常动态。如图2所示，水位自2011年至2015年已累计下降约26.5 m。

图2　辛集冀21井2011年至2015年水位日均值图Fig.2　Daily mean values of water level in Xinjiji Well21 from 2011 to 2015

3.2仪器零漂

据张道口-1井LN-3A型水位仪2001年6月17日始测至2003年1月8日进行零点检查，1年半时间零漂达0.2 m，日零漂幅度0.35 mm[5]。据宁德一号井数字化水位仪零漂问题的跟踪校测与分析结果看，数字化水位仪在观测过程中存在明显的零漂现象，水位零漂幅度受仪器室温度、井水温、传感器埋深多种因素综合作用影响[6]。由此可知，仪器的零漂降低了数据的可靠性，影响数据的观测精度。目前，大部分台站缺乏零点检查这方面工作的实施记录，建议每半年对LN-3A型水位仪进行水位探头零点的归零处理，并做记录。

3.3探头位置影响观测精度

LN-3A型水位仪工作原理是利用测量液体内部压强的方法来测量水位。液体内部的压强与其深度的函数关系式为P=ρgh，这里密度ρ和重力g都是常数，压强P与深度h成正比关系。当把压力传感器固定在水下某一深度，水位变化时压力传感器的输出信号产生与水位同步的变化[7]。分析认为由于仪器自身的原因导致压强与深度之间的线性关系不稳定。

LN-3A型水位仪在水中的深度与水位观测精度成反比关系：在水中越深，观测精度越差；在水中越浅，观测精度越好，但目前仍无法给出两者的定量关系。因此，放置探头时应尽量靠近水面。

4　结语

(1) 辛集冀21井水位观测仪器工作状态稳定且数据连续可靠，具有一定的研究价值。

(2) 同一井孔模拟水位观测与数字化水位观测相比较，数字化观测可以提高水位观测的内在质量，且具有较高的稳定性和观测精度。

(3) 辛集冀21井水位潮汐效应明显，水位潮汐因子和观测精度分别为3.103 3和0.008 2。

(4) 针对LN-3A型水位仪的零点漂移问题，在每半年对水位仪现场检查时应进行零点归零处理。

[1]尤宇星，陈小云，谢文杰，等.泉州地区地下水位观测资料初步分析[J].华北地震,2014(1):65-71.

[2]陈莹，黄辅琼，朱石军，等.采样数据长度对潮汐因子计算精度的影响[J].地震地磁观测与研究，2012，33(5/6):146-151.

[3]中国地震局地震预测研究所.LN-3A型数字水位仪使用说明书[N].中国地震局地震预测研究所，2006:7.

[4]解晓静.琼海加积井水位模拟观测与数字化观测资料对比分析[J].地震地磁观测与研究，2010，31(3):83-87.

[5]王建国，刘春国，陈华静，等.影响张道口—1井数字化水位内在质量的因素分析[J].内陆地震，2007(2):155-159.

[6]兰陵，李新勇，夏爱国.新04井数字化水位观测与模拟观测资料的对比分析[J].内陆地震，2004，18(4):382-384.

[7]杨鼎鸿，程庆斌，邓聪，等.数字化水位观测仪零漂分析[J].地震地磁观测与研究，2013，34(3/4):144-149.

Intrinsic Quality of Observation of Digitized Water Level in Xinjiji Well 21

WANG Jing, WANG Li-bing, SONG Zhao, XIE Zhen, LUO Na, ZHAO Zhi-yuan, LI Xi-shun

(Hongshan Reference Seismological Station of Earthquake Administration of Hebei Province, Xingtai,Hebei 054000,China)

The accuracy of simulated water level observation and digital water level observation in Xinjiji well 21 is compared. The results show that the observation accuracy of digital water level data is high, and the operation of the instrument is stable. Several factors affecting the accuracy of digital water level observation are analyzed and summarized. This summary provides the basis for the analysis of observation data and the abnormity judgment in the future, and for further improving the intrinsic quality of water level observation.

Water level observation; Observation accuracy; Intrinsic quality; Influence factor

1000-6265(2016)03-0018-03

2016-03-21

河北省地震局监测、预测、科研三结合课题(DZ201504024092)。

王静(1983—)，女，河北省邢台人。2009年毕业于河北工程大学，工程师。

P332.3

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