影响DSQ型水管倾斜仪资料的蒸馏水问题研究

张璐+李奇+韩晓飞+陈冬柏

摘 要：倾斜仪是一种以观测地壳倾斜变形为基础，研究地震物理过程和地球动力学的仪器，它在大地测量和地球物理领域发挥着重要的作用。文章分析总结了水管仪铂体内蒸馏水的各类问题对观测资料的影响情况，并提出了相应的解决方法，对提高水管仪观测精度、数据质量有较大帮助。

关键词：水管仪；蒸馏水；漂移；干扰因素

中图分类号：TH762.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）19-0189-02

引言

DSQ型水管倾斜仪是自动测量地壳倾斜变化的精密仪器，可以用来测定倾斜变化、固体潮与获取地震前兆信息，还可用于地球动力学与精密工程测量等方面[1]。该仪器采用差动变压器式位移传感器，具有结构合理、性能稳定可靠、功能全、使用范围广等特点。

水管仪正常观测时，每日生成分钟值、整点值采样数据，能够记录到清晰的倾斜、应变固体潮汐以及震前异常信息[2]。DSQ型水管倾斜仪从“十五”时期观测至今，积累了很多仪器维护方面的经验，也归纳了各类仪器故障和干扰因素情况。水管仪观测系统中的蒸馏水蒸发问题，水质变化情况等，对观测资料的精度和质量也有很大影响，通过分析这些现象，提出以解决该问题，提高观测数据质量的方法。

1 仪器原理及影响观测资料的因素

DSQ 型水管仪工作基本原理是根据连通管内水面保持自然水平的原理（水管仪工作原理见图1）。当台基出现相对垂直位移时，两端液面便会相对仪器钵体发生变化，通过浮子、位移传感器等变成电信号输出自动记录，最后将△h换算成相应的地倾斜角△=（L为仪器两端点的跨距）[3]。

目前数字化DSQ水管倾斜仪已经在全国范围内广泛安装使用，已经累计观测十余年，观测曲线除记录到清晰的固体潮外，伴有突跳、台阶、缺数等常见异常形态，另一种常见现象就是仪器漂移，影响漂移的原因主要包括环境影响和观测系统自身因素。环境影响有山洞内温度、地质、水文、岩性、地形、地貌等自然条件。仪器观测系统、仪器墩等也存在系统性漂移。另一个重要的因素就是长水管内的蒸馏水蒸发、变质、漏水对观测曲线的影响。

2 蒸馏水蒸发对仪器的影响

数字化DSQ水管倾斜仪存在自身的漂移，且负向漂移的主要原因是由于铂体内以及长水管内的水分蒸发，有些洞室比较干燥的台站水分蒸发速度更快，所以当数据快要漂出有效测量范围-2V～+2V时，则需要人为进行仪器调零。有的台站需要频繁的进行系统调零，这样过于频繁，尤其是台站位置偏远，进行一次仪器调零费时费力，人为手动调零的过程也对观测仪器的记录曲线影响很大，而常常由于水分蒸发会导致仪器观测曲线异常（见图2）。

由于水分蒸发，2013年8月，乾县地震台水管仪NS向出现大幅度向N倾斜的异常，EW向曲线正常（见图3）。经台站人员检查，N端浮子底部接近落底临界状态，浮子出现倾斜且触碰铂体边缘。

台站人员向N端加入提前放置在山洞内的蒸馏水，加水量约为20mL；加水完毕后，浮子抬起，调节浮子位置、线圈位置，并调节量程。加水后NS向趋势逐渐恢复正常。

因此，在日常的仪器维护过程中，对于某些仪器水分蒸发较快的台站，为了减少加水调节量程造成的人为干扰，使水管仪观测精度、数据质量得到较大提高，洱源地震台字承柱等人做了在蒸馏水中加入二甲基硅油和石蜡油做对比分析实验，实验得出，石蜡油能有效控制水管仪水蒸发速度[4]。此外，也可以设计一种基于单片机控制的自动补水装置，利用步进电机作为驱动，将补水容器与水管仪的铂体连接，根据水分蒸发情况调节补水量，有效提高倾斜观测数据的可靠性与完整率，大大提高对有些偏远无人台站的数据监控和校准工作，减少对于仪器维护中的人为影响与效率低的情况。

3 蒸馏水质对标定情况的影响

随着数字化水管仪在地震台站中的不断应用、自动化水平的提高，在仪器标定过程中出现的问题也不断增加。DSQ水管倾斜仪利用连通管原理和水的不可压缩性，采用标定棒增减液体体积人为改变液面变化来进行静态标定是该仪器的标定方法，即通过标定求得液面改变单位高度时，电信号的变化量△UC在数量上的变化。

由于仪器要在山洞中观测十年甚至幾十年，所以长水管中的水质会因为山洞内的情况发生不同情况的霉变。当蒸馏水发生变质、产生絮状物时，往往会对仪器的正常标定产生影响，导致的结果是标定时水位不稳，或者标定棒活动时，由于在铂体内部的絮状物、杂质增多，影响传感器的电压变化△UC读数，导致标定精度超标，相对误差增大，仪器无法采用新的格值。此时需要及时的清洗长水管及铂体，更换水管内的蒸馏水。

4 漏水对观测曲线的影响

DSQ型水管倾斜仪的两个主体安放在山洞洞室基岩主墩上，两主墩中央安置标定装置，用玻璃管一根接一根的衔接，接头用硅胶管使它们连通，再将长水管接入水管仪的铂体部分。在安装过程中，一般会对各个接口部分进行检查，一是避免水管中有气泡进入，二是防止硅胶管连接部分漏水。

当水管仪的水槽或者长水管出现开裂、漏水等现象时，则NS向或者EW向产出的固体潮曲线会发生严重漂移，比水分的蒸发更快，曲线会严重的倾斜。观测人员应该进洞室仔细检查水管仪各部分的玻璃管和硅胶管接触面，以及水槽和各密封处。如果是长水管有破裂，那么应当及时更换新的水管；如果是硅胶管和水管连接处有问题，那么应当更换硅胶管重新进行连接；如果水槽破损，那么应当用密封胶进行处理，或者更换新的水槽。

5 结束语

DSQ型水管仪受元器件故障、环境干扰、人为干扰、水蒸发等因素影响，观测数据质量会受到不同程度的影响。本文主要针对水管仪的水蒸发问题，蒸馏水变质、仪器漏水等现象进行了分析总结，希望能够提高数据观测质量，产出符合要求的真实、连续、完整、可靠的形变资料。

参考文献：

[1]武汉地震科学仪器研究院.DSQ型水管倾斜仪说明书[Z].2006.

[2]李永振.铁岭地震台数字化水管仪资料分析[J].形变学科通讯，2007（2）：45-50.

[3]中国地震监测预报司.地壳形变数字观测技术[M].北京：地震出版社，2003.

[4]字承柱.洱源地震台水管仪水蒸发问题实验[J].地震地磁观测与研究，2016，37（5）：120-125.