SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N水位仪对比分析

穆慧敏，程冬焱，胡玉良，张 梅，刘垚坤，李 颖

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025；3.临汾市地震局，山西 临汾 041000；4.山西省地震局五台地震科技中心，山西 五台 035515)

0 引言

井水位是我国地震地下流体观测的主要测项，在地震监测预报中发挥着重要作用。随着“十五”“十一五”项目的全面建成，我国对井水位实现数字化观测的同时，数字化水位观测仪也在不断更新换代。“十五”期间，山西省地震局对镇川、朔州、太原、静乐、祁县、介休、孝义、漫水和东郭流体井进行数字化改造，统一安装由中国地震局地震预测研究所研制的LN-3A水位仪。“十一五”期间，山西省地震局对榆社红崖头和忻州鸦儿坑流体井进行数字化改造，安装了由中国地震局地壳应力研究所研制的SWY-Ⅱ型水位仪。依托“中国地震局地震背景场探测”项目、市县“一县一台项目”等，在东郭流体井、临汾井、洪洞井等安装中科光大研制的ZKGD3000-N水位仪。

2017年9月至11月在朔州流体台的水位观测井内，对目前我省水位观测主要使用的LN-3A、SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N三类数字化水位仪进行对比试验。文章以朔州流体井SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N观测仪器为基础，从仪器硬件组成、工作原理、性能指标方面入手，结合数据内在质量、固体潮效应、水震波记录等，对两种水位仪进行对比分析。

1 仪器性能对比

朔州流体台水位对比观测采用3种不同型号的仪器(见表1)。由于LN-3A水位仪已停产，在此不做研究。SWY-Ⅱ、ZKGD3000-N仪器的水位传感器分别置于井下24.9 m和25.1 m，分辨率均优于1 mm。

表1 朔州流体井水位观测仪器对比Table 1 Comparison of water level observation instrumentsin fluid well in Shuozhou

1.1 仪器硬件构成及原理分析

SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N数字水位仪的传感装置均为压力式传感器，SWY-Ⅱ的硬件由主机与差压式压力传感器组成，ZKGD3000-N的硬件由主机、绝压式压力水位传感器、气压传感器三部分组成。SWY-Ⅱ主机的主要功能是数据采集、存储与传输，主要由主板、AD模块、网络接口(兼仪器显示板)、电源模块构成；ZKGD3000-N主机构成也基本类似，不同之处是其AD部分集成在前端传感器内。两套仪器主机均采用高集成、模块化设计思路，结构简单，安装、维护便捷。

两套仪器的工作原理相似，将传感器置于井水面以下一定深度，当水柱高度变化时，压力传感器上的压力敏感元件受压而产生微弱的电压变化，通过电路放大，把随井水位变化引起的电信号传输到主机中。不同的是SWY-Ⅱ仪采用差压式压力传感器，采取导气管与大气连通的方式进行气压补偿；ZKGD3000-N仪采用绝压式压力传感器，采取气压测值参与计算的方式进行气压补偿，测出水柱高度。

1.2 仪器技术指标分析

SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N仪由于信号采集方式、水位测值计算方法、软硬件不同，导致其技术指标、功能应用略有差异，如表2所示。

表2 SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N水位仪技术指标Table 2 Technical index of SWY- II and ZKGD3000-N water level meter

通过对比两套仪器的技术指标，可以看出：

(1) 两套仪器的气压补偿方式不同、水位量程不同。SWY-Ⅱ仪通过线缆中导气管与大气连通的方法参与气压补偿计算，限制它的水位量程，弊端在于若导气管弯折或堵塞，可能会影响水位测值；ZKGD3000-N仪增加了气压传感器，气压测值参与水位测量值计算，弊端是水位仪自带的气压传感器需要定时校准，否则会导致水位测值误差较大。

(2) 仪器性能特点。两套仪器均有自复位功能，SWY-Ⅱ仪具有GPS自动校时功能，时间服务精度优于1 s/d，此功能对于数据应用分析的准确性尤为重要。另外，它增加了软件的远程更新、仪器工作日志记录、仪器供电异常、非法访问等报警功能，便于对仪器远程维护、及时排除故障；ZKGD3000-N仪则具备多测项功能。在软件方面，SWY-Ⅱ仪优势更为明显。

(3) 采样率。采样率越高，获取的信息越丰富越全面。SWY-Ⅱ仪具备数据实时秒采样记录功能，明显优于ZKGD3000-N仪的分采样率。

(4) 数据访问方式。两套仪器均具备Web页面直接访问仪器、查询、下载数据、远程管理仪器等功能。SWY-Ⅱ仪增加FTP方式访问仪器，对仪器软件升级、数据上传、下载、查询工作日志等操作更为便捷。

(5) 供电方式。ZKGD3000-N仪始终保持蓄电池供电，避免数据产生突跳、台阶等情况；根据中国地震局台网中心对SWY-Ⅱ仪的测试报告，对仪器供电电源的交直流切换而影响数据变化幅度在0.001 m内，表明观测数据受供电影响也较小。

(6) 校准方式。两套仪器均通过仪器采集数据对比手动实测，计算差值，调整仪器参数，均存在数据偏差。

2 仪器线性度测试

线性度是描述传感器静态特性的一个重要指标，表征仪器输出量与输入量实际校准曲线与理论直线的吻合程度，可以判定仪器测值的相对误差量。

2.1 SWY-Ⅱ仪线性度测试

2017年8月24日，在中国地震局地壳应力研究所通过调节水位传感器位置，对仪器线性度进行全量程测试陈华静，李正媛，刘春国，等.ZKGD3000-NL型水位仪测试报告.北京，2016.。通过调节水位传感器位置进行测试的结果如下：

去程测量。依次在2 m、3 m、4 m、5 m、6 m处，停留1 min，并记录测量值。

回程测量。将探头分别停留在6 m、5 m、4 m、3 m、2 m标志处1 min，读取测量值(见第23页表3和图1)。

水位仪传感器去程最大误差为0.004 m，最小误差为0 m，平均误差0.001 m；回程最大误差为0.002 m，最小误差为0 m，平均误差0.001 m。测量误差均小于0.02 m (0.2%FS)。去程、回程的线性拟合较好。

表3 测量误差及线性度测试记录表Table 3 Measurement error and linearity test record

图1 SWY-Ⅱ水位仪线性度测试曲线Fig.1 Linearity test curve of SWY-Ⅱ water level meter

2.2 ZKGD3000-N仪线性度测试

2016年10月19日，在北京中科光大仪器公司通过调节水位传感器位置，对仪器线性度进行全量程测试陈华静，李正媛，赵家骝，等.SWY-Ⅱ型水位仪测试报告.北京，2017.的结果如下：

去程测量。依次在0 m、1 m、2 m、3 m、…49 m、50 m处，停留5 min，并记录测量值。

回程测量。将探头分别停留在50 m、49 m、48 m、…0 m标志处5 min，读取测量值。为便于与SWY-Ⅱ的仪器线性度测试结果对比，选取水面下10 m的测量结果(见表4、图2)。

表4 测量误差及线性度测试记录表Table 4 Measurement error and linearity test record

图2 ZKGD3000-N水位仪线性度测试曲线Fig.2 Linearity test curve of ZKGD3000-N water level meter

水位仪传感器去程最大误差为0.009 9 m，最小误差为0.003 1 m，平均误差0.006 1 m；回程最大误差为0.008 6 m，最小误差为0.002 9 m，平均误差0.005 4 m。观测误差均小于0.02 m(0.2%FS)。去程、回程的线性拟合较好。

两套仪器在升降试验中测值变化较稳定，从测试结果来看，观测误差均小于0.2%FS，动态稳定性较好。

3 数据内在质量分析

3.1 数据一致性分析

选取朔州流体井SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N水位仪2017年9月1日至30日的观测数据分钟值，绘制动态曲线如图3所示。

图3 SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N水位仪分钟值曲线图Fig.3 Minute values of SWY- II and ZKGD3000-N water level meter

从图3看出，两套水位仪均能记录到日波与半日波，数据形态较一致，且均记录到一些波动信号。采用Vendikov潮汐调和分析方法计算两套水位仪M2波潮汐因子[1]及其观测精度[2]，对比分析结果如第24页表5所示。结果表明，两套仪器的M2潮汐因子、观测精度及标准差的差别较小。

3.2 水震波效应

2017年9月8日12：49墨西哥沿岸近海发生M8.2地震，震源深度20 km。朔州井两套水位仪均记录到水震波，震中距13 277 km，如图4、图5所示。

表5 SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N水位仪M2波潮汐因子及其观测精度对比Table 5 Comparison of M2 wave tide factor and observation precision between SWY-Ⅱ and ZKGD3000-N water level meter

图4 SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N水位仪记录水震波分钟值曲线图Fig.4 The minute value of water shock wave recorded by SWY-Ⅱ and ZKGD3000-N water level meter

由图4和图5可知，SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N水位仪分别于13:25和13:18记录到水震波，最大变幅分别为0.09 m和0.146 m，持续时间分别为274 min和237 min。记录的水震波差异原因为：

(1) 记震时间差异。因两套仪器均为实验仪器，未经人工校时，同井观测的另一套LN-3A水位仪记录到水震波时间为13:26(人工定时校时)。由此可见，因SWY-Ⅱ水位仪具有GPS自动校时功能，记录到非正常事件的时间更为准确，ZKGD3000-N水位仪需人工定时校时。

(2) 振荡幅度差异。因SWY-Ⅱ水位仪内部采用秒采样，然后将60 s数据进行平均后获得分钟值数据，相当于进行了平均滤波[3]；ZKGD3000-N水位仪同样为秒采样进行平均后获得分钟值，记录到水震波振荡幅度比SWY-Ⅱ水位仪略大，与同井LN-3A水位仪(投放深度15.89 m、秒采样振荡幅度0.182 m)相比较，传感器投放深度略微不同，对SWY-Ⅱ和ZKGD3000-N仪幅度的影响较小。ZKGD3000-N和SWY-Ⅱ水位仪记录振荡幅度的差异可能是求取分钟值的算法不同，或是仪器所使用元器件不同导致。

(3) 振荡持续时间差异。ZKGD3000-N相比SWY-Ⅱ的水震波持续时间较短，数据曲线较快恢复到平滑状态，可能是ZKGD3000-N对特定幅度范围的观测数据做了滤波处理，使得正常观测数据曲线更为平滑。

(4) 秒值数据与分钟值数据差异。由绘图结果来看，SWY-Ⅱ的秒采样数据记录到的信息更为完整[4]。

4 结论

通过以上分析，得到以下初步认识。

(1) 仪器性能方面。两套水位仪的测量精度均优于0.001 m；线性度测试结果较为接近，仪器相对误差均小于0.2% FS；两套仪器均有自复位功能，且具有更为广泛的应用环境温度，能较好地保障仪器运行率；软硬件方面，SWY-Ⅱ水位仪增加GPS自动校时功能，可提高记录事件的准确性。

(2) 数据应用方面。通过观测曲线形态对比，两套仪器观测数据一致性较好；采用相关统计学方法计算得到M2波潮汐因子及观测精度差异较小；分钟值采样的水震波记录振荡时间及振荡幅度略有差别；秒值数据与分钟值数据比较，SWY-Ⅱ仪秒采样记录的水震波更为完整，获取的信息更为丰富。

(3) 仪器维护方面。基于观测原理略有差异，两套仪器在维护过程中，SWY-Ⅱ仪需注意避免线缆中导气管弯折或堵塞，ZKGD3000-N仪需定期对气压传感器进行标定，确保水位数据真实可靠；SWY-Ⅱ仪增加FTP访问仪器方式，在软件升级、数据上传、下载、查询仪器工作日志等方面操作更为便捷；ZKGD3000-N仪可最大限度地避免人为对数据操作的失误。

(4) 在今后的观测中，建议开展多套不同型号仪器的同井对比观测，对仪器性能及水井条件的分析评价更有意义。

综上所述，通过对朔州流体井不同数字化水位仪的对比分析，两套水位仪记录到的水位形态一致性较好，均能较好记录到水位短期动态中常见的一些地球物理现象，如潮汐效应、同震和震后效应、日波和半日波等，基本能满足水位的长期动态观测。