辛集冀21井數字化水位觀測內在質量分析

王　靜，王利兵，宋　昭，解　真，羅　娜，趙志遠，李細順

(河北省地震局紅山基準地震臺，河北　邢臺　054000)

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辛集冀21井數字化水位觀測內在質量分析

王靜，王利兵，宋昭，解真，羅娜，趙志遠，李細順

(河北省地震局紅山基準地震臺，河北邢臺054000)

對辛集冀21井模擬、數字化水位觀測精度變化進行對比研究，結果表明數字化水位資料觀測精度高、儀器運行穩定。文章分析并總結了影響數字化水位觀測精度的因素，為今后觀測資料分析及異常判定提供依據，也為進一步提高水位觀測內在質量奠定基礎。

水位觀測；觀測精度；內在質量；影響因素

0　引言

地下水位能夠隨潮汐引力的大小發生升降變化，表現較明顯的地球固體潮效應。辛集冀21井觀測的水位數據日變動態均呈現顯著規律性，較多地呈雙峰雙谷型，分析井點對固體潮記錄的響應能力可以判別該井點的靈敏度。

固體潮具有豐富的潮汐分量，由月球引力引起的O1波和M2波受氣壓影響的程度較小，理論上都是分析水位固體潮較理想的指標。但由于O1波幅度較小，信息往往隱含在噪聲中難以識別，而M2波幅度為水位潮汐信息中最大的一個諧波，因此M2波是分析井水位固體潮以及含水層特征最有效的潮汐分量[1]。通過對不同時間長度采樣數據的頻譜分析表明，M2波幅度與潮汐長度變化密切相關，選取不同時間長度的采樣數據對M2波幅度的差異性較大。一個月時間尺度的采樣數據包含2個大潮和小潮，且有足夠的數據長度可以使計算結果相對穩定[2]。

本文選取2015年辛集冀21井模擬和數字化地下水位數據，采用維尼迪可夫(Venedlkov)調和分析方法，逐月分析計算水位對固體潮M2波的響應能力，以此檢驗井水位數據的內在質量。

1　觀測井概況

辛集冀21井觀測站位于河北辛集市北偏西7 km處，屬邢臺—河間地震帶。井深2 052.4 m，觀測層為震旦亞界白云巖，埋深1 539.40 m至2 052.37 m，厚度512.97 m。站點的地質—水文條件清楚，套管止水措施效果良好且不受降雨直接滲入補給影響，但受地下熱水開采影響明顯。目前，進行正式觀測的測項包括模擬水位、數字化水位和氣象三要素。觀測儀器采用SW-40型模擬水位儀、LN-3A型數字式水位儀及WYY-1型氣象三要素觀測儀。

辛集冀21井模擬觀測采用SW-40型日記水位計，圖紙記錄方式，人工讀取整點值數據。數字化觀測采用LN-3A型數字水位儀，使用中國地震前兆臺網數據管理系統收取儲存數據，用中國地震前兆臺網數據處理系統對數據進行預處理。該儀器采用高精度壓力式水位傳感器，無機械隨動系統，觀測精度不受水位埋深和井斜影響，有極高的水位跟蹤速度。其工作原理是利用測量液體內部壓強的方法來測量水位。水位傳感器的量程范圍為0～10 m，水位分辨率為1 mm[3]。

2　辛集冀21井模擬、數字化水位觀測資料內在質量對比分析

通過對潮汐效應的分析計算可獲得水位動態及潮汐響應函數的基本特征參數，即為觀測井的特征參數。其可以客觀反映觀測井的基本“素質”和周邊環境的影響，可用于定量評價各個井的內在質量優劣。水位數據的觀測精度為中誤差與潮汐因子比值，固體潮相對誤差越小，數字化水位觀測越穩定。

水位觀測內在質量是全國觀測資料的質量單項評比與綜合評比中的一項，評比分數為20分。根據2015年新修訂的水位觀測資料評分標準，水位數據內在質量占20分：當觀測精度<0.01得15分，每增大 0.01扣0.35分；當觀測精度<0.04，潮汐因子≥1.00(動水位≥0.08)時，得5分，每降低0.1(動水位0.05)扣0.05分；觀測精度>0.4時，潮汐因子不得分。

采用Venedlkov調和分析方法對辛集冀21井模擬和數字化水位觀測資料進行分析。表1為模擬水位2012至2015年(2011年無數據)與數字水位2011至2015年潮汐因子、中誤差、觀測精度變化年均值對比表，表2為2015年1至12月模擬、數字化水位觀測資料潮汐因子、中誤差、觀測精度變化月均值對比表。

表1　辛集冀21井模擬、數字化水位2011年至2015年潮汐因子、觀測精度變化年均值對比表

表2　辛集冀21井模擬、數字化水位2015年1月至12月潮汐因子、觀測精度變化月均值對比表

由表2可以看出，辛集冀21井模擬水位觀測資料12個月的潮汐因子在2.61～2.98之間，均大于1.00，不扣分；觀測精度9月為0.007 8(<0.01)，不扣分，其余每月均超過0.01。圖1為辛集冀21井模擬、數字化水位觀測資料2015年1至12月觀測精度曲線對比圖，經分析發現，模擬水位觀測資料的觀測精度低于數字化的，且后者相對穩定。數字化水位觀測資料潮汐因子在3.07～3.14之間，觀測精度在0.006～0.012之間。由表1、表2可知，辛集冀21井不論是模擬還是數字化水位觀測資料，固體潮效應都很明顯，較好地反映了地球潮汐變化。由于模擬水位觀測過程中，需每24小時更換一張記錄紙，數據靠人工讀取，存在換紙造成的資料缺數和人為誤差及記錄筆污染圖紙和記錄曲線虛的弊端[4]。因此，數字化觀測數據的固體潮效應反映都優于相應的模擬觀測數據，數字化觀測數據的觀測精度也優于相應的模擬觀測數據。

圖1　辛集冀21井數字化、模擬水位觀測資料2015年1月至12月觀測精度曲線圖Fig.1　Observation accuracy of digitized water level and simulated water level in Xinjiji Well 21 from January to December in 2015

3　影響數字化水位觀測內在質量的因素

3.1周圍井孔地下水開采造成干擾

辛集冀21井水位觀測主要干擾源為每年冬季采暖期周圍井孔的地熱開采。采暖期開始就會引起地下水趨勢性下降，采暖期結束后開始緩慢上升。井水位的年起伏完全受控于周圍井孔的地熱開采，影響水位的正常動態。如圖2所示，水位自2011年至2015年已累計下降約26.5 m。

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

3.2儀器零漂

據張道口-1井LN-3A型水位儀2001年6月17日始測至2003年1月8日進行零點檢查，1年半時間零漂達0.2 m，日零漂幅度0.35 mm[5]。據寧德一號井數字化水位儀零漂問題的跟蹤校測與分析結果看，數字化水位儀在觀測過程中存在明顯的零漂現象，水位零漂幅度受儀器室溫度、井水溫、傳感器埋深多種因素綜合作用影響[6]。由此可知，儀器的零漂降低了數據的可靠性，影響數據的觀測精度。目前，大部分臺站缺乏零點檢查這方面工作的實施記錄，建議每半年對LN-3A型水位儀進行水位探頭零點的歸零處理，并做記錄。

3.3探頭位置影響觀測精度

LN-3A型水位儀工作原理是利用測量液體內部壓強的方法來測量水位。液體內部的壓強與其深度的函數關系式為P=ρgh，這里密度ρ和重力g都是常數，壓強P與深度h成正比關系。當把壓力傳感器固定在水下某一深度，水位變化時壓力傳感器的輸出信號產生與水位同步的變化[7]。分析認為由于儀器自身的原因導致壓強與深度之間的線性關系不穩定。

LN-3A型水位儀在水中的深度與水位觀測精度成反比關系：在水中越深，觀測精度越差；在水中越淺，觀測精度越好，但目前仍無法給出兩者的定量關系。因此，放置探頭時應盡量靠近水面。

4　結語

(1) 辛集冀21井水位觀測儀器工作狀態穩定且數據連續可靠，具有一定的研究價值。

(2) 同一井孔模擬水位觀測與數字化水位觀測相比較，數字化觀測可以提高水位觀測的內在質量，且具有較高的穩定性和觀測精度。

(3) 辛集冀21井水位潮汐效應明顯，水位潮汐因子和觀測精度分別為3.103 3和0.008 2。

(4) 針對LN-3A型水位儀的零點漂移問題，在每半年對水位儀現場檢查時應進行零點歸零處理。

[1]尤宇星，陳小云，謝文杰，等.泉州地區地下水位觀測資料初步分析[J].華北地震,2014(1):65-71.

[2]陳瑩，黃輔瓊，朱石軍，等.采樣數據長度對潮汐因子計算精度的影響[J].地震地磁觀測與研究，2012，33(5/6):146-151.

[3]中國地震局地震預測研究所.LN-3A型數字水位儀使用說明書[N].中國地震局地震預測研究所，2006:7.

[4]解曉靜.瓊海加積井水位模擬觀測與數字化觀測資料對比分析[J].地震地磁觀測與研究，2010，31(3):83-87.

[5]王建國，劉春國，陳華靜，等.影響張道口—1井數字化水位內在質量的因素分析[J].內陸地震，2007(2):155-159.

[6]蘭陵，李新勇，夏愛國.新04井數字化水位觀測與模擬觀測資料的對比分析[J].內陸地震，2004，18(4):382-384.

[7]楊鼎鴻，程慶斌，鄧聰，等.數字化水位觀測儀零漂分析[J].地震地磁觀測與研究，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

河北省地震局監測、預測、科研三結合課題(DZ201504024092)。

王靜(1983—)，女，河北省邢臺人。2009年畢業于河北工程大學，工程師。

P332.3

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