影響DSQ型水管傾斜儀資料的蒸餾水問題研究

張璐+李奇+韓曉飛+陳冬柏

摘 要：傾斜儀是一種以觀測地殼傾斜變形為基礎，研究地震物理過程和地球動力學的儀器，它在大地測量和地球物理領域發(fā)揮著重要的作用。文章分析總結了水管儀鉑體內(nèi)蒸餾水的各類問題對觀測資料的影響情況，并提出了相應的解決方法，對提高水管儀觀測精度、數(shù)據(jù)質(zhì)量有較大幫助。

關鍵詞：水管儀；蒸餾水；漂移；干擾因素

中圖分類號：TH762.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0189-02

引言

DSQ型水管傾斜儀是自動測量地殼傾斜變化的精密儀器，可以用來測定傾斜變化、固體潮與獲取地震前兆信息，還可用于地球動力學與精密工程測量等方面[1]。該儀器采用差動變壓器式位移傳感器，具有結構合理、性能穩(wěn)定可靠、功能全、使用范圍廣等特點。

水管儀正常觀測時，每日生成分鐘值、整點值采樣數(shù)據(jù)，能夠記錄到清晰的傾斜、應變固體潮汐以及震前異常信息[2]。DSQ型水管傾斜儀從“十五”時期觀測至今，積累了很多儀器維護方面的經(jīng)驗，也歸納了各類儀器故障和干擾因素情況。水管儀觀測系統(tǒng)中的蒸餾水蒸發(fā)問題，水質(zhì)變化情況等，對觀測資料的精度和質(zhì)量也有很大影響，通過分析這些現(xiàn)象，提出以解決該問題，提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法。

1 儀器原理及影響觀測資料的因素

DSQ 型水管儀工作基本原理是根據(jù)連通管內(nèi)水面保持自然水平的原理（水管儀工作原理見圖1）。當臺基出現(xiàn)相對垂直位移時，兩端液面便會相對儀器缽體發(fā)生變化，通過浮子、位移傳感器等變成電信號輸出自動記錄，最后將△h換算成相應的地傾斜角△=（L為儀器兩端點的跨距）[3]。

目前數(shù)字化DSQ水管傾斜儀已經(jīng)在全國范圍內(nèi)廣泛安裝使用，已經(jīng)累計觀測十余年，觀測曲線除記錄到清晰的固體潮外，伴有突跳、臺階、缺數(shù)等常見異常形態(tài)，另一種常見現(xiàn)象就是儀器漂移，影響漂移的原因主要包括環(huán)境影響和觀測系統(tǒng)自身因素。環(huán)境影響有山洞內(nèi)溫度、地質(zhì)、水文、巖性、地形、地貌等自然條件。儀器觀測系統(tǒng)、儀器墩等也存在系統(tǒng)性漂移。另一個重要的因素就是長水管內(nèi)的蒸餾水蒸發(fā)、變質(zhì)、漏水對觀測曲線的影響。

2 蒸餾水蒸發(fā)對儀器的影響

數(shù)字化DSQ水管傾斜儀存在自身的漂移，且負向漂移的主要原因是由于鉑體內(nèi)以及長水管內(nèi)的水分蒸發(fā)，有些洞室比較干燥的臺站水分蒸發(fā)速度更快，所以當數(shù)據(jù)快要漂出有效測量范圍-2V～+2V時，則需要人為進行儀器調(diào)零。有的臺站需要頻繁的進行系統(tǒng)調(diào)零，這樣過于頻繁，尤其是臺站位置偏遠，進行一次儀器調(diào)零費時費力，人為手動調(diào)零的過程也對觀測儀器的記錄曲線影響很大，而常常由于水分蒸發(fā)會導致儀器觀測曲線異常（見圖2）。

由于水分蒸發(fā)，2013年8月，乾縣地震臺水管儀NS向出現(xiàn)大幅度向N傾斜的異常，EW向曲線正常（見圖3）。經(jīng)臺站人員檢查，N端浮子底部接近落底臨界狀態(tài)，浮子出現(xiàn)傾斜且觸碰鉑體邊緣。

臺站人員向N端加入提前放置在山洞內(nèi)的蒸餾水，加水量約為20mL；加水完畢后，浮子抬起，調(diào)節(jié)浮子位置、線圈位置，并調(diào)節(jié)量程。加水后NS向趨勢逐漸恢復正常。

因此，在日常的儀器維護過程中，對于某些儀器水分蒸發(fā)較快的臺站，為了減少加水調(diào)節(jié)量程造成的人為干擾，使水管儀觀測精度、數(shù)據(jù)質(zhì)量得到較大提高，洱源地震臺字承柱等人做了在蒸餾水中加入二甲基硅油和石蠟油做對比分析實驗，實驗得出，石蠟油能有效控制水管儀水蒸發(fā)速度[4]。此外，也可以設計一種基于單片機控制的自動補水裝置，利用步進電機作為驅(qū)動，將補水容器與水管儀的鉑體連接，根據(jù)水分蒸發(fā)情況調(diào)節(jié)補水量，有效提高傾斜觀測數(shù)據(jù)的可靠性與完整率，大大提高對有些偏遠無人臺站的數(shù)據(jù)監(jiān)控和校準工作，減少對于儀器維護中的人為影響與效率低的情況。

3 蒸餾水質(zhì)對標定情況的影響

隨著數(shù)字化水管儀在地震臺站中的不斷應用、自動化水平的提高，在儀器標定過程中出現(xiàn)的問題也不斷增加。DSQ水管傾斜儀利用連通管原理和水的不可壓縮性，采用標定棒增減液體體積人為改變液面變化來進行靜態(tài)標定是該儀器的標定方法，即通過標定求得液面改變單位高度時，電信號的變化量△UC在數(shù)量上的變化。

由于儀器要在山洞中觀測十年甚至幾十年，所以長水管中的水質(zhì)會因為山洞內(nèi)的情況發(fā)生不同情況的霉變。當蒸餾水發(fā)生變質(zhì)、產(chǎn)生絮狀物時，往往會對儀器的正常標定產(chǎn)生影響，導致的結果是標定時水位不穩(wěn)，或者標定棒活動時，由于在鉑體內(nèi)部的絮狀物、雜質(zhì)增多，影響傳感器的電壓變化△UC讀數(shù)，導致標定精度超標，相對誤差增大，儀器無法采用新的格值。此時需要及時的清洗長水管及鉑體，更換水管內(nèi)的蒸餾水。

4 漏水對觀測曲線的影響

DSQ型水管傾斜儀的兩個主體安放在山洞洞室基巖主墩上，兩主墩中央安置標定裝置，用玻璃管一根接一根的銜接，接頭用硅膠管使它們連通，再將長水管接入水管儀的鉑體部分。在安裝過程中，一般會對各個接口部分進行檢查，一是避免水管中有氣泡進入，二是防止硅膠管連接部分漏水。

當水管儀的水槽或者長水管出現(xiàn)開裂、漏水等現(xiàn)象時，則NS向或者EW向產(chǎn)出的固體潮曲線會發(fā)生嚴重漂移，比水分的蒸發(fā)更快，曲線會嚴重的傾斜。觀測人員應該進洞室仔細檢查水管儀各部分的玻璃管和硅膠管接觸面，以及水槽和各密封處。如果是長水管有破裂，那么應當及時更換新的水管；如果是硅膠管和水管連接處有問題，那么應當更換硅膠管重新進行連接；如果水槽破損，那么應當用密封膠進行處理，或者更換新的水槽。

5 結束語

DSQ型水管儀受元器件故障、環(huán)境干擾、人為干擾、水蒸發(fā)等因素影響，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量會受到不同程度的影響。本文主要針對水管儀的水蒸發(fā)問題，蒸餾水變質(zhì)、儀器漏水等現(xiàn)象進行了分析總結，希望能夠提高數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量，產(chǎn)出符合要求的真實、連續(xù)、完整、可靠的形變資料。

參考文獻：

[1]武漢地震科學儀器研究院.DSQ型水管傾斜儀說明書[Z].2006.

[2]李永振.鐵嶺地震臺數(shù)字化水管儀資料分析[J].形變學科通訊，2007（2）：45-50.

[3]中國地震監(jiān)測預報司.地殼形變數(shù)字觀測技術[M].北京：地震出版社，2003.

[4]字承柱.洱源地震臺水管儀水蒸發(fā)問題實驗[J].地震地磁觀測與研究，2016，37（5）：120-125.