如果問你監(jiān)測水質(zhì)意味著什么時，您會想到哪些參數(shù)？溫度、電導(dǎo)率、pH值、溶解氧和濁度這“五大”參數(shù)嗎？追蹤有害藻華的葉綠素和藻藍(lán)蛋白？以我作為水質(zhì)儀器經(jīng)理的經(jīng)驗(yàn)來看，每當(dāng)我問這個問題時，“水位”很少是我得到的第一個答案。實(shí)際上，在一些圈子中，水位根本不被認(rèn)為是水質(zhì)的衡量，而是水量的衡量，被當(dāng)作一個完全獨(dú)立的話題來對待。

無論你是否相信水位是一個水質(zhì)參數(shù)，水位可能是最重要的，當(dāng)然也是最廣泛的。今天測量的參數(shù)，準(zhǔn)確的水位測量對于地下水監(jiān)測、河流和河流測量、湖泊/池塘水位分析、洪水水位記錄、灌溉渠道、波浪和潮汐分析都非常重要...不勝枚舉。我最近寫了氣候變化教育的重要性，而水位也與之息息相關(guān)。伴隨氣候變化引發(fā)極端天氣事件，各地區(qū)應(yīng)對暴雨和洪水、干旱和缺水、海平面上升以及其他與氣候相關(guān)的問題。

此系列文章將重點(diǎn)介紹憑借賽萊默Xylem的水位測量實(shí)現(xiàn)重要應(yīng)用的以下三個項(xiàng)目： 

地下水監(jiān)測

暴雨監(jiān)測

洪水監(jiān)測

01地下水監(jiān)測

第一個例子來自于我的同事James Chen。James作為YSI的資深水質(zhì)監(jiān)測專家，提供從現(xiàn)場應(yīng)用到銷售和業(yè)務(wù)開發(fā)的全方位服務(wù)，并曾在世界上最迷人的地方開展工作。例如，James在西藏的拉薩開展過一個項(xiàng)目，監(jiān)測地下水。

出于多種原因，監(jiān)測地下水水位非常重要，其中包括了解在靜態(tài)條件和抽水條件下的蓄水層水位、確定水位與當(dāng)?shù)氐乇硭吹南嗷プ饔靡约傲私獾乇黹_發(fā)對蓄水層的影響。拉薩被稱為“亞洲水塔”，在這樣的情況下，James將協(xié)助客戶監(jiān)測拉薩的自然資源- 尤其是水質(zhì)。

James用一臺EXO1透氣式水位主機(jī)來完成這項(xiàng)任務(wù)。這種儀器的選擇至少說明了關(guān)于地下水監(jiān)測的兩個非常重要的原則。在傳統(tǒng)意義上，水質(zhì)監(jiān)測也是一個優(yōu)先事項(xiàng)。為什么客戶要求測量諸如比電導(dǎo)、溫度、pH/ ORP和濁度等水質(zhì)參數(shù)，而不僅僅是測量地下水水位？

主要原因就是，水量豐富并不代表水源適合飲用。雨水或地表水在滲入地下時會接觸受污染的土壤，從那一刻起，雨水或地表水就可能會被污染，并將污染從土壤帶到地下水蓄水層。而當(dāng)液態(tài)有害物質(zhì)通過土壤或巖石滲入地下水時，地下水也可能受到污染。還存在許多其他類型的地下水點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染，而在這個項(xiàng)目中，客戶需要監(jiān)測這些威脅。

連續(xù)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)參數(shù)的變化是一種很好的方法，同時也證明了相比于水位記錄儀，使用窄小直徑 EXO1進(jìn)行地下水監(jiān)測的關(guān)鍵優(yōu)勢。

第二個原則，該項(xiàng)目揭示了在某些情況下使用透氣式水位深度傳感器的重要性。拉薩是世界上海拔最高的城市之一。海拔超過3650米，拉薩的氣壓比海平面的氣壓低約35%。正如以下James提供的數(shù)據(jù)所示，這對水位的測量產(chǎn)生了巨大影響，尤其是在不使用透氣式水位傳感器的情況下。所以...什么是透氣式水位測量，它和深度傳感器有哪些區(qū)別？

02深度vs.透氣式水位

YSI EXO配備的傳感器分為深度和透氣式水位兩種。

深度由一個非透氣式的應(yīng)變傳感器進(jìn)行測量的，這里我們將其稱為壓力傳感器（也稱之為“深度傳感器”）。壓力傳感器與電阻相連接，當(dāng)傳感器隔膜片上的壓力變化時就會發(fā)出電信號。隔膜的一側(cè)暴露在水中，另一側(cè)暴露于真空中。在真空側(cè)，壓力恒定不變。在水側(cè)，壓力隨水壓(Pw)的變化而變化，水壓與水深成正比。因此，水量越多意味著壓力越大，信號被轉(zhuǎn)換成工程單位（磅/平方英寸-PSI 或深度，單位為m、ft或bar）。據(jù)此，您就可以知道壓力傳感器上方的水深。

有時，這些測量值被稱為絕對深度。我不是特別喜歡“絕對”這個詞。因?yàn)槲沂冀K認(rèn)為有可能存在極低的測量誤差。我認(rèn)為“絕對”代表的含義是：所有對傳感器隔膜施加的壓力都會被轉(zhuǎn)換成電信號，然后這些信號由儀器的固件轉(zhuǎn)換成深度，但如果是這樣，情況就變得復(fù)雜了...

如您所見，Pw則不再僅代表水施加的壓力。它也代表大氣施加在水面的壓力，甚至水的密度，受諸如鹽等溶質(zhì)以及諸如溫等環(huán)境條件的影響。

對于許多應(yīng)用，這些其他因素可以忽略不計(jì)。但是在淺水應(yīng)用中，有兩個因素可能會產(chǎn)生嚴(yán)重影響：鹽度（也可解釋為水的比重ρ）和大氣壓。在室溫1個大氣壓（即海平面）下，純水的比重為1。海水的比重則要高 50%，甚至還取決于溫度。因此，考慮溫度的鹽度測量可用于補(bǔ)償水位測量。

其中一個重要的例子是與海平面上升相關(guān)的氣候變化研究，如在佛羅里達(dá)州Clam Bayou案例的經(jīng)典文章關(guān)于海平面上升的YSI應(yīng)用指南所描述的。Clam Bayou案例研究也描述了第二個關(guān)鍵變量–大氣壓。特別是在水深較淺的應(yīng)用中（YSI認(rèn)為<10 m為淺水），大氣壓波動會影響水位測量的準(zhǔn)確性。

正因?yàn)槿绱?，我們推薦您使用透氣式水位主機(jī)。

透氣式水位主機(jī)中的壓力傳感器通過透氣管與大氣聯(lián)通。當(dāng)使用壓差傳感器時，這確保了整個測量中自動補(bǔ)償了大氣壓力(Pair) 。

有時氣壓會發(fā)生劇烈波動，例如在暴風(fēng)雨期間。在生活中，您甚至可能認(rèn)識一些可以感知這些變化的人，——也許他們會患上氣壓性頭痛。海拔變化也會影響氣壓，這也是拉薩氣壓如此低的一個重要原因。因此，讓我們從Clam Bayou向上爬升3,650米，看看大氣壓補(bǔ)償有多重要。

03高海拔水位的氣壓補(bǔ)償 

我的同事James在西藏拉薩的客戶現(xiàn)場安裝了一臺 EXO1透氣式水位主機(jī)。之后他的一位合作伙伴也訪問了該地點(diǎn)，并在同一口井中安裝了一臺配有非透氣式壓力傳感器的EXO2主機(jī)，他們也想在那里觀察水質(zhì)。這臺非透氣式主機(jī)的深度傳感器只是在出廠前進(jìn)行了校準(zhǔn)。

俄亥俄州的金泉市海拔為260米，實(shí)際的傳感器本身是在壓力控制室中校準(zhǔn)的。這也就是在部署之前深度傳感器通常應(yīng)該在室外現(xiàn)場進(jìn)行校準(zhǔn)的原因。在深水應(yīng)用中，Pw遠(yuǎn)大于Pair，這可能無關(guān)緊要。但如果是在地表水應(yīng)用，且使用我們的垂直剖面儀進(jìn)行深度測量的情況下，則一定要進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)。

然而，James的合作伙伴起初并不想測量深度，因此他沒有校準(zhǔn)深度傳感器。盡管如此，深度傳感器仍在部署過程中進(jìn)行了記錄。10周后，James查看和分析數(shù)據(jù)時他注意到了一些顯著的差異，如下圖所示。

James比較了他的EXO1主機(jī)和合作伙伴的EXO2主機(jī)的測量值。在下圖中，左側(cè)Y軸表示EXO1水位值，右側(cè)Y軸表示EXO2深度值，兩者均以米為單位：

從另一個角度來看數(shù)據(jù)，James繪制了兩條線之間的差值，且還是使用米作為Y軸上的度量單位。

該圖顯示了兩臺主機(jī)所測得的水位值之間相差約6.5-6.85米，此外更重要的是它還顯示了值在6.67至6.84 米之間的波動。這一點(diǎn)很有趣引起我們的注意，并還會在我們的最終分析中再次出現(xiàn)。我們已經(jīng)暗示過，拉薩的低氣壓可能是引起兩個探頭測得的數(shù)據(jù)之間的波動和差值的一個原因，但是這一假設(shè)是否得到有力證據(jù)的支持？

James在右側(cè)Y軸上繪制了以百帕斯卡 (hPa) 為單位的氣壓測量值，并在左側(cè)Y軸上繪制了兩個探頭所測的深度差 (m)。作為參考，海平面上的1個標(biāo)準(zhǔn)氣壓為1013.25hPa。除了這兩條線看起來相互跟蹤程度外，該圖的右軸數(shù)據(jù)還顯示出了氣壓非常之低，與拉薩的高海拔相對應(yīng)。

James繼續(xù)評估了兩個主機(jī)所測的深度差值（X軸、ΔDepth，以m為單位）與Y軸的氣壓之間的相關(guān)性。通過線性回歸分析，大多數(shù)環(huán)境科學(xué)家認(rèn)定它們之間存在非常強(qiáng)的相關(guān)性：

這為在高海拔地區(qū)使用透氣式水位測量進(jìn)行地下水監(jiān)測這一假設(shè)提供了有力的依據(jù)。

04準(zhǔn)確度規(guī)格

當(dāng)我看到這些數(shù)據(jù)時，我想到，如果想知道水是什么時候抽出或流入的，主要的深度測量可能不是最重要的，而是檢測變化的能力。換句話說，假設(shè)EXO2主機(jī)測得的起點(diǎn)為9m實(shí)際上是錯誤的，但我仍然能夠檢測到幾厘米的變化，就像我使用透氣式水位主機(jī)一樣。那么如果我有一臺EXO2，又不想再買另一臺主機(jī)，這樣夠用了嗎？

以下為來自EXO用戶手冊的規(guī)格信息：

這項(xiàng)研究中使用的EXO2是中等深度 (100m) 主機(jī)，其準(zhǔn)確度規(guī)格約為滿量程的±0.04% ，即±4cm。相比之下，EXO1淺水透氣式主機(jī) (10m) 的準(zhǔn)確度規(guī)格為滿量程的±0.03% ，即±0.3cm。準(zhǔn)確度足足提高了10倍以上！

然而... 如果James的同事部署的并不是100m量程的主機(jī)，而是淺水不透氣的EXO2主機(jī)，由于淺水非透氣式主機(jī)（EXO1或EXO2）在10m量程范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度為±0.4cm，所以所得測量結(jié)果可能會與EXO1透氣式水位主機(jī)的測量值更接近。當(dāng)然，前提是已經(jīng)在現(xiàn)場正確校準(zhǔn)了EXO2。

假設(shè)您打算進(jìn)行校準(zhǔn)，您可能會想，為什么還要這么費(fèi)心使用透氣呢？0.4cm我聽著挺好的！

請記住這些準(zhǔn)確度規(guī)格是在受控的海平面條件下測得的。氣壓仍然是必須考慮的干擾因素。使用透氣式水位主機(jī)，氣壓補(bǔ)償將自動完成。但對于非透氣式標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)，必須從外部完成氣壓補(bǔ)償，現(xiàn)在有另一個測量誤差被引入總誤差預(yù)估。這就意味著，在這個高度偏遠(yuǎn)的地區(qū)，氣壓的一些單獨(dú)測量必須與探測器的水位測量同時進(jìn)行，氣壓測量是可靠的，以最終進(jìn)行大氣壓補(bǔ)償，從而完成最終的水位測量。

如果這聽起來有點(diǎn)混亂，那是因?yàn)榇_實(shí)如此。當(dāng)在拉薩James現(xiàn)場的百帕的變化相差2-4% (16hPa) 時，要做到這一點(diǎn)頗為困難：

最后，相對于含水層的總體積，水位變化所代表的估計(jì)體積對于選擇儀器時的理解也很要，這將提高應(yīng)用所需的整體準(zhǔn)確度。

最終分析：這些有關(guān)系嗎？

所以在這個故事中，我們遇到了不同的狀況。有兩種不同類型的測量值：深度和透氣水位。另一個現(xiàn)實(shí)是，EXO2主機(jī)沒有進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)，這進(jìn)一步增加了深度測量的誤差。但是，總體來說，如果James的客戶選擇信任這臺EXO2主機(jī)的深度測量結(jié)果，而不是EXO1的透氣水位測量結(jié)果，會發(fā)生什么？

再看上圖，氣壓變化在 648-632hPa之間波動，EXO1報告的水位變化約為6cm(3.045-2.985m)。但是EXO2報告的水“位”變化為20cm (9.98-9.68)。我們可以估計(jì)出，EXO2報告的約17cm的差異是由缺乏氣壓補(bǔ)償導(dǎo)致（6.84-6.670m，來自上面的差異圖）。如果未進(jìn)行此補(bǔ)償，操作人員怎么知道地表水流入、流出或其他因素正在發(fā)生呢？

如需更多討論和信息，請聯(lián)系James.Chen@xylem.com 。

05 Case Study

此案例研究說明了為什么YSI建議您使用經(jīng)過適當(dāng)校準(zhǔn)的透氣式水位主機(jī)進(jìn)行地下水水位測量。針對地下水監(jiān)測的YSI標(biāo)準(zhǔn)建議如下：

大多數(shù)地下水應(yīng)用，需要使用高準(zhǔn)確度的透氣式水位傳感器。

無論是自動（通過透氣）還是手動補(bǔ)償，都建議在高海拔或氣壓易于出現(xiàn)明顯波動的地方實(shí)施大氣補(bǔ)償。

如果優(yōu)先考慮其他水質(zhì)參數(shù)，尤其是在可能需要鹽度或比重補(bǔ)償也是必要的，那么透氣式水位的主機(jī)（而不是壓力傳感器）是最正確的解決方案。