如（rú）果問（wèn）你監測（cè）水質意味著什麽時，您會想到哪些參數？溫度、電（diàn）導率、pH值、溶解氧和濁度這“五大”參（cān）數嗎？追蹤有害藻華的葉綠（lǜ）素和藻藍蛋白？以我作（zuò）為水質儀器經理的經驗來看，每當我問這個問題時，“水位”很少是我得到的第一個（gè）答案。實際（jì）上，在一些圈子中，水（shuǐ）位根本不被認為是水質的衡量，而是水量的衡量，被當作一個完全獨立的話題來對待。

無論你是（shì）否相信水位是一個水質參數，水位可能是最重要的，當然也是最廣泛的。今天測（cè）量的參數，準確的水位測（cè）量對於地下水（shuǐ）監測、河流（liú）和（hé）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（biàn）化教育的重要性，而（ér）水位也與之息息相關。伴隨氣候變化引發極（jí）端天氣事件，各地區應對暴（bào）雨和洪水（shuǐ）、幹旱和缺水（shuǐ）、海平麵上升以及其他與氣（qì）候相關的問題。

此係列文（wén）章將重點介紹憑借草莓视频黄污污污Xylem的水位測（cè）量實現（xiàn）重要應用的以（yǐ）下三個項目： 

地下水監測（cè）

暴雨監測

洪（hóng）水監測

01地下水監測

第一個例子來（lái）自於我的同事James Chen。James作為YSI的資深水質監測專家，提供從現場應用到銷售（shòu）和業務開發的全方（fāng）位服務，並曾在世界上（shàng）最迷人的地方開展工作。例如，James在西藏的拉薩開展過一個（gè）項目，監測地（dì）下水。

出於多種原因，監測地下水水位非常重（chóng）要，其中包括了解在靜態條（tiáo）件和抽水條件下（xià）的（de）蓄水（shuǐ）層水位、確定水位與當地地表水源的相互作用以及了解地表開（kāi）發對蓄水層的影響（xiǎng）。拉（lā）薩被稱為“亞洲水塔”，在這樣的情況下，James將協助客戶監測拉薩的自然資源- 尤（yóu）其是水質。

James用一（yī）台EXO1透氣式（shì）水位主（zhǔ）機（jī）來（lái）完成這項任務。這種儀器（qì）的選擇至少說明了關於地下水監測的兩個非常重要的原則。在傳統（tǒng）意義上，水質監測也（yě）是一個優先事項。為（wéi）什麽客戶要（yào）求測量諸如比（bǐ）電導、溫度、pH/ ORP和濁度等水質參數，而不僅僅是測量（liàng）地下水水位？

主要原（yuán）因就是，水量豐（fēng）富並不代表水源適（shì）合飲用。雨水或地表水在滲入地下時會接觸受汙（wū）染的土壤，從那一刻起，雨（yǔ）水或地（dì）表水（shuǐ）就可能會被汙染，並將汙染從（cóng）土壤帶到地下水蓄（xù）水層。而當液態有害物質通過土壤或岩石滲入地下水（shuǐ）時，地下水也可能受到汙染。還存（cún）在許多其他類（lèi）型的地下（xià）水點源和非點（diǎn）源汙染，而在這個項目中，客戶需要監測這些威脅。

連續監測標準水質參數的變（biàn）化（huà）是一種很好的方法，同時也（yě）證明了相比（bǐ）於水位記錄儀（yí），使用窄小直徑 EXO1進行地（dì）下水監測的（de）關鍵（jiàn）優（yōu）勢。

第二個原（yuán）則，該項目揭示（shì）了在某些（xiē）情況下使用透氣式水（shuǐ）位深度傳感器（qì）的重要性。拉薩是世界（jiè）上海拔最（zuì）高的城市（shì）之（zhī）一。海拔（bá）超過3650米，拉（lā）薩的氣壓比海平麵的氣壓低約35%。正如以下James提供的數據所示，這對水位的測量產生了巨大影響，尤其是在不使用透氣式水位傳（chuán）感器的情況下。所以...什麽是透氣式水位測量（liàng），它和深度傳感器有哪些區別？

02深度vs.透氣式水位

YSI EXO配備的傳（chuán）感（gǎn）器分為深度和透氣式水位兩種。

深度由一個非透氣式的應變傳感器進行測量的，這裏我們將其稱為壓（yā）力傳（chuán）感器（也稱（chēng）之為“深度傳感器”）。壓（yā）力傳（chuán）感器與電（diàn）阻相連接，當傳感（gǎn）器（qì）隔膜（mó）片上的壓力（lì）變化時就會發出電信號。隔膜的一側暴（bào）露在水中，另一側暴露於真（zhēn）空中。在真空側，壓力恒定不變。在水側（cè），壓力隨水壓(Pw)的變（biàn）化而變化，水壓與水深成正比。因（yīn）此，水（shuǐ）量越多意味著壓力越大，信號（hào）被轉換成工程單（dān）位（磅/平方英寸-PSI 或深度，單位為m、ft或bar）。據此，您就可以（yǐ）知道壓力傳感器（qì）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（zhè）個詞。因為我始終認為有可能存在極低的測量誤差。我認為“絕對（duì）”代表的含義是：所有對傳感器隔膜施加的壓力都會被轉換成電（diàn）信號，然後這些（xiē）信號由儀器的固件轉換成深度（dù），但如果是這樣，情況就變得（dé）複（fù）雜了...

如您所見，Pw則不再僅代表（biǎo）水施加的壓力。它也代表大氣施加在（zài）水麵的壓力，甚至水的密度，受諸如鹽等溶質以及諸如溫等環境條件的影響。

對於許（xǔ）多應用，這些（xiē）其他因素可以忽略不計。但是在淺水（shuǐ）應用中，有兩個因素可能會產（chǎn）生嚴重影響：鹽度（也可解釋為水的比重ρ）和大氣（qì）壓（yā）。在室溫1個大氣壓（即海平麵）下，純水（shuǐ）的比重為1。海水的比重（chóng）則要高 50%，甚至還取決於溫度。因此（cǐ），考（kǎo）慮溫度的（de）鹽度測量可用於補償水位測量（liàng）。

其中（zhōng）一個重要的例子是與海平麵上升相關的氣候變（biàn）化研究，如在佛（fó）羅裏達州Clam Bayou案例的經典文章關於海平麵上升的YSI應用指南所描述的。Clam Bayou案例研究也描述了第二個關鍵變量–大氣壓。特別是在水深較淺的應用中（YSI認為<10 m為淺（qiǎn）水），大氣壓波動會影響水位測量的準確性。

正因為如（rú）此（cǐ），我（wǒ）們推薦您使用透氣式水位主機。

透氣式水位主機中的壓力傳感器通過透氣管與（yǔ）大氣聯通。當使用壓差傳感器（qì）時，這確保了整個測量中自動補償了大氣壓（yā）力(Pair) 。

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

03高海拔水位的氣壓補償 

我的同事James在西藏拉薩的客戶現（xiàn）場安裝了一台 EXO1透氣式水位主機。之後他的一位合作夥伴也訪問了該地點，並在同一口井中安裝（zhuāng）了一台配有非透氣式壓力傳感器（qì）的EXO2主機，他們也想在那裏觀察（chá）水質（zhì）。這台非透氣式主機的深度傳感器隻是在出廠前進行了（le）校準。

俄亥俄州的（de）金泉市海拔為（wéi）260米，實際的傳感器本（běn）身是在壓力控製室中校準（zhǔn）的。這也就是在部署之前（qián）深度傳感器通常應該在室外現場（chǎng）進行校準的原因。在深水應用中，Pw遠大於（yú）Pair，這可能無關緊要。但如果是在地表水應用，且使用我們的垂（chuí）直剖麵儀進行深度測量的情（qíng）況下，則一定要進行現場校準。

然而，James的合作夥伴起初並不想測量深度，因此他沒有校準深度傳感器。盡管如此，深度傳感器仍在部署過程中進行了記錄。10周後，James查看和分析數據時他注意到了一些顯著的差異，如下圖所（suǒ）示。

James比較（jiào）了他的EXO1主機和（hé）合作夥伴的EXO2主機（jī）的測（cè）量值。在下（xià）圖中，左側Y軸表示EXO1水位值，右側Y軸表示EXO2深（shēn）度值，兩者均（jun1）以米為單位：

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

該圖顯示了兩台主機所測得的水位值（zhí）之間相差（chà）約6.5-6.85米，此外更重要的是它還顯（xiǎn）示了值在6.67至6.84 米之間的波動（dòng）。這一（yī）點很有趣引起我們的注意，並還會在我們（men）的（de）最終分（fèn）析中再次出現。我們已經暗示過，拉薩的低氣壓（yā）可能是引起兩個探頭測得的數據之間的波動和差值的一個原因，但是這一假設是（shì）否得到有力證據（jù）的支持？

James在右側Y軸上繪製了以百帕斯卡 (hPa) 為單（dān）位的氣壓測量值（zhí），並在左側Y軸上繪製了兩（liǎng）個探頭所測的深度差 (m)。作為（wéi）參考，海平麵上的1個標準氣壓（yā）為1013.25hPa。除了這兩條線看起來相互跟蹤程度外，該圖的（de）右軸數據還顯示出了氣壓非（fēi）常之低，與拉薩的高海拔相對應。

James繼續評估了兩個主機所測的深度差值（X軸、ΔDepth，以m為單位）與Y軸的氣壓之間的相關性。通（tōng）過線性回歸分析，大多數環（huán）境（jìng）科（kē）學家認定（dìng）它們之（zhī）間存在非常強的相關性：

這為在高海拔地區使用透氣式水位（wèi）測量進行地下水監測這一假設提（tí）供了有力的依據。

04準（zhǔn）確度規格

當我看到這些數據時（shí），我想到，如果想知道水（shuǐ）是什麽（me）時候抽出或流入的，主要的深度測量可能不是最（zuì）重要（yào）的，而是（shì）檢測變化的能力。換句話說，假設EXO2主機測得（dé）的起點為9m實際上是錯誤的，但（dàn）我（wǒ）仍然（rán）能夠檢（jiǎn）測到幾厘米的變化，就像我使用透氣式水位主機一樣。那麽如果我有一台EXO2，又不想再買另（lìng）一（yī）台主機，這樣夠（gòu）用了嗎？

以下為來自EXO用（yòng）戶手冊的規格信息：

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

然而... 如果James的同事部署（shǔ）的（de）並不是100m量程的主機，而（ér）是淺水不透氣的EXO2主機，由於淺水非透氣式主機（EXO1或EXO2）在10m量程範（fàn）圍內的準確（què）度為±0.4cm，所以所得測量結果可（kě）能會與EXO1透氣式水位主機的測量值更接近。當然，前提是（shì）已經在現場正確校準了EXO2。

假設您打算（suàn）進（jìn）行校準，您可能會想，為什麽還要這麽費心使用透氣呢？0.4cm我聽（tīng）著挺好的！

請記住這些準確度（dù）規格是（shì）在受控的海（hǎi）平麵條件下測得的。氣壓仍然是必須考（kǎo）慮的幹擾因素。使用透氣式水位主機，氣（qì）壓補（bǔ）償將自動完成。但對於（yú）非透氣（qì）式標準主機，必（bì）須從外部完成氣壓補償，現在有另一個測量誤差被引入總誤差預估。這就意味著，在這個高度偏遠的地區，氣壓的一些單獨測量必須與探測器的水位（wèi）測量同時進行，氣壓測量是可靠的，以（yǐ）最終進（jìn）行大氣壓補償，從而（ér）完成最終的水位測量。

如果這（zhè）聽（tīng）起來有點混亂，那（nà）是因為確實如此。當在拉薩James現場的百帕的變化相差2-4% (16hPa) 時，要做到這一點頗為困難：

最（zuì）後，相（xiàng）對於含水層的總體積，水位變化所代表的估計體積對於選擇儀器時的理解也很要，這（zhè）將提（tí）高應用所需的整體準確度。

最終分析（xī）：這些有關係嗎？

所（suǒ）以在這個故事中，我們（men）遇到了不（bú）同的狀況（kuàng）。有兩種不同類型的測（cè）量值：深（shēn）度和透氣水位。另一個現實是，EXO2主（zhǔ）機沒有進行現場校準，這進一步增加了深度測量（liàng）的誤差。但是，總（zǒng）體來說，如果James的客戶選擇（zé）信任這台EXO2主機的深度測量結果，而不是EXO1的透（tòu）氣水位測量結果，會發生什麽？

再看（kàn）上圖，氣壓變化（huà）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（shuǐ）“位”變化為20cm (9.98-9.68)。我們可以（yǐ）估計出，EXO2報告的約17cm的差（chà）異是（shì）由缺乏氣壓補償導致（6.84-6.670m，來自上麵的差異圖）。如果未進行此補償，操作人員怎麽知（zhī）道地表水流入、流出或其他因素正在發生呢？

如需更多討論和（hé）信息，請聯係James.Chen@xylem.com 。

05 Case Study

此案例研究說明了為什麽YSI建議您使用經（jīng）過適當校準的透氣式水位主機進行地下水水位測量。針對地（dì）下水監測的YSI標（biāo）準建（jiàn）議如下（xià）：

大多數地（dì）下水應用，需要使用高準確度的（de）透氣（qì）式（shì）水位傳感器。

無論是自動（通過透氣）還是手動補（bǔ）償，都建議（yì）在高海拔或氣壓易於（yú）出現明顯波動的地（dì）方實施（shī）大（dà）氣補償。

如果優先考慮其他水質參數，尤其是在可能需要鹽度或比重補償也（yě）是必要的，那麽透氣式水位的主機（而不是壓力傳感器）是最正（zhèng）確（què）的解（jiě）決方案。