如果問你監測水質意味著什么時，您會想到哪些參數？溫度、電導率、pH值、溶解氧和濁度這“五大”參數嗎？追蹤有害藻華的葉綠素和藻藍蛋白？以我作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答案。實際上，在一些圈子中，水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。今天測量的參數，準確的水位測量對于地下水監測、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。伴隨氣候變化引發極端天氣事件，各地區應對暴雨和洪水、干旱和缺水、海平面上升以及其他與氣候相關的問題。

此系列文章將重點介紹憑借賽萊默Xylem的水位測量實現重要應用的以下三個項目： 

地下水監測

暴雨監測

洪水監測

01地下水監測

第一個例子來自于我的同事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和業務開發的全方位服務，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目，監測地下水。

出于多種原因，監測地下水水位非常重要，其中包括了解在靜態條件和抽水條件下的蓄水層水位、確定水位與當地地表水源的相互作用以及了解地表開發對蓄水層的影響。拉薩被稱為“亞洲水塔”，在這樣的情況下，James將協助客戶監測拉薩的自然資源- 尤其是水質。

James用一臺EXO1透氣式水位主機來完成這項任務。這種儀器的選擇至少說明了關于地下水監測的兩個非常重要的原則。在傳統意義上，水質監測也是一個優先事項。為什么客戶要求測量諸如比電導、溫度、pH/ ORP和濁度等水質參數，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。而當液態有害物質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源和非點源污染，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進行地下水監測的關鍵優勢。

第二個原則，該項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變傳感器進行測量的，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，當傳感器隔膜片上的壓力變化時就會發出電信號。隔膜的一側暴露在水中，另一側暴露于真空中。在真空側，壓力恒定不變。在水側，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，信號被轉換成工程單位（磅/平方英寸-PSI 或深度，單位為m、ft或bar）。據此，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。因為我始終認為有可能存在極低的測量誤差。我認為“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換成電信號，然后這些信號由儀器的固件轉換成深度，但如果是這樣，情況就變得復雜了...

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，受諸如鹽等溶質以及諸如溫等環境條件的影響。

對于許多應用，這些其他因素可以忽略不計。但是在淺水應用中，有兩個因素可能會產生嚴重影響：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償水位測量。

其中一個重要的例子是與海平面上升相關的氣候變化研究，如在佛羅里達州Clam Bayou案例的經典文章關于海平面上升的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為淺水），大氣壓波動會影響水位測量的準確性。

正因為如此，我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大氣聯通。當使用壓差傳感器時，這確保了整個測量中自動補償了大氣壓力(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場安裝了一臺 EXO1透氣式水位主機。之后他的一位合作伙伴也訪問了該地點，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，他們也想在那里觀察水質。這臺非透氣式主機的深度傳感器只是在出廠前進行了校準。

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

然而，James的合作伙伴起初并不想測量深度，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周后，James查看和分析數據時他注意到了一些顯著的差異，如下圖所示。

James比較了他的EXO1主機和合作伙伴的EXO2主機的測量值。在下圖中，左側Y軸表示EXO1水位值，右側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據，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。我們已經暗示過，拉薩的低氣壓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，但是這一假設是否得到有力證據的支持？

James在右側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個標準氣壓為1013.25hPa。除了這兩條線看起來相互跟蹤程度外，該圖的右軸數據還顯示出了氣壓非常之低，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。通過線性回歸分析，大多數環境科學家認定它們之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測量進行地下水監測這一假設提供了有力的依據。

04準確度規格

當我看到這些數據時，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EXO2主機測得的起點為9m實際上是錯誤的，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一樣。那么如果我有一臺EXO2，又不想再買另一臺主機，這樣夠用了嗎？

以下為來自EXO用戶手冊的規格信息：

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的同事部署的并不是100m量程的主機，而是淺水不透氣的EXO2主機，由于淺水非透氣式主機（EXO1或EXO2）在10m量程范圍內的準確度為±0.4cm，所以所得測量結果可能會與EXO1透氣式水位主機的測量值更接近。當然，前提是已經在現場正確校準了EXO2。

假設您打算進行校準，您可能會想，為什么還要這么費心使用透氣呢？0.4cm我聽著挺好的！

請記住這些準確度規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，氣壓補償將自動完成。但對于非透氣式標準主機，必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測量同時進行，氣壓測量是可靠的，以最終進行大氣壓補償，從而完成最終的水位測量。

如果這聽起來有點混亂，那是因為確實如此。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：

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

最終分析：這些有關系嗎？

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。另一個現實是，EXO2主機沒有進行現場校準，這進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主機的深度測量結果，而不是EXO1的透氣水位測量結果，會發生什么？

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)。我們可以估計出，EXO2報告的約17cm的差異是由缺乏氣壓補償導致（6.84-6.670m，來自上面的差異圖）。如果未進行此補償，操作人員怎么知道地表水流入、流出或其他因素正在發生呢？

如需更多討論和信息，請聯系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。針對地下水監測的YSI標準建議如下：

大多數地下水應用，需要使用高準確度的透氣式水位傳感器。

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

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是必要的，那么透氣式水位的主機（而不是壓力傳感器）是最正確的解決方案。