如果問你監測水質意味著什麽時，您會想到哪些參（cān）數？溫（wēn）度、電導率、pH值、溶解氧（yǎng）和濁度（dù）這（zhè）“五大（dà）”參數嗎（ma）？追蹤有害藻華的（de）葉綠素和藻藍蛋白？以我作為水質儀器經理的經（jīng）驗來看，每（měi）當我問這個問題時，“水位”很少是我得到的第一個答案。實（shí）際上（shàng），在一些圈子中，水位根（gēn）本不被認為是水質的衡量（liàng），而是水量的衡量，被當作一個完全獨立的話題（tí）來對待（dài）。

無論（lùn）你是否相信（xìn）水位是（shì）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，準確的水位測量對於地下水監測、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（méi）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（qì）候變化引發極端天氣事件，各地區應對暴雨和洪水、幹旱和缺水、海平麵上升以（yǐ）及其他與氣候相關的問題（tí）。

此係列文章將重點介紹憑借草莓视频黄污污污Xylem的水位測量實現重要應用的以下（xià）三（sān）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（yòng）到銷售和業務開（kāi）發的全方位服務，並曾在世（shì）界上最迷人的地方開展工作（zuò）。例如（rú），James在西藏的拉薩開展過一個項目，監測地（dì）下水。

出於多種原因，監測地下水水位非常重要，其中包括了解在靜態條（tiáo）件（jiàn）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（kuàng）下，James將協（xié）助客戶監測拉薩的自然資源- 尤其是（shì）水質。

James用（yòng）一台EXO1透氣式水位主機來完成這項任務。這種儀（yí）器的選擇至少說明了關於地下（xià）水監測（cè）的兩個非常重要的原則（zé）。在（zài）傳（chuán）統意義（yì）上，水質監測也是一（yī）個（gè）優先事（shì）項。為什（shí）麽客戶要求測量諸如（rú）比電導（dǎo）、溫度、pH/ ORP和濁度等水質參數，而不僅僅是測量（liàng）地下水水（shuǐ）位？

主要原因就是，水量豐富並不代表水源適合飲用。雨水或（huò）地表水（shuǐ）在滲入（rù）地下時會接觸受汙染的土壤，從那一刻起，雨水或地表水就可能會（huì）被汙染，並將汙染從土（tǔ）壤帶到地下水蓄水層。而當液態有（yǒu）害物質通過土壤或岩石滲入（rù）地下（xià）水時，地下水（shuǐ）也（yě）可能受到汙（wū）染（rǎn）。還存在許多其他類型的地下水點源和非點源汙染，而在這個項目中，客戶需要監測這些威脅。

連續監測標準（zhǔn）水質參數的變化是一種很好的（de）方法，同時也證明了相比於水位記錄（lù）儀，使（shǐ）用窄小直（zhí）徑 EXO1進行地下水監測的關鍵優勢。

第二個原則，該項目（mù）揭（jiē）示了在某些情況下使用透氣式水位深度傳感（gǎn）器的（de）重要性。拉薩是世（shì）界上海（hǎi）拔最高的城市之一。海拔超過3650米（mǐ），拉薩（sà）的氣壓比海平（píng）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（dà）影響，尤其是在不使用透氣式水位傳感器的情況下（xià）。所以...什麽是透氣式水位測量，它和（hé）深度傳感器（qì）有（yǒu）哪些區別？

02深度vs.透氣式水（shuǐ）位（wèi）

YSI EXO配備（bèi）的（de）傳感（gǎn）器分為深度和透氣式水位兩種（zhǒng）。

深度由一個非（fēi）透氣式的應變傳感器進行測量的，這裏我們將其稱為壓力（lì）傳感器（qì）（也稱之為“深度傳感器（qì）”）。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（de）一側暴（bào）露在水中，另（lìng）一側（cè）暴露於真（zhēn）空中。在真空側，壓力恒定不（bú）變。在水側，壓力隨水壓(Pw)的變化（huà）而變化，水壓與水深成正比。因此，水量越多意味著壓（yā）力越大（dà），信號（hào）被轉換成工程單位（磅/平方（fāng）英寸-PSI 或深度，單位為m、ft或bar）。據此，您（nín）就可以（yǐ）知道壓力傳感器上方的（de）水深。

有時，這些測量值被稱為絕對深度（dù）。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（chà）。我認為“絕對（duì）”代表的含（hán）義是：所有（yǒu）對傳感器隔（gé）膜施加的壓力都會被轉換成電信號，然後這些信（xìn）號由儀器的固件轉換成深度，但如果（guǒ）是這樣，情況（kuàng）就（jiù）變得複雜（zá）了...

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

對於許多應用，這些（xiē）其他因素可以忽略（luè）不計。但是在淺水應用中，有兩個（gè）因素可能（néng）會產生嚴重影響：鹽度（也可（kě）解釋為（wéi）水的比重ρ）和大氣壓。在室溫1個大氣壓（即海（hǎi）平麵（miàn））下，純水的比（bǐ）重為1。海水（shuǐ）的比重則要高 50%，甚至還取（qǔ）決於溫度。因此，考慮溫度的鹽度測（cè）量可用於補償水位測量。

其中（zhōng）一個重要的例子是與海平麵（miàn）上升相關的氣（qì）候變化研究，如在佛羅裏達州Clam Bayou案例的經典文章（zhāng）關於海平麵上升（shēng）的YSI應用（yòng）指南所描述（shù）的。Clam Bayou案例研（yán）究也描述了第二個關鍵變量–大氣（qì）壓（yā）。特別是在水（shuǐ）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（jī）。

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（dāng）使用壓（yā）差傳感器時（shí），這確保了整個（gè）測量中自動補償了大氣壓力(Pair) 。

有時氣壓會發生劇烈波（bō）動，例如（rú）在暴風雨期間。在生活中，您甚至可能認識一些（xiē）可以感（gǎn）知（zhī）這些變化的人，——也許他們會患上氣壓性頭痛（tòng）。海拔變化也會影響氣壓，這也是拉薩（sà）氣壓如此低的一個重要原（yuán）因。因此，讓我們從Clam Bayou向上爬升3,650米，看看（kàn）大氣壓補償（cháng）有多重要。

03高海拔（bá）水位的氣壓補（bǔ）償 

我的同事James在西藏拉薩的客戶現場（chǎng）安裝了一台 EXO1透氣式水位主（zhǔ）機。之（zhī）後他的一位合作夥伴也訪問（wèn）了該地點，並在同一口井中安裝了一台配有非透氣（qì）式壓力傳感器的EXO2主機（jī），他們也想在那裏觀察水（shuǐ）質。這台非透（tòu）氣式主機的（de）深度傳感器隻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（de）傳感器本身是在壓（yā）力控製室中（zhōng）校準的。這也就是在部署之前（qián）深度傳（chuán）感（gǎn）器通常應該在室外（wài）現場進行校準的原因。在深水應用中，Pw遠大於Pair，這可能無（wú）關緊要。但如果是（shì）在地表水應用，且使（shǐ）用我們（men）的垂直剖麵儀進（jìn）行深度測量的情況下，則一定要（yào）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（dù）傳感器仍在部署（shǔ）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，如下圖所示。

James比較了（le）他的EXO1主機和合作夥伴的EXO2主機的測量值。在下圖（tú）中，左側Y軸（zhóu）表（biǎo）示（shì）EXO1水位值，右側Y軸表示EXO2深度值，兩者均（jun1）以米為單位（wèi）：

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

該圖（tú）顯（xiǎn）示了兩（liǎng）台主機所測得的水位（wèi）值之間相差約6.5-6.85米，此外更重要的是（shì）它還顯示（shì）了（le）值在6.67至6.84 米之間的（de）波動。這一點很有趣（qù）引起我們的注意，並還會（huì）在我們的最終分析中再次出現。我（wǒ）們（men）已經暗示過，拉薩（sà）的低氣壓可能是引起兩個探頭測得的數據之間的波動（dòng）和差值的一個原因，但是這一假設是否得（dé）到（dào）有力證（zhèng）據的支持？

James在右（yòu）側Y軸上繪製了（le）以百帕斯卡 (hPa) 為單位的氣壓測量（liàng）值（zhí），並在左側Y軸上繪製了兩個探頭所測的深度（dù）差 (m)。作為參考，海平麵（miàn）上的1個（gè）標準氣壓為1013.25hPa。除了這兩條線看起來（lái）相互跟蹤程度外，該圖的右軸數據（jù）還顯示出了氣壓非常之低，與拉薩的高海拔相對（duì）應（yīng）。

James繼續評估了兩個主（zhǔ）機所測的深度差值（zhí）（X軸、ΔDepth，以m為單（dān）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（jìng）科（kē）學家認定它們之間存在（zài）非常強的相關性（xìng）：

這為在高海（hǎi）拔地區（qū）使用透（tòu）氣式水位測量進行地下水監測這（zhè）一假（jiǎ）設提（tí）供了有（yǒu）力的依據。

04準確度規格

當我（wǒ）看到這（zhè）些數據時，我想（xiǎng）到，如果想知道水是什麽時候抽出或流入的，主（zhǔ）要的深度測量可能不是最重要（yào）的，而是檢（jiǎn）測變化的能力（lì）。換句話說，假設EXO2主機測得的起點為9m實際上是錯誤的（de），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。那麽如（rú）果我有一台EXO2，又不想再買（mǎi）另一台主機，這樣夠用了嗎（ma）？

以下（xià）為來自EXO用戶手冊（cè）的規格信息：

這項研究（jiū）中使（shǐ）用的EXO2是中等（děng）深度（dù） (100m) 主（zhǔ）機，其準確度規格約為滿量程（chéng）的（de）±0.04% ，即（jí）±4cm。相比之下，EXO1淺水透（tòu）氣（qì）式（shì）主機 (10m) 的準確度規格為滿量程的±0.03% ，即±0.3cm。準確度足足（zú）提高了10倍以上！

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

假（jiǎ）設您打算進（jìn）行校準，您可能會想，為什麽還要這（zhè）麽費（fèi）心使用（yòng）透氣呢？0.4cm我聽著挺好的！

請記住這些準確度規格是在受（shòu）控的海（hǎi）平麵條件下測得的。氣壓仍然（rán）是必須考慮的幹擾因素。使用透氣式水位主機（jī），氣壓補償將自動完成。但對於非透氣式標準主機，必須從外部完成氣壓（yā）補償，現在有另一個測量（liàng）誤差被引入總（zǒng）誤差預估（gū）。這就意味（wèi）著，在這個（gè）高度偏遠的地區，氣壓的一些單獨測量必須與探測器（qì）的水位測量同（tóng）時進行，氣壓測量是可靠的，以最終進行大氣壓（yā）補償，從而完成最終的水位測量。

如果這聽起（qǐ）來有點（diǎn）混亂，那是因為確（què）實如此。當在拉薩James現場的百帕的變化相差2-4% (16hPa) 時（shí），要做到這一點頗為困難：

最（zuì）後，相對於含水層的總體積，水位變化所代表的估計體積（jī）對於（yú）選擇儀（yí）器時的（de）理（lǐ）解也很要，這將提高應用所（suǒ）需的整體準確度（dù）。

最終分析：這些（xiē）有關（guān）係嗎？

所（suǒ）以在這個故事中，我們遇到（dào）了不同的狀況。有兩種（zhǒng）不同類型的測（cè）量值：深度和透氣水位。另（lìng）一個現實是，EXO2主機沒有進行現（xiàn）場校準，這（zhè）進一步增加了深（shēn）度測（cè）量的誤差。但是，總體來說，如果（guǒ）James的客戶選擇信任這台EXO2主機（jī）的深度測量結果，而不是EXO1的透氣水位測（cè）量結果，會（huì）發生什（shí）麽？

再看（kàn）上圖，氣壓變化在 648-632hPa之間波動，EXO1報告的水位變化約為（wéi）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（gū）計出，EXO2報告的約17cm的（de）差異是由缺乏氣壓補償導致（6.84-6.670m，來自上麵的差異圖）。如果（guǒ）未進行此（cǐ）補償，操（cāo）作人員怎麽知道地（dì）表水流入、流出或其他因素正在發生呢（ne）？

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

05 Case Study

此案例研究（jiū）說明（míng）了為什麽YSI建議您使用經過適當校準的透氣式水位主機（jī）進行地下水水位測量。針對地下水監測的YSI標準建（jiàn）議如下：

大多數地下水應用，需要使用高準確（què）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（yā）易於出現明（míng）顯（xiǎn）波動的地方實施大氣補償。

如（rú）果優先考慮其他（tā）水質參數，尤（yóu）其是在可能需要鹽度或比重補償（cháng）也（yě）是必要的，那麽透氣式水位的主機（而不是壓力傳（chuán）感器）是最（zuì）正確的解決方案。