浮子式水位計在水庫應用中的誤差分析

程雯嘉

摘 要：為了減小浮子式自記水位計在水庫壩上運用的誤差，本文采用直線勻速比例法和線性趨勢比例法對壩上自記水位記錄值進行分析訂正。通過對多年的實測值與記錄值進行比測試驗分析，探索出一套浮子式水位計誤差管控及記錄值的訂正方法，解決了浮子式水位計在庫水位測驗時修建專用測井的難題，為推廣水庫壩上使用同類型儀器提供了借鑒。

關鍵詞：水位計;壩上水位;誤差管空對比

中圖分類號：P332.3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）14-0100-02

Error Analysis of Float Gauge in Reservoir Application

CHENG Wenjia

（Zhangye Hydrologic and Water Resources Survey Bureau of Gansu Province，Zhangye Gansu 734000）

Abstract： In order to reduce the error of floating self-recording water level meter in the application of reservoir dam， this paper adopted linear uniform proportional method and linear trend proportional method to analyze and correct the self-recording water level on the dam. Based on the analysis of many years' test of measured value and recorded value， this paper explored a set of error control and correction methods of float type water level gauge， solved the problem of building special logging for float type water level gauge in reservoir water level test， and made some attempts to popularize the same type of instrument on reservoir dam.

Keywords： water level gauge;water level on the dam;error tube space comparison

甘肅省有中小型水庫287座。很多水庫在大壩水位觀測中曾經使用過浮子式水位計，但因使用和操作方法欠妥，實現不了預期目標而終止。近年來，一些水庫安裝遠傳式高清紅外線攝像頭觀測水位，受遮光、地形限制未能全程監測水位，且視線誤差大，超出規范允許值。此外，甘肅省很多中小型水庫的壩上水位仍然沿用傳統人工觀測辦法，水位觀測外業工作量十分繁重。

1 誤差分析與管控

1.1 機械誤差

機械誤差主要是儀器感應部件的摩阻力、主筆與來復桿的摩擦力、彈簧與傳動輪動能轉換阻力等機械因數所致。首先，儀器感應部件的摩阻力較大，盡量用0.01mm不銹鋼鋼絲連接浮筒與平衡錘，減輕了水位輪與懸索的摩阻力。其次，當水位變幅較大時，應隨時調整主筆與來復桿的間隙，并保持主筆與來復桿的靈敏度。最后，相關部門需經常檢查彈簧與傳動輪動能的機械運行狀況，防止彈簧、傳動輪被卡，增大機械阻力。

1.2 承壓洞回流誤差

當水庫下游電站機組或錐蕊閥開閉閘門時，承壓洞內產生回流，豎井內瞬間水位急劇變化，浮子會有瞬間失重現象。校測水位計記錄量時，視主筆方向，重新訂正水位坐標。為了減輕回流造成的誤差，在水位計浮子上部的懸索上懸掛較輕的輔助平衡錘。當浮子被水位突然托起失重時，此輔助平衡錘仍能張緊懸索[1]，可緩解浮子短期失重現象。

1.3 浮筒重力變量誤差

在觀測壩上水位時，水位計的浮筒受水庫高、中、低不同水位級浮力的影響，浮力變量會產生誤差，且誤差超過允許范圍時，需做重力調整。根據大壩水位漲落情況，調節浮筒內石子或平衡錘的重量，以消除不同水位級浮力變量中產生的誤差。在儀器運行中，平衡錘應離開水面，避免產生復雜的雙重浮力變量誤差。

1.4 水尺觀讀誤差

在有風浪時，壩上基本水尺水位觀測方式欠妥，讀數誤差較大。在人工觀測或校測水位時，身體應盡量下蹲，使視線與水面平衡，避免產生遮光;也可以利用水面暫時平靜進行觀讀或者讀取峰頂谷水位，取其平均值;有條件的觀測站應盡量安裝靜水箱再進行觀讀[2]。

1.5 距離誤差

水庫基本水尺斷面與豎井水位計的距離較遠，水位變率大時，會產生距離誤差，應盡量縮短校測時間，或者從水位計記錄上線上訂正。

1.6 基本水尺的系統誤差與偶然誤差

水尺零點高程在每年汛前汛后校測，如果發現水尺零點高程超過10mm時，及時分析修正水庫基本水尺水位;進入汛期描畫水尺時，逐段校測高程以減小誤差，遇特殊情況時需加密校測次數。

2 記錄值的訂正

水庫在壩上建有豎井（豎井內設啟閉閘門，是控制水庫承壓洞下游錐蕊閥和電站機組檢修、故障排除的安全保證設施）。例如，張掖市民樂縣瓦房城水庫壩上水位觀測主要依靠SWY20型月記式水位計，通過大量實測值與記錄訂正值進行同步比測分析。

非汛期水位變率較小，在豎井內水位計下砼上設臨時水準點，每月用懸錘式水尺校測1～2次，儀器運行正常，誤差與人工觀測值相同，能夠達到儀器設計的精度要求;放水期間4～11月份庫水位變率在4～30cm，日水位變率大，且受水庫調度水量影響，豎井內產生回流時，基本水尺觀測水位與水位計記錄水位誤差相差較大，需要管控誤差來源與記錄值的分析訂正。通過試驗驗證，石英晶體自計鐘運行31d，時間累計記錄誤差≤5mim，故省略時間訂正。

2.1 直線勻速比例法

水庫壩上水位讀數與記錄水位誤差較小且變率均勻時，采用直線勻速比例法訂正。將人工實測水位與自記記錄水位的差值，均勻分攤到訂正水位各時段。

2.2 線性趨勢比例法

線性趨勢比例法主要適用庫水位變率急劇期間。依據記錄水位在各時段水位變率的大小，以6min的整倍數為單位，采用比例分析水位線性變化的趨勢，各時段記錄水位變率，按比例做誤差訂正，如表1所示。從表1可知：實測值與訂正值二者線性趨勢完全相同，個別測點的誤差均在規范允許的0.02m人工觀測范圍內。上游入庫流量與降水量過程相符，符合流域特性。

3 結論

在水庫水位觀測中，本文通過浮子式水位計誤差管控、庫水位實測值與記錄訂正水位進行同步對比測驗，得出了如下結論。①可全程監控壩上水位，記錄訂正值與人工觀測過程相符，精度滿足規范要求。②消除了人工測量庫水位受風浪影響時入庫流量有時出現負值的現象，提高了庫水位監測精度，同時減輕人工觀測勞動強度。③在非汛期實用性頗強，豎井里溫度較高，水體不結冰，無需進行記錄量分析訂正，冬季不再每日觀測打冰作業，極大地減輕了外業工作量，為水文測驗方式的改革奠定基礎。

參考文獻：

[1]朱曉原.水文測驗實用手冊[M].北京：北京水利電力出版社，2013.

[2]王錦生.水文測驗手冊[M].北京：北京水利電力出版社，1983.