壓力式水位計與人工觀測水位對比分析

張永飛

（河北省張家口水文勘測研究中心，河北 張家口 075000）

1 概況

三道營水文站為黑河控制站，黑河是潮白河水系白河的主要支流之一，流域呈長條形，形狀系數(shù)為0.14，河網(wǎng)密度不大，河長108.2 km，流域平均寬度19.2 km。三道營水文站位于河北省赤城縣東卯鎮(zhèn)三道營村，位于海河流域潮白河水系，集水面積1 600 km2，至河口距離108.2 km，測驗項目有水位、流量、單樣含沙量、懸移質輸沙率、冰凌、降水量、地表水水質等。

2 儀器設備

2.1 自記水位計設備

三道營水文站配備的是西安山脈科技公司研制的SUMMIT-W6000 型壓力式水位計，該水位計由溫度壓力一體變送器、微功耗RTU、通信模塊、大容量可更換鋰原電池和不銹鋼殼體組成，通信協(xié)議完全符合標準要求，技術指標及取值詳見表1。

表1 SUMMIT-W6000型壓力式水位計技術指標及取值

2.2 人工觀測水位設備

本站人工觀測水位設備為直立式木質水尺，由人工讀取水尺讀數(shù)，然后和該水尺的水尺零點高程相加得到水位，并且在水位記載本上記錄數(shù)據(jù)。人工觀測要求依據(jù)本站《測驗任務書》和《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010），每日8 時觀測1 次，水位變化緩慢時應于20時或16時加測1次[1]，洪水期、冰凌期和特殊情況影響水位變化時應隨時增加測次，以測得完整的水位變化過程。

3 比測方案

目前，隨著水文測量行業(yè)的不斷發(fā)展進步，各類先進的測量儀器得到了廣泛的應用，為提升水文觀測的自動化水平，三道營水文站配備了壓力式水位計。壓力式水位計性能穩(wěn)定、精度高且適用范圍廣，可將水位觀測數(shù)據(jù)傳輸至終端和服務器，供用戶隨時訪問查看。通過本次水位觀測數(shù)據(jù)的比測以及分析，能夠提升三道營水文站自記水位計的應用效果，從而使自記水位計成為三道營水文站主要的水位觀測設備，這有利于降低水位觀測工作強度，縮短測報歷時，提升工作效率，推動水文測量走向數(shù)字化、自動化道路[2]。

本次比測依據(jù)為《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）。規(guī)范中指出：新安裝的自記水位計或改變儀器類型時應進行比測[3]，比測合格后，方可正式使用。比測水位計為三道營水文站測驗斷面新配備的SUMMIT-W6000 型壓力式水位計。比測時間從2022年5月1日開始，到2022年10月31日為止。根據(jù)測站任務書，進行高、中、低水3個水位級別比測，每個水位級別的樣本數(shù)據(jù)均要求大于30 組，高、中水樣本數(shù)據(jù)應體現(xiàn)洪水過程，選取的樣本數(shù)據(jù)應包含比測期內(nèi)的最高、最低和平均水位，其他樣本數(shù)據(jù)選取每日8、16時觀測數(shù)據(jù)。若本年度未發(fā)生高水，高水比測向下一個年度推遲。本次比測統(tǒng)計了樣本數(shù)量、樣本值、樣本合格率、最大誤差和時鐘走時誤差，自記水位與人工觀測值誤差不大于2 cm的樣本為合格樣本，時鐘走時誤差取日記不超過±5 min。最后，計算樣本系統(tǒng)不確定度、隨機不確定度和綜合不確定度，比測結果分析應符合“置信水平95%的綜合不確定度應為3 cm，系統(tǒng)誤差應為±1 cm”這一規(guī)定[4]。

4 比測數(shù)據(jù)分析及誤差評定

4.1 比測數(shù)據(jù)

比測期間（2022年5月1日—10月31日）共采集到368 組數(shù)據(jù)，三道營水文站實測最大流量僅為2.33 m3/s（6 月22 日），相應水位為9.15 m，平均水深為0.30 m。根據(jù)三道營水文站水位級劃分標準，比測期間368 組數(shù)據(jù)均為低水，本年度未出現(xiàn)中、高水，故本次比測水位數(shù)據(jù)僅有低水水位，中、高水待后續(xù)出現(xiàn)時隨時加測，以驗證自記水位計在中、高水水位級時的合理性與準確性。

4.2 數(shù)據(jù)分析

按照《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）相關規(guī)定，使用自動監(jiān)測設備監(jiān)測水位時，其不確定度應按下列方法估算[5]。

系統(tǒng)不確定度應按下式計算：

式中：X"y為系統(tǒng)不確定度；Pyi為自動監(jiān)測水位（m）；

Pi為人工校測水位（m）；N為校測次數(shù)。隨機不確定度應按下式計算：

綜合不確定度按下式計算：

式中：Xz為綜合不確定度；其余變量含義同上。

根據(jù)三道營水文站水文觀測資料，三道營水文站壓力式水位計水位觀測的系統(tǒng)不確定度、隨機不確定度、綜合不確定度計算結果詳見表2。

表2 系統(tǒng)不確定度、隨機不確定度、綜合不確定度計算結果統(tǒng)計

由表2 可知，綜合不確定度為1 cm，符合“置信水平95%的綜合不確定度應為3 cm，系統(tǒng)誤差應為±1 cm”這一規(guī)定，故本次比測結果是合格的。

4.3 誤差分析

根據(jù)比測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得出樣本合格率為100%、最大誤差為0.02 cm、最大時鐘走時誤差為0。其中，樣本誤差為±0.01 cm 的樣本數(shù)為110 個，所占比重29.9%；樣本誤差為±0.02 cm 的樣本數(shù)為3 個，所占比重0.8%；樣本誤差為0 的樣本數(shù)為255 個，所占比重69.3%，具體結果詳見表3。由表3 可知，樣本誤差較大的占比較小，本次比測的壓力式水位計誤差在合理范圍內(nèi)，基本可靠。

表3 比測結果誤差統(tǒng)計

4.4 相關性分析

依據(jù)2022 年三道營水文站比測數(shù)據(jù)資料，繪制三道營水文站壓力式水位計觀測水位和人工觀測水位的線性相關圖，如圖1 所示。從圖1 可以看出，R2=0.991 7，水位數(shù)據(jù)分布較均勻且成一帶狀，可見壓力式水位計觀測水位與人工觀測水位相關性較高，三道營水文站壓力式水位計水位觀測值具有較高精度。

圖1 2022年三道營水文站壓力式水位計觀測水位和人工觀測水位相關性

4.5 過程線分析

根據(jù)2022 年5—10 月的比測數(shù)據(jù)，逐月點繪三道營水文站壓力式水位計觀測水位與人工觀測水位過程線，如圖2所示，從而分析兩者間的變化過程及走勢情況。從圖2 可以看出，壓力式水位計觀測水位與人工觀測水位變化趨勢基本相同，水位過程線峰形基本一致，沒有發(fā)生水位陡漲陡落的情況，壓力式水位計的水位觀測值比較穩(wěn)定。

圖2 2022年三道營水文站壓力式水位計觀測水位與人工觀測水位過程線

5 結語

通過三道營水文站2022 年5—10 月368 組比測數(shù)據(jù)資料，計算得出系統(tǒng)不確定度、隨機不確定度、綜合不確定度分別為0.2、1、1 cm，均符合規(guī)范要求。另外，進一步通過誤差分析、相關性分析和過程線分析對其合理性和可靠性進行了驗證。因此，三道營水文站壓力式水位計能夠代替人工進行日常低水位觀測，其水位觀測資料可作為正式水文資料使用。