超聲波水位計(jì)在鶴立水文站中的應(yīng)用

呂永軍，徐建民，金冬梅

(佳木斯水文局，黑龍江佳木斯154002)

鶴立水文站設(shè)立于1961年，是松花江下游左岸一級(jí)支流阿凌達(dá)河中游控制站，集水面積485 km2。中、高水河床有較大沖淤變化，斷面右岸有坍岸現(xiàn)象。該站2003年在基本水尺斷面右岸建設(shè)一座岸式水位自記平臺(tái)，2005年8月位于該站上游20 km處的元寶山水庫垮壩，由于洪水沖刷河岸塌岸嚴(yán)重，水位自記平臺(tái)被洪水沖毀，水位信息一直靠人工觀測，無法實(shí)現(xiàn)水位自動(dòng)記錄，同時(shí)也難以做到迅速、及時(shí)、準(zhǔn)確地向各級(jí)防汛部門傳遞水位信息。針對(duì)該站河流特性和測驗(yàn)斷面河岸不穩(wěn)定的實(shí)際情況，佳木斯水文局于2009年為鶴立水文站從河南黃河水文科技有限公司引進(jìn)HW－1000C系列無線型非接觸超聲波水位計(jì)，本文就儀器的有關(guān)情況進(jìn)行介紹，并對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行分析。

1 超聲波水位計(jì)工作原理

當(dāng)超聲波在空氣中傳播遇到水面后被反射，儀器測得聲波往返于傳感器到水面之間的時(shí)間，根據(jù)聲速計(jì)算距離，再用傳感器高程減去所測至水面距離即得水位，計(jì)算公式如下:

式中:V為聲波在空氣中的傳播速度;t為聲波往返于傳感器和水面之間的時(shí)間;H為聲傳感器至水面的距離;H水為水位; T為溫度;H傳為聲傳感器安裝高程。

由于聲速是溫度的函數(shù)，正確的修正聲速是保證測量精度的關(guān)鍵，為此HW－1000C系列無線型非接觸超聲波水位計(jì)采用溫度實(shí)時(shí)修正的方法實(shí)現(xiàn)聲速校準(zhǔn)，以使測量精度達(dá)到規(guī)范要求。

2 超聲波水位計(jì)用途

HW－1000C系列無線型非接觸超聲波水位計(jì)具有高度的靈活性和廣泛的適應(yīng)性。

①河流水位、明渠水位自動(dòng)監(jiān)測。②水庫壩前、壩下尾水水位監(jiān)測，攔污柵壓差監(jiān)測。③調(diào)壓塔(井)水位監(jiān)測。④潮位自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)和城市供水、排污水位監(jiān)測系統(tǒng)。

3 超聲波水位計(jì)功能

①根據(jù)測量時(shí)間間隔，自動(dòng)進(jìn)行水位測量、數(shù)據(jù)傳輸。②室內(nèi)設(shè)備具有漢字功能提示、顯示水位數(shù)據(jù)、固態(tài)存儲(chǔ)、歷史水位查詢、各種參數(shù)設(shè)置。③備有RS232、RS485、TTL電瓶、電流環(huán)、4～20 mA模擬量等多種輸出接口。④兼容國內(nèi)多家數(shù)傳設(shè)備，可以方便的組成水情自動(dòng)測報(bào)網(wǎng)。

4 超聲波水位計(jì)工作特點(diǎn)

①在水位測量過程中沒有任何部件接觸水體，實(shí)現(xiàn)非接觸測量。②不受高速水流沖擊、漂浮物纏繞、堵塞或撞擊以及水質(zhì)電化反應(yīng)的影響。③設(shè)備安裝基建投資小，不需要建測井，還可以借助于建筑物安裝。④設(shè)備無運(yùn)動(dòng)部件，不會(huì)因部件磨損銹蝕而產(chǎn)生故障，提高了無故障工作時(shí)間和運(yùn)行的可靠性。⑤與其它水情測報(bào)設(shè)備具有良好的兼容性，用戶可靈活地選配組網(wǎng)。⑥采用實(shí)時(shí)溫度自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)，安裝方便。

5 觀測成果分析

鶴立水文站安裝的超聲波水位計(jì)自2009年6月20日開始使用，現(xiàn)將2009年6月20日～9月20日運(yùn)行情況分析如下:以人工觀測水位與超聲波水位計(jì)實(shí)測水位資料為例，見表1。

從表1中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，超聲波水位計(jì)遙測與人工觀測水位，差值＞2 cm的有4次，出現(xiàn)的機(jī)率為4.3%;差值在±2 cm的有12次，出現(xiàn)的機(jī)率為12.9%;差值在±1 cm的有29次，出現(xiàn)的機(jī)率為31.2%;差值為0的有48次，出現(xiàn)的機(jī)率為51.6%。時(shí)鐘誤差3個(gè)月累計(jì)誤差為12 s，經(jīng)下列公式計(jì)算可知:

表1 超聲波水位計(jì)與人工觀測水位對(duì)比表

式中:Pyi為自動(dòng)監(jiān)測水位;Xz為綜合不確定度;Pi為人工校測水位;N為校測次數(shù);X″y為系統(tǒng)不確定度;X'y為隨機(jī)不確定度。

系統(tǒng)不確定度為0.43 cm，隨機(jī)不確定度為2.28 cm，置信水平95%的綜合不確定度為2.32 cm，＜3 cm，鶴立水文站2009年汛期所采集到的水位資料達(dá)到水位觀測標(biāo)準(zhǔn)精度要求。

把人工觀測水位資料和超聲波測量到的水位資料當(dāng)作是兩個(gè)獨(dú)立系列，分析兩系列相關(guān)關(guān)系的密切程度(相關(guān)系數(shù)的大小)和兩系列之間相關(guān)關(guān)系的數(shù)學(xué)形式(回歸方程式)。由于兩系列的點(diǎn)據(jù)多，經(jīng)電腦分析，兩系列的相關(guān)系數(shù)為1.00，表示兩系列的相應(yīng)點(diǎn)均基本落在回歸線上，表明它們之間的關(guān)系最為密切(超聲波水位與人工觀測相關(guān)圖)，回歸方程為:

式中:Zx為人工觀測水位，m;Zy為超聲波水位，m。

圖1 超聲波水位與人工觀測水位相關(guān)圖

從回歸方程和關(guān)系圖可以看出:HW－1000C系列無線型超聲波水位計(jì)測定的結(jié)果與人工觀測的結(jié)果非常接近，只需按照上式進(jìn)行訂正就可滿足規(guī)范要求，說明該儀器精度較高，性能良好。

6 結(jié)束語

鶴立水文站是我省水文測站中第一個(gè)應(yīng)用超聲波水位計(jì)自動(dòng)采集水位信息的水文站，通過對(duì)HW－1000C系列無線型非接觸超聲波水位計(jì)在2009年汛期的實(shí)際應(yīng)用分析可以看出，HW－1000C系列無線型超聲波水位計(jì)的測量精度完全符合《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》要求，其穩(wěn)定性能滿足生產(chǎn)需要，它能適時(shí)量測水位，在室內(nèi)即可監(jiān)視水位變化，為搶測洪峰提供準(zhǔn)確的水位數(shù)據(jù)，極大地提高了水文測驗(yàn)的工作效率;同時(shí)超聲波水位計(jì)具有不需要建測井、觀測迅速、方便、省時(shí)、省力、造價(jià)低的特點(diǎn)，既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，又有遠(yuǎn)程通訊功能，可與計(jì)算機(jī)連接，向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，在全省高含沙量的河流中有較好的應(yīng)用前景。

［1］ 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 5013－2010［S］.