自計水位計與人工水尺觀測比測分析

安兆利

(煙臺市水文中心，山東 煙臺 264001)

水位是河流或其它水體(如湖泊、水庫、人工河、渠道等)的自由水面相對于某一基面的高程，單位以米(m)表示[1]。水位觀測是水文要素觀測的重要組成部分，通過水位觀測可以了解水體的狀態(tài)，通過的水位數(shù)據(jù)可直接為工程建設、防汛抗旱等服務。目前水位觀測主要有人工水尺、自計水位計觀測等方式。其中人工水尺觀測主要包含直立式、傾斜式、矮樁式水尺觀測，常采用的為直立式水尺觀測；自計水位計觀測主要包含浮子式自計水位計、雷達水位計等觀測，常采用的為浮子式自計水位計。本次將以招遠市隋家水位站人工水尺觀測數(shù)據(jù)為基準對浮子式自計水位計觀測數(shù)據(jù)進行比測分析，探索自計水位計在實際應用中存在的問題及解決方法。

1 概況

1.1 流域情況

大沽河發(fā)源于阜山西麓、主峰偏西北500 m處的山溪中，在招遠市境內(nèi)長48 km，為市域內(nèi)第二大河，經(jīng)阜山、畢郭、夏甸3鎮(zhèn)，匯入青島萊西市產(chǎn)芝水庫于膠州灣注入黃海。主要支流有薄家河、留仙莊河、方家河、下林莊河、李格莊河、夏甸河等。大沽河招遠市內(nèi)主要干流河床寬70 m，流域面積為531.3 km2，占全市總面積的37.1%。隋家水位站位于大沽河隋家家村南，控制流域面積為436 km2。

1.2 水文測站控制情況

1.2.1 測站基本情況

隋家水位站建成于2020年，位于招遠市夏甸鎮(zhèn)隋家村，東經(jīng)120.41741°、北緯37.11478°。隋家水位站所在大沽河為大沽河干流，流域形狀為條形，流域面積436 km2，干流長度44.6 km?，F(xiàn)有監(jiān)測項目包括水位、流量。測站分級為小河站、一般站、測驗精度三類站。

1.2.2 測驗河段及斷面情況

測驗河段較順直，兩岸為漿砌石護岸，河堤高5 m左右。在基本斷面上游5 m處有一漫水橋，橋長115 m。根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》(GB50286-2013》規(guī)定標準斷面處河段為4 級堤防，斷面高程按20 a一遇設計洪水位加堤頂超高確定。

2 比測數(shù)據(jù)采集整理

對比觀測采用2021年1-10月人工觀測水位數(shù)據(jù)與同時間浮子式水位計水位數(shù)據(jù)值。2021年1-10月人工及浮子水位計監(jiān)測共212次，符合水位觀測標準規(guī)定的每段比測次數(shù)應在30次以上的規(guī)定。由于數(shù)據(jù)較多，只展示1-4月份的數(shù)據(jù)。1-4月份具體的比測數(shù)據(jù)詳見表1與1-10月份水位比測圖1。

圖1 1-10月份水位比測圖

通過分析人工觀測數(shù)據(jù)及浮子式自計水位計數(shù)據(jù)，未發(fā)現(xiàn)自計水位計出現(xiàn)設備故障或其他原因造成的缺測、漏測、數(shù)據(jù)明顯異常或丟失等問題，數(shù)據(jù)合理且完整。

3 數(shù)據(jù)計算與分析

3.1 數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計

根據(jù)水位觀測標準(GB/T 50138-2010)，比測結(jié)果的規(guī)定：一般水位站，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，波浪問題突出的近海地區(qū)水位站，綜合不確定度可放寬至5 cm[2]。

1)系統(tǒng)不確定度的計算

(1)

計算出水位值在81.59～82.41 m之間系統(tǒng)不確定度為0.000 2 m。

2)隨機不確定度計算

計算出水位值在81.59～82.41 m隨機不確定度為0.006 7 m。

3)綜合不確定度計算

計算出水位值在81.59 ～82.41 m之間綜合不確定度為0.006 7 m(見表2)。

表1 隋家水位站浮子式水位計比測分析

表2 比測結(jié)果計算成果

通過上述的比測結(jié)果均符合《水位觀測標準》的規(guī)范要求，系統(tǒng)誤差、隨機誤差、綜合不確定度均小于規(guī)定值。符合置信水平95%的誤差要求。

4)時鐘誤差

按照水位觀測標準，河道站允許計時誤差應不大于±0.5 min。經(jīng)統(tǒng)計，儀器時間與所在東八區(qū)計時誤差均小于±0.5 min，符合要求。

3.2 回歸分析

通過計算自計水位計數(shù)據(jù)與人工觀測真值的誤差之和與人工觀測真值累計值之比進行自回歸分析，經(jīng)分析，回歸系數(shù)達99.7%，精度較高。詳見圖2。

由圖2可知，自計水位計觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)的點據(jù)分布良好，相關(guān)系數(shù)為0.993 9，由此得出稱自計水位計觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)系統(tǒng)偏小。相關(guān)圖回歸分析標準差為0.997，截距為0.494 3，說明樣本數(shù)據(jù)非常接近直線關(guān)系，因此自計水位計觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)比測結(jié)果良好。

圖2 隋家水位站浮子式水位比測圖

4 誤差分析及解決辦法

隋家水位站位于山丘性河流之上，河流存在暴漲暴落。自計水位計由于受到河流洪水漲落的影響，誤差主要為：機械摩阻產(chǎn)生的滯后誤差；懸索重量轉(zhuǎn)移改變浮子吃水深度產(chǎn)生的誤差；平衡錘入水改變浮子入水深度引起的誤差；水位輪、懸索直徑公差形成的誤差；環(huán)境溫度變化引起的水位輪懸索尺寸變化造成的誤差；機械轉(zhuǎn)動空程引起的誤差等幾方面的誤差。自計水位計在今后的使用過程中定期進行檢查，尤其在汛前、汛中、汛后進行3次全面的檢查。定期檢查期間應對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行全方位的檢查和維護。另外應保持自計水位計在干凈整潔的環(huán)境中運行。

5 結(jié)語

通過分析2021年隋家水位站1-10份自計水位計觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

(1)水位觀測次數(shù)分析，隋家水位站1～10份的水位觀測數(shù)據(jù)，自計水位計與人工觀測保持一致，均為212次水位觀測。資料的一致性為100%。

(2)誤差分析，隋家水位站1～10份自計水位計與人工觀測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差、隨機誤差、綜合不確定度、計時誤差均符合水位觀測標準規(guī)范。自計水位計與真實值基本一致。

(3)回歸性分析，隋家水位站1～10份自計水位計與人工觀測自計水位計觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)的點據(jù)分布良好，基本呈線性關(guān)系。

(4)綜上所述，通過比測分析，隋家水位站自計水位計觀測數(shù)據(jù)符合水位觀測標準的要求，數(shù)據(jù)可靠性、一致性、代表性都滿足水位觀測的使用要求。自計水位計可以在地理條件相似的地區(qū)推廣使用，自計水位計高精度、數(shù)據(jù)自動采集存儲傳輸為水位下一步的快速水文預報和水文預警提供可靠的數(shù)據(jù)支持，同時也大大的節(jié)省人力物力，盡快全面實現(xiàn)水位站的無人駐守。