水位观测仪器的比测分析与选择

晏娟娟

（湖北省咸宁市水文水资源勘测局，湖北 咸宁 437100）

水位观测仪器的比测分析与选择

晏娟娟

（湖北省咸宁市水文水资源勘测局，湖北 咸宁 437100）

简要介绍了气泡式水位计、电极式水尺和无线电子水尺的工作原理和特点及应用，通过对这三种水位计在温泉站不同水位级条件下的应用，以其与人工观测的水位值进行比测，对比测资料进行了分析，从精度分析、成本开支、设备可靠性等五个方面从主客观方面进行评选，最终确定为电极式水尺。

水位计；精度分析；设备可靠性；成本开支

1 温泉水文站概况

温泉水文站设立于2008年1月，该站位于温泉城区双鹤桥下游，属于鄂东南水资源区域代表站，隶属金水水系，集水面积504km2，河流经咸宁市咸安区注入斧头湖。测验河段顺直，右岸为土堤，河床为淤泥粗砂，左岸为混凝土组成。基本断面下游280m、1500m处分别有一橡胶坝及水电站，对本站水位双重顶托。城区河道水体富养化明显，水草丰盛。水位采用水位全年采用WFH-2型全量机械编码水位计记录，人工根据水位变幅不定期校核，精度可靠。

2 仪器特点、技术参数及应用

2.1工作原理

OTT CBS 气泡水位计仪器内部的活塞泵产生压缩空气，流经专用气流线，按设定好的间隔进入气室，在气室里，气泡均匀地冒出来进入地下水中。气泡室孔上地下水的液位（h）与测量管内流体静压（P）建立关系如下：P=ρgh 。当假设液体的密度保持不变，则测量液位和测量管内的空气压力之间就存在一定的线性关系。通过测量测管内的空气压力，就可以换算出当前的水位了。这就是气泡水位计测量液位的基本原理。无线电子水尺感应式测量体即感应式电子水尺，它利用电子装置感应水位变化，实现数字化分度，并将水位信号传送至无线端机。电极式电子水尺测量时，采集的CPU开始发出脉冲控制信号，开关电路板中的芯片产生扫描序列，从水尺的顶部开始一次向下扫描，扫描到与水面等高一个刻度的电极触头时，发出停止扫描信号，由计算公司计算出水尺所测量出的数据，并数据传输到外部的通用数据采集仪上计算出到水面的距离，在转换成相应的水位数据。

2.2特点

OTT CBS气泡水位计压差法测量，自动卸压，无漂移。自带专业气室，不受水波影响，防止气管堵塞，延长气泵寿命智能气泵，无需维护，自动调节功耗。气泵使用寿命比传统气泡水位计长5倍，无需气瓶。TC-401W无线电子水尺内部用高性能的密封材料进行特殊处理，具有防腐、防冻、耐热、耐老化的特点；不受泥桨、污液和腐蚀性液体等水中污染物及沉淀物的影响；不受大气温度、压力、湿度、含沙量、冰冻等外界因素的影响；采样精度与长度无关，不同变幅的传感器测量精度保持不变，都是 1cm。分辨率 1cm（全量程等精度测量）。工作温度：-20℃～60℃。电极式电子水尺无零点漂移和温度漂移；不受水质、波浪，杂草等影响；无机械运动部件，无锈蚀卡死现象；可以倾斜安装，适合各种环境安装，安装方便；功耗低，稳定性好；分辨率：1厘米；最大测量深度：建议不超过5米；电源：DC5V±15%；功率：0.5W；工作温度：-30℃（水结冰温度）+75℃。

2.3应用

OTT CBS 气泡水位计适用于各种水位测站；河流、湖泊、水库、地下水、湿地、堤坝/桥/水坝的入口和水闸等；岩基、有可能结冰或淤塞的验潮井；短期测量；水位变化不超过15/30米的场合。TC-401W无线电子水尺可广泛应用于江河、湖泊、水库、水电站、灌区及输水等水利水电工程中的水位监测，也可用于自来水、城市污水、道路积水等市政工程中的水位监测，特别适合于水文、城市内涝、城市道路积水、灌区渠道等水位变幅不是很大的场合。电极式水位计不受水质、波浪，杂草等影响；可以倾斜安装，适合各种环境安装。

3 水位计比测结果误差分析及客观评价

3.1误差计算

3.1.1绝对误差

它是判断仪器准确的指标之一，采用求多次施测结果的绝对误差的平均值进行计算，公式如下：

3.1.2相对误差

它反映了仪器偏离标准水位的相对误差程度，作为仪器选择的指标来进行评选，公式如下：

3.1.3系统误差计算

根据《水位观测标准》（GBJ 138-90）规定要求，系统误差不应超过±1cm。系统误差反映仪器测量的准确程度，计算公式如下：

水文规范规定，75%以上的测此随机误差不超过±2cm和系统误差不超过±1cm的要求。其计算结果和排序见表1。

表1　相对误差、绝对误差、系统误差排序统计表

3.2统计标准差计算

根据《水位观测标准》（GBJ 138-90） 规定：置信水平95%的综合不确定度不应超3cm。按照ISO《导则》的B类不确定标准：。其中：

经过计算分析，全部满足标准要求，把它作为水位计精度评价标准之一。计算结果见表2。

表2　统计标准差及排序分析表

3.3误差分析

统计时段内误差统计表见表3。从4个方面对仪器的误差进行分析，最终通过比较电极水位计两次第二，一次第一，排序第一；OTT CBS水位计三项指标分别居于第一、二、三，总体居于第二；无线电子水尺优先顺序级为第三。

表3　比测分析误差不超过±2cm统计

4 水位计主观指标评价

4.1设备可靠性

电极式电子水尺受制约条件少，不受水质、波浪、杂草等影响，工作保证率高。全部施测期间，水位误差很小。OTT CBS 气泡水位计工作保证率居于第二；电子水尺居于第三。其三者数据异常率较低。

4.2成本开支

采用空气气源的气泡式水位计，气源湿度变化大，需进行干燥处理，安装时不需要考虑仪器气源，安装简单。三者不需修建稳定测井，并且投资少、易于安装和维护，使用方便、操作灵活

4.3仪器养护

电极式水位计无机械运动部件，无锈蚀卡死现象，维修小，维修费用低；OTT CBS气泡水位计拥有排气防堵功能，不惧淤泥砂石，真正免维护，每个季度要检查一次气泡室，对于较轻微的沙子累计问题，一般手工清洗或使用清洗功能清洗, 成本较高，维护费用较大。电子水尺和水文测站使用的普通水尺类似，基本免维护。

4.4设备先进性

在数据整理方面：OTT CBS气泡水位计用户可用上位机软件方便计算机进行参数设置，也可以很方便的自行编程校准；无线电子水尺将传感器在现场安装完毕后，通过电缆直接连接到TC302遥测终端机（RTU），就可以把传感器测量的数据显示出来，并能够存储、转发，或者通过个人计算机及配备的相应软件直接提取数据；电极式水位计自动测报数据直接应用于电算整编.提高了测站的测报质量，可查询时间段的水位，并可以导出报表。在数据传输方面：OTT CBS气泡水位计可经无源Modem和电话线连接，直接进入电讯局GSM900/1800的数据传输通道，通过移动电话或卫星并入水情监测系统，对水位计还可实施远程控制；无线电子水尺过内置的 GPRS/GSM模块，将数据上报到指定的IP地址或者手机号码上；电极式水位计号可以通过各种方式进行传输，长期连续自动检测水位。数据储存上都实现了实时存储。

5 水位计的选取及结论

5.1水位计的主客观评价

5.1.1水位计客观总体评价

具体结果见表4。从表中可以看出，电极式水位计和电子水尺比测结果明显优于OTT CBS水位计，电极式水位计和电子水尺性能基本相同。

表4　比测分析误差的水位计排序

5.1.2水位尺主观总体评价

具体结果见表5。从成本开支、仪器养护、设备先进性、设备可靠性五个方面进行评价，采用主客观因素评选的方式选出最优，即为最终确定水位计为电极式水位计。

表5　水位计主观评价所得排序

5.2水位计的综合评价及结论

本文使用主客观评价方法，分别对客观比测结果进行精度分析和设备可靠性等四个方面进行主观评价，最终评选出电极式水尺。该水位计不受水质、杂草和波浪的影响，能实时量测水位，在室内即可监视水位变化，为抢测洪峰提供准确的水位数据，极大地提高了水文测验的工作效率；同时它具有不需要建测井、观测迅速、方便、省时、省力、造价低的特点，既经济实惠又有远程通讯功能，可与计算机连接，向自动化、智能化方向发展，具有良好的应用前景。

[1] 曹平.水位观测仪器的选择与应用[J].台湾海峡,2001,20 (3): 292-295.

[2] 苏本省,苏醒.气泡式水位计在肇源水位站中的应用[J].水利天地,2012,(7):34-35.

[3] 肖忠,代文良.超声波长期自记水位计误差分析及精度评估[J].人民长江,2001,32(12):15-16.

Measurement analysis and selection of water level observation instrument

Briefly introduces the bubble type water level gauge, electronic water gauge and wireless electronic gauge of the working principle, characteristics and application, compares with the water level of the artificial observation through of the three level meter application in hot spring hydrologic station under different water level conditions. Five aspects from the precision analysis, cost, equipment reliability, etc. from the subjective and objective view selection by the comparison with the test data are analyzed, and ultimately determine the electrode type water level gauge.

Water level meter; accuracy analysis; equipment reliability; cost expense

P33

A

1008-1151(2015)12-0049-03

2015-11-11

晏娟娟（1984-），女，湖北武汉人，供职于湖北省咸宁市水文水资源勘测局，从事水文测报工作。