自计水位计与人工水尺观测比测分析

安兆利

(烟台市水文中心，山东 烟台 264001)

水位是河流或其它水体(如湖泊、水库、人工河、渠道等)的自由水面相对于某一基面的高程，单位以米(m)表示[1]。水位观测是水文要素观测的重要组成部分，通过水位观测可以了解水体的状态，通过的水位数据可直接为工程建设、防汛抗旱等服务。目前水位观测主要有人工水尺、自计水位计观测等方式。其中人工水尺观测主要包含直立式、倾斜式、矮桩式水尺观测，常采用的为直立式水尺观测；自计水位计观测主要包含浮子式自计水位计、雷达水位计等观测，常采用的为浮子式自计水位计。本次将以招远市隋家水位站人工水尺观测数据为基准对浮子式自计水位计观测数据进行比测分析，探索自计水位计在实际应用中存在的问题及解决方法。

1 概况

1.1 流域情况

大沽河发源于阜山西麓、主峰偏西北500 m处的山溪中，在招远市境内长48 km，为市域内第二大河，经阜山、毕郭、夏甸3镇，汇入青岛莱西市产芝水库于胶州湾注入黄海。主要支流有薄家河、留仙庄河、方家河、下林庄河、李格庄河、夏甸河等。大沽河招远市内主要干流河床宽70 m，流域面积为531.3 km2，占全市总面积的37.1%。隋家水位站位于大沽河隋家家村南，控制流域面积为436 km2。

1.2 水文测站控制情况

1.2.1 测站基本情况

隋家水位站建成于2020年，位于招远市夏甸镇隋家村，东经120.41741°、北纬37.11478°。隋家水位站所在大沽河为大沽河干流，流域形状为条形，流域面积436 km2，干流长度44.6 km。现有监测项目包括水位、流量。测站分级为小河站、一般站、测验精度三类站。

1.2.2 测验河段及断面情况

测验河段较顺直，两岸为浆砌石护岸，河堤高5 m左右。在基本断面上游5 m处有一漫水桥，桥长115 m。根据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013》规定标准断面处河段为4 级堤防，断面高程按20 a一遇设计洪水位加堤顶超高确定。

2 比测数据采集整理

对比观测采用2021年1-10月人工观测水位数据与同时间浮子式水位计水位数据值。2021年1-10月人工及浮子水位计监测共212次，符合水位观测标准规定的每段比测次数应在30次以上的规定。由于数据较多，只展示1-4月份的数据。1-4月份具体的比测数据详见表1与1-10月份水位比测图1。

图1 1-10月份水位比测图

通过分析人工观测数据及浮子式自计水位计数据，未发现自计水位计出现设备故障或其他原因造成的缺测、漏测、数据明显异常或丢失等问题，数据合理且完整。

3 数据计算与分析

3.1 数据的分析统计

根据水位观测标准(GB/T 50138-2010)，比测结果的规定：一般水位站，置信水平95%的综合不确定度应为3 cm，系统误差应为±1 cm，波浪问题突出的近海地区水位站，综合不确定度可放宽至5 cm[2]。

1)系统不确定度的计算

(1)

计算出水位值在81.59～82.41 m之间系统不确定度为0.000 2 m。

2)随机不确定度计算

计算出水位值在81.59～82.41 m随机不确定度为0.006 7 m。

3)综合不确定度计算

计算出水位值在81.59 ～82.41 m之间综合不确定度为0.006 7 m(见表2)。

表1 隋家水位站浮子式水位计比测分析

表2 比测结果计算成果

通过上述的比测结果均符合《水位观测标准》的规范要求，系统误差、随机误差、综合不确定度均小于规定值。符合置信水平95%的误差要求。

4)时钟误差

按照水位观测标准，河道站允许计时误差应不大于±0.5 min。经统计，仪器时间与所在东八区计时误差均小于±0.5 min，符合要求。

3.2 回归分析

通过计算自计水位计数据与人工观测真值的误差之和与人工观测真值累计值之比进行自回归分析，经分析，回归系数达99.7%，精度较高。详见图2。

由图2可知，自计水位计观测数据与人工观测数据的点据分布良好，相关系数为0.993 9，由此得出称自计水位计观测数据与人工观测数据系统偏小。相关图回归分析标准差为0.997，截距为0.494 3，说明样本数据非常接近直线关系，因此自计水位计观测数据与人工观测数据比测结果良好。

图2 隋家水位站浮子式水位比测图

4 误差分析及解决办法

隋家水位站位于山丘性河流之上，河流存在暴涨暴落。自计水位计由于受到河流洪水涨落的影响，误差主要为：机械摩阻产生的滞后误差；悬索重量转移改变浮子吃水深度产生的误差；平衡锤入水改变浮子入水深度引起的误差；水位轮、悬索直径公差形成的误差；环境温度变化引起的水位轮悬索尺寸变化造成的误差；机械转动空程引起的误差等几方面的误差。自计水位计在今后的使用过程中定期进行检查，尤其在汛前、汛中、汛后进行3次全面的检查。定期检查期间应对系统的运行状态进行全方位的检查和维护。另外应保持自计水位计在干净整洁的环境中运行。

5 结语

通过分析2021年隋家水位站1-10份自计水位计观测数据与人工观测数据得出以下结论：

(1)水位观测次数分析，隋家水位站1～10份的水位观测数据，自计水位计与人工观测保持一致，均为212次水位观测。资料的一致性为100%。

(2)误差分析，隋家水位站1～10份自计水位计与人工观测数据的系统误差、随机误差、综合不确定度、计时误差均符合水位观测标准规范。自计水位计与真实值基本一致。

(3)回归性分析，隋家水位站1～10份自计水位计与人工观测自计水位计观测数据与人工观测数据的点据分布良好，基本呈线性关系。

(4)综上所述，通过比测分析，隋家水位站自计水位计观测数据符合水位观测标准的要求，数据可靠性、一致性、代表性都满足水位观测的使用要求。自计水位计可以在地理条件相似的地区推广使用，自计水位计高精度、数据自动采集存储传输为水位下一步的快速水文预报和水文预警提供可靠的数据支持，同时也大大的节省人力物力，尽快全面实现水位站的无人驻守。