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(shè)、防汛抗旱等服務(wù)。目前水位觀測主要有人工水尺、自計(jì)水位計(jì)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(jì)水位計(jì)觀測主要包含浮子式自計(jì)水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)等觀測，常采用的為浮子式自計(jì)水位計(jì)。本次將以招遠(yuǎn)市隋家水位站人工水尺觀測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)對浮子式自計(jì)水位計(jì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比測分析，探索自計(jì)水位計(jì)在實(shí)際應(yīng)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(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)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。現(xiàn)有監(jiān)測項(xiàng)目包括水位、流量。測站分級為小河站、一般站、測驗(yàn)精度三類站。

1.2.2 測驗(yàn)河段及斷面情況

測驗(yàn)河段較順直，兩岸為漿砌石護(hù)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(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013》規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)斷面處河段為4 級堤防，斷面高程按20 a一遇設(shè)計(jì)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(shí)間浮子式水位計(jì)水位數(shù)據(jù)值。2021年1-10月人工及浮子水位計(jì)監(jiān)測共212次，符合水位觀測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的每段比測次數(shù)應(yīng)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(jì)水位計(jì)數(shù)據(jù)，未發(fā)現(xiàn)自計(jì)水位計(jì)出現(xiàn)設(shè)備故障或其他原因造成的缺測、漏測、數(shù)據(jù)明顯異?；騺G失等問題，數(shù)據(jù)合理且完整。

3 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

3.1 數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計(jì)

根據(jù)水位觀測標(biāo)準(zhǔn)(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(yīng)為3 cm，系統(tǒng)誤差應(yīng)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(jì)算

(1)

計(jì)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(jī)不確定度計(jì)算

計(jì)算出水位值在81.59～82.41 m隨機(jī)不確定度為0.006 7 m。

3)綜合不確定度計(jì)算

計(jì)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(jì)比測分析

表2 比測結(jié)果計(jì)算成果

通過上述的比測結(jié)果均符合《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)范要求，系統(tǒng)誤差、隨機(jī)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(shí)鐘誤差

按照水位觀測標(biāo)準(zhǔn)，河道站允許計(jì)時(shí)誤差應(yīng)不大于±0.5 min。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，儀器時(shí)間與所在東八區(qū)計(jì)時(shí)誤差均小于±0.5 min，符合要求。

3.2 回歸分析

通過計(jì)算自計(jì)水位計(jì)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(jì)值之比進(jìn)行自回歸分析，經(jīng)分析，回歸系數(shù)達(dá)99.7%，精度較高。詳見圖2。

由圖2可知，自計(jì)水位計(jì)觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)的點(diǎn)據(jù)分布良好，相關(guān)系數(shù)為0.993 9，由此得出稱自計(jì)水位計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)水位計(jì)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(jì)水位計(jì)由于受到河流洪水漲落的影響，誤差主要為：機(jī)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(jī)械轉(zhuǎn)動空程引起的誤差等幾方面的誤差。自計(jì)水位計(jì)在今后的使用過程中定期進(jìn)行檢查，尤其在汛前、汛中、汛后進(jìn)行3次全面的檢查。定期檢查期間應(yīng)對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全方位的檢查和維護(hù)。另外應(yīng)保持自計(jì)水位計(jì)在干凈整潔的環(huán)境中運(yùn)行。

5 結(jié)語

通過分析2021年隋家水位站1-10份自計(jì)水位計(jì)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(jì)水位計(jì)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(jì)水位計(jì)與人工觀測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、綜合不確定度、計(jì)時(shí)誤差均符合水位觀測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。自計(jì)水位計(jì)與真實(shí)值基本一致。

(3)回歸性分析，隋家水位站1～10份自計(jì)水位計(jì)與人工觀測自計(jì)水位計(jì)觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)的點(diǎn)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(jì)水位計(jì)觀測數(shù)據(jù)符合水位觀測標(biāo)準(zhǔn)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(jì)水位計(jì)可以在地理?xiàng)l件相似的地區(qū)推廣使用，自計(jì)水位計(jì)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(yù)報(bào)和水文預(yù)警提供可靠的數(shù)據(jù)支持，同時(shí)也大大的節(jié)省人力物力，盡快全面實(shí)現(xiàn)水位站的無人駐守。