奧斯曼·伊斯馬伊力

(哈密水文勘測(cè)局，新疆 哈密 839000)

近年來(lái)，水文測(cè)驗(yàn)科技含量和自動(dòng)化水平不斷提高，減輕了野外測(cè)驗(yàn)人員的工作強(qiáng)度，保證了日常水文數(shù)據(jù)的測(cè)驗(yàn)精度。新疆白吉水文站為適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)水文測(cè)驗(yàn)的要求，2019年9月在白吉站測(cè)驗(yàn)斷面上布設(shè)了WFH-2A型浮子式水位計(jì)，并增設(shè)了電臺(tái)一點(diǎn)雙發(fā)功能，并于2020年5月18日正式投入使用[1]。用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)進(jìn)行日常水文監(jiān)測(cè)工作，可大大減少工作量，通過(guò)WFH-2A型浮子式水位計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)剿木窒到y(tǒng)軟件和測(cè)站采集終端上都能看到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，為當(dāng)?shù)氐姆篮闇p災(zāi)提供了重要依據(jù)。為驗(yàn)證自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)是否滿足觀測(cè)要求，精度是否達(dá)到觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，本文通過(guò)對(duì)白吉站人工觀測(cè)與WFH-2A型浮子式水位計(jì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證水位自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性、可行性和精度[2]。

1 白吉水文站概況

1.1 位置及斷面

白吉水文站始建于1978年3月，(原為頭道溝站故鄉(xiāng)河設(shè)立于1956年6月，1978年因修建石城子水庫(kù)，斷面上遷7.0 km改為故鄉(xiāng)河白吉站)，是國(guó)家基本水文站。站址位于哈密市伊州區(qū)天山鄉(xiāng)三道溝村，東經(jīng)93°50′38″、北緯43°07′44″，海拔約1506 m，觀測(cè)項(xiàng)目包括：水位、流量、泥沙，水溫，普通測(cè)量，降水，蒸發(fā)，氣溫等。測(cè)驗(yàn)河段基本順直，斷面形狀呈U形，河寬在15 m左右，左右岸為人工護(hù)堤。斷面實(shí)際情況見(jiàn)圖1。

圖1 白吉水文站測(cè)驗(yàn)斷面情況

1.2 目前觀測(cè)方式

1)人工觀測(cè)：用搪瓷水尺人工觀測(cè)與WFH-2A型浮子式水位計(jì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)同步進(jìn)行，平、枯水期一般每日8時(shí)、20時(shí)觀測(cè)兩次，本站還采用SW40型日記式浮子式自記水位計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)水位日變化全過(guò)程，以算數(shù)平均法對(duì)日平均水位進(jìn)行計(jì)算。汛期視水情變化進(jìn)行加測(cè)，并以面積包圍法對(duì)日平均水位進(jìn)行計(jì)算。

2)自動(dòng)監(jiān)測(cè)：采用WFH-2A型浮子式水位計(jì)每五分鐘監(jiān)測(cè)一次水位。

2 WFH-2A型浮子式水位計(jì)性能

2.1 水位計(jì)組成

WFH-2A型浮子式水位計(jì)由編碼器、浮子、水位輪、傳動(dòng)鋼絲繩、平衡錘等組成。

2.2 工作原理

WFH-2A型浮子式水位計(jì)工作時(shí)，其傳動(dòng)過(guò)程中力的傳遞是由浮子及平衡錘的重力作用，水體對(duì)浮子及平衡錘的浮力作用，旋轉(zhuǎn)阻力的作用等共同完成的。在水位沒(méi)有變化的情況下，以上三種作用力處于一種平衡狀態(tài)，一旦水位發(fā)生變化，并且這種變化累積到一定量，浮力的變化量足以克服旋轉(zhuǎn)阻力時(shí)，上述三種作用力的平衡關(guān)系就被打破(直至達(dá)到新的平衡狀態(tài))，從而經(jīng)由傳動(dòng)鋼絲繩將這種不平衡力所產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水位輪及編碼器輸入軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再由編碼器轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼信息量輸出。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)及總體結(jié)構(gòu)圖

WFH-2A型浮子式水位計(jì)安裝在測(cè)驗(yàn)河段右岸的水位測(cè)井房?jī)?nèi)，井房工作空間已具備良好的通風(fēng)條件，以避免高溫，高濕環(huán)境的不利影響，WFH-2A型浮子式水位計(jì)主要技術(shù)參數(shù)分別為：(1)浮子直徑：Φ150 mm；(2)水位輪工作周長(zhǎng)：320 mm；(3)平衡錘直徑：Φ20 mm；(4)測(cè)量范圍：0～40 m；(5)分辨力：1 cm；(6)水位變率:≤100 cm/min；(7)測(cè)量精度：量程≤10 m時(shí)為±2 cm，量程>10 m時(shí)為±0.2%；(8)輸出形式：12 bit格雷碼；(9)顯示方式：5位機(jī)械數(shù)字顯示；(10)工作環(huán)境：溫度為-10℃～+50℃；(11)外形尺寸：≤95%RH (40℃無(wú)凝落)寬14.6×深15×高14(cm3)；(12)凈重：1.2 kg(僅指編碼器)。

WFH-2A型浮子式水位計(jì)的總體結(jié)構(gòu)具體見(jiàn)圖2。

圖2 WFH-2A型浮子式水位計(jì)的總體結(jié)構(gòu)圖

2.4 在線測(cè)流系統(tǒng)

基本水尺斷面上裝有TEL-12雙軌移動(dòng)式雷達(dá)波自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)是非接觸測(cè)流系統(tǒng)，設(shè)備接電方式為太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，定時(shí)采集數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商線路方式傳輸?shù)皆诰€測(cè)流系統(tǒng)平臺(tái)上(用電腦主頁(yè)可以打開(kāi)閱覽，存期時(shí)間無(wú)限)。

3 水位觀測(cè)資料收集及比測(cè)分析

3.1 水位觀測(cè)資料收集

人工觀測(cè)資料收集：本站非汛期水位按規(guī)定停測(cè)，在汛期根據(jù)水位變幅情況，增加觀測(cè)次數(shù)，收集了汛期資料。

WFH-2A型浮子式水位計(jì)貫徹資料收集：汛期五分鐘一次采集自動(dòng)觀測(cè)水位數(shù)據(jù)。

通過(guò)收集2021年5月18日-2021年9月30日的224組水位觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)同步采集的自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證觀測(cè)數(shù)據(jù)可行性，對(duì)個(gè)別自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)缺少的部分采用人工觀測(cè)數(shù)據(jù)替代開(kāi)展資料整編工作。

3.2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工觀測(cè)水位數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.2.1 對(duì)比誤差計(jì)算分析

白吉站斷面人工觀測(cè)和WFH-2A型浮子式水位計(jì)自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比誤差用公式(1)計(jì)算，誤差統(tǒng)計(jì)成果見(jiàn)表1。

表1 雷達(dá)波自記水位計(jì)觀測(cè)值對(duì)比誤差統(tǒng)計(jì)表

E=Pyi-Pi

(1)

式中：E為絕對(duì)誤差；Pi為人工觀測(cè)水位值；Pyi為自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位值。

3.2.2 誤差原因

1)WFH-2A型浮子式水位計(jì)誤差來(lái)源：為按時(shí)完成水情編報(bào)發(fā)報(bào)工作，觀測(cè)人員約早上7點(diǎn)50分左右完成基本水尺水位的觀測(cè)，而WFH-2A型浮子式水位計(jì)5分鐘觀測(cè)一次水位，人工觀測(cè)時(shí)間與WFH-2A型浮子式水位計(jì)觀測(cè)水位的時(shí)間略有幾分鐘的時(shí)間誤差，因此在水位變化較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定的時(shí)間誤差。

2)水位變化較大時(shí)會(huì)引起水面波浪也大，因此人工觀測(cè)到的水位和WFH-2A型浮子式水位計(jì)觀測(cè)的水位有著一定的誤差。

3)9月份因斷面發(fā)生變化主流移到左岸，隨水位下降測(cè)井進(jìn)水口處河底略高于水面，通過(guò)人工修理進(jìn)水口處河底高于水面的部分?jǐn)嗝鎱^(qū)域后河水才能進(jìn)入測(cè)井內(nèi)，因此造成一定的誤差。

3.2.3 誤差分析

根據(jù)《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50138-2010)6.2.3規(guī)定，比測(cè)結(jié)果應(yīng)符合：置信水平95%的綜合不確定度不應(yīng)超過(guò)3 cm，系統(tǒng)誤差不應(yīng)超過(guò)±1 cm?！端挥^測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50138-2010)E.0.6規(guī)定的系統(tǒng)不確定度、隨機(jī)不確定度和綜合不確定度的計(jì)算公式見(jiàn)(2)～(4)

1)系統(tǒng)不確定度

(2)

式中：Pyi為自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位值，Pi為人工觀測(cè)水位值，N對(duì)比次數(shù)

2)隨機(jī)不確定度：

(3)

3)綜合不確定度：

(4)

計(jì)算得出的置信水平95%的綜合不確定度和系統(tǒng)誤差成果看表2。

表2 WFH-2A型浮子式水位計(jì)觀測(cè)誤差分析計(jì)算表

在近4個(gè)月(5-9月份，其中7月30日20點(diǎn)至7月31日20點(diǎn)，8月19日8點(diǎn)至9月8日8點(diǎn)，9月21日20點(diǎn)至9月23日8點(diǎn)，因設(shè)備出故障未測(cè)到當(dāng)時(shí)的水位數(shù)據(jù))的WFH-2A型浮子式水位采集數(shù)值對(duì)比中，全月與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比誤差的置信水平95%的綜合不確定度和系統(tǒng)誤差均符合規(guī)范，比測(cè)結(jié)果中在接受范圍內(nèi)的誤差占總比測(cè)次數(shù)的100%。

3.2.4 自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)逐時(shí)過(guò)程線對(duì)比分析

根據(jù)選用人工與自動(dòng)同步觀測(cè)水位樣本數(shù)據(jù)，制得汛期水位逐時(shí)過(guò)程線對(duì)比圖和線性相關(guān)關(guān)系對(duì)比圖(見(jiàn)圖3和圖4)。從圖上看，白吉站測(cè)驗(yàn)斷面WFH-2A型浮子式水位計(jì)觀測(cè)數(shù)值和人工觀測(cè)數(shù)值線性關(guān)系良好。

圖3 自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)水位同步觀測(cè)逐時(shí)過(guò)程線對(duì)比圖

圖4 白吉站自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)水位線性相關(guān)系圖

4 自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工觀測(cè)水位數(shù)據(jù)比測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)

(1)根據(jù)《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》(GB-T50138-2010)6.2自計(jì)水位計(jì)比測(cè)中第6.2.1條規(guī)定(比測(cè)可按水位分幅、分階段分別進(jìn)行，每階段比測(cè)次數(shù)應(yīng)在30次以上)，對(duì)2021年5月18日-9月30日的人工觀測(cè)記載和WFH-2A型浮子式水位計(jì)水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)的224次同步觀測(cè)的水位數(shù)據(jù)分析可見(jiàn)，這些數(shù)據(jù)是汛期采集過(guò)程中只有一次進(jìn)行了人工與自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間校的核調(diào)整，符合規(guī)范要求，能滿足準(zhǔn)確度符合置信水平95%的誤差規(guī)范要求，說(shuō)明WFH-2A型浮子式水位計(jì)準(zhǔn)確度和精度已滿足規(guī)范要求，采集的數(shù)據(jù)可行可靠。

(2)WFH-2A型浮子式水位計(jì)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)值與人工觀測(cè)數(shù)值之間的誤差滿足置信水平為95%的水位觀測(cè)規(guī)范要求，綜合不確定度0.014 cm小于3 cm；系統(tǒng)誤差0.000 cm在±1 cm范圍內(nèi)。

(3)本次對(duì)比分析數(shù)據(jù)包括了汛期不同的水位變幅、不同的水位級(jí)和不同階段的連續(xù)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，說(shuō)明本次結(jié)論代表性好。

(4)WFH-2A型浮子式水位計(jì)的觀測(cè)數(shù)值和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)逐時(shí)過(guò)程線趨勢(shì)基本一致，有個(gè)別突出點(diǎn)是因?yàn)楦咚诹魉俅螅娌ɡ舜?，觀測(cè)時(shí)間上略有幾分鐘的誤差，加上人工在不同高度、不同方位觀測(cè)到的水位也會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)上的誤差，雖然兩者觀測(cè)的目標(biāo)物體相同，但它們是兩種不同的水位觀測(cè)模式和觀測(cè)機(jī)制，兩者自身都存在規(guī)范認(rèn)可的誤差范圍。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)本次比測(cè)分析，可以證明WFH-2A型浮子式水位計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，工作可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)水位的自動(dòng)存儲(chǔ)與傳輸，觀測(cè)精度按現(xiàn)有規(guī)范完全滿足精度要求，可采用WFH-2A型浮子式水位計(jì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完全代替人工觀測(cè)水位數(shù)據(jù)，為后期水文站實(shí)行水文自動(dòng)化測(cè)報(bào)和巡測(cè)方案奠定基礎(chǔ)。通過(guò)在新疆其他水位站大范圍推廣使用，促進(jìn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備在水文現(xiàn)代化進(jìn)程中發(fā)揮更好的作用。