压力式水位计与人工观测水位对比分析

张永飞

（河北省张家口水文勘测研究中心，河北 张家口 075000）

1 概况

三道营水文站为黑河控制站，黑河是潮白河水系白河的主要支流之一，流域呈长条形，形状系数为0.14，河网密度不大，河长108.2 km，流域平均宽度19.2 km。三道营水文站位于河北省赤城县东卯镇三道营村，位于海河流域潮白河水系，集水面积1 600 km2，至河口距离108.2 km，测验项目有水位、流量、单样含沙量、悬移质输沙率、冰凌、降水量、地表水水质等。

2 仪器设备

2.1 自记水位计设备

三道营水文站配备的是西安山脉科技公司研制的SUMMIT-W6000 型压力式水位计，该水位计由温度压力一体变送器、微功耗RTU、通信模块、大容量可更换锂原电池和不锈钢壳体组成，通信协议完全符合标准要求，技术指标及取值详见表1。

表1 SUMMIT-W6000型压力式水位计技术指标及取值

2.2 人工观测水位设备

本站人工观测水位设备为直立式木质水尺，由人工读取水尺读数，然后和该水尺的水尺零点高程相加得到水位，并且在水位记载本上记录数据。人工观测要求依据本站《测验任务书》和《水位观测标准》（GB/T 50138-2010），每日8 时观测1 次，水位变化缓慢时应于20时或16时加测1次[1]，洪水期、冰凌期和特殊情况影响水位变化时应随时增加测次，以测得完整的水位变化过程。

3 比测方案

目前，随着水文测量行业的不断发展进步，各类先进的测量仪器得到了广泛的应用，为提升水文观测的自动化水平，三道营水文站配备了压力式水位计。压力式水位计性能稳定、精度高且适用范围广，可将水位观测数据传输至终端和服务器，供用户随时访问查看。通过本次水位观测数据的比测以及分析，能够提升三道营水文站自记水位计的应用效果，从而使自记水位计成为三道营水文站主要的水位观测设备，这有利于降低水位观测工作强度，缩短测报历时，提升工作效率，推动水文测量走向数字化、自动化道路[2]。

本次比测依据为《水位观测标准》（GB/T 50138-2010）。规范中指出：新安装的自记水位计或改变仪器类型时应进行比测[3]，比测合格后，方可正式使用。比测水位计为三道营水文站测验断面新配备的SUMMIT-W6000 型压力式水位计。比测时间从2022年5月1日开始，到2022年10月31日为止。根据测站任务书，进行高、中、低水3个水位级别比测，每个水位级别的样本数据均要求大于30 组，高、中水样本数据应体现洪水过程，选取的样本数据应包含比测期内的最高、最低和平均水位，其他样本数据选取每日8、16时观测数据。若本年度未发生高水，高水比测向下一个年度推迟。本次比测统计了样本数量、样本值、样本合格率、最大误差和时钟走时误差，自记水位与人工观测值误差不大于2 cm的样本为合格样本，时钟走时误差取日记不超过±5 min。最后，计算样本系统不确定度、随机不确定度和综合不确定度，比测结果分析应符合“置信水平95%的综合不确定度应为3 cm，系统误差应为±1 cm”这一规定[4]。

4 比测数据分析及误差评定

4.1 比测数据

比测期间（2022年5月1日—10月31日）共采集到368 组数据，三道营水文站实测最大流量仅为2.33 m3/s（6 月22 日），相应水位为9.15 m，平均水深为0.30 m。根据三道营水文站水位级划分标准，比测期间368 组数据均为低水，本年度未出现中、高水，故本次比测水位数据仅有低水水位，中、高水待后续出现时随时加测，以验证自记水位计在中、高水水位级时的合理性与准确性。

4.2 数据分析

按照《水位观测标准》（GB/T 50138-2010）相关规定，使用自动监测设备监测水位时，其不确定度应按下列方法估算[5]。

系统不确定度应按下式计算：

式中：X"y为系统不确定度；Pyi为自动监测水位（m）；

Pi为人工校测水位（m）；N为校测次数。随机不确定度应按下式计算：

综合不确定度按下式计算：

式中：Xz为综合不确定度；其余变量含义同上。

根据三道营水文站水文观测资料，三道营水文站压力式水位计水位观测的系统不确定度、随机不确定度、综合不确定度计算结果详见表2。

表2 系统不确定度、随机不确定度、综合不确定度计算结果统计

由表2 可知，综合不确定度为1 cm，符合“置信水平95%的综合不确定度应为3 cm，系统误差应为±1 cm”这一规定，故本次比测结果是合格的。

4.3 误差分析

根据比测数据统计，得出样本合格率为100%、最大误差为0.02 cm、最大时钟走时误差为0。其中，样本误差为±0.01 cm 的样本数为110 个，所占比重29.9%；样本误差为±0.02 cm 的样本数为3 个，所占比重0.8%；样本误差为0 的样本数为255 个，所占比重69.3%，具体结果详见表3。由表3 可知，样本误差较大的占比较小，本次比测的压力式水位计误差在合理范围内，基本可靠。

表3 比测结果误差统计

4.4 相关性分析

依据2022 年三道营水文站比测数据资料，绘制三道营水文站压力式水位计观测水位和人工观测水位的线性相关图，如图1 所示。从图1 可以看出，R2=0.991 7，水位数据分布较均匀且成一带状，可见压力式水位计观测水位与人工观测水位相关性较高，三道营水文站压力式水位计水位观测值具有较高精度。

图1 2022年三道营水文站压力式水位计观测水位和人工观测水位相关性

4.5 过程线分析

根据2022 年5—10 月的比测数据，逐月点绘三道营水文站压力式水位计观测水位与人工观测水位过程线，如图2所示，从而分析两者间的变化过程及走势情况。从图2 可以看出，压力式水位计观测水位与人工观测水位变化趋势基本相同，水位过程线峰形基本一致，没有发生水位陡涨陡落的情况，压力式水位计的水位观测值比较稳定。

图2 2022年三道营水文站压力式水位计观测水位与人工观测水位过程线

5 结语

通过三道营水文站2022 年5—10 月368 组比测数据资料，计算得出系统不确定度、随机不确定度、综合不确定度分别为0.2、1、1 cm，均符合规范要求。另外，进一步通过误差分析、相关性分析和过程线分析对其合理性和可靠性进行了验证。因此，三道营水文站压力式水位计能够代替人工进行日常低水位观测，其水位观测资料可作为正式水文资料使用。