水位觀測儀器的比測分析與選擇

晏娟娟

（湖北省咸寧市水文水資源勘測局，湖北 咸寧 437100）

水位觀測儀器的比測分析與選擇

晏娟娟

（湖北省咸寧市水文水資源勘測局，湖北 咸寧 437100）

簡要介紹了氣泡式水位計(jì)、電極式水尺和無線電子水尺的工作原理和特點(diǎn)及應(yīng)用，通過對這三種水位計(jì)在溫泉站不同水位級條件下的應(yīng)用，以其與人工觀測的水位值進(jìn)行比測，對比測資料進(jìn)行了分析，從精度分析、成本開支、設(shè)備可靠性等五個(gè)方面從主客觀方面進(jìn)行評選，最終確定為電極式水尺。

水位計(jì)；精度分析；設(shè)備可靠性；成本開支

1 溫泉水文站概況

溫泉水文站設(shè)立于2008年1月，該站位于溫泉城區(qū)雙鶴橋下游，屬于鄂東南水資源區(qū)域代表站，隸屬金水水系，集水面積504km2，河流經(jīng)咸寧市咸安區(qū)注入斧頭湖。測驗(yàn)河段順直，右岸為土堤，河床為淤泥粗砂，左岸為混凝土組成?；緮嗝嫦掠?80m、1500m處分別有一橡膠壩及水電站，對本站水位雙重頂托。城區(qū)河道水體富養(yǎng)化明顯，水草豐盛。水位采用水位全年采用WFH-2型全量機(jī)械編碼水位計(jì)記錄，人工根據(jù)水位變幅不定期校核，精度可靠。

2 儀器特點(diǎn)、技術(shù)參數(shù)及應(yīng)用

2.1工作原理

OTT CBS 氣泡水位計(jì)儀器內(nèi)部的活塞泵產(chǎn)生壓縮空氣，流經(jīng)專用氣流線，按設(shè)定好的間隔進(jìn)入氣室，在氣室里，氣泡均勻地冒出來進(jìn)入地下水中。氣泡室孔上地下水的液位（h）與測量管內(nèi)流體靜壓（P）建立關(guān)系如下：P=ρgh 。當(dāng)假設(shè)液體的密度保持不變，則測量液位和測量管內(nèi)的空氣壓力之間就存在一定的線性關(guān)系。通過測量測管內(nèi)的空氣壓力，就可以換算出當(dāng)前的水位了。這就是氣泡水位計(jì)測量液位的基本原理。無線電子水尺感應(yīng)式測量體即感應(yīng)式電子水尺，它利用電子裝置感應(yīng)水位變化，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化分度，并將水位信號傳送至無線端機(jī)。電極式電子水尺測量時(shí)，采集的CPU開始發(fā)出脈沖控制信號，開關(guān)電路板中的芯片產(chǎn)生掃描序列，從水尺的頂部開始一次向下掃描，掃描到與水面等高一個(gè)刻度的電極觸頭時(shí)，發(fā)出停止掃描信號，由計(jì)算公司計(jì)算出水尺所測量出的數(shù)據(jù)，并數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠康耐ㄓ脭?shù)據(jù)采集儀上計(jì)算出到水面的距離，在轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的水位數(shù)據(jù)。

2.2特點(diǎn)

OTT CBS氣泡水位計(jì)壓差法測量，自動卸壓，無漂移。自帶專業(yè)氣室，不受水波影響，防止氣管堵塞，延長氣泵壽命智能氣泵，無需維護(hù)，自動調(diào)節(jié)功耗。氣泵使用壽命比傳統(tǒng)氣泡水位計(jì)長5倍，無需氣瓶。TC-401W無線電子水尺內(nèi)部用高性能的密封材料進(jìn)行特殊處理，具有防腐、防凍、耐熱、耐老化的特點(diǎn)；不受泥槳、污液和腐蝕性液體等水中污染物及沉淀物的影響；不受大氣溫度、壓力、濕度、含沙量、冰凍等外界因素的影響；采樣精度與長度無關(guān)，不同變幅的傳感器測量精度保持不變，都是 1cm。分辨率 1cm（全量程等精度測量）。工作溫度：-20℃～60℃。電極式電子水尺無零點(diǎn)漂移和溫度漂移；不受水質(zhì)、波浪，雜草等影響；無機(jī)械運(yùn)動部件，無銹蝕卡死現(xiàn)象；可以傾斜安裝，適合各種環(huán)境安裝，安裝方便；功耗低，穩(wěn)定性好；分辨率：1厘米；最大測量深度：建議不超過5米；電源：DC5V±15%；功率：0.5W；工作溫度：-30℃（水結(jié)冰溫度）+75℃。

2.3應(yīng)用

OTT CBS 氣泡水位計(jì)適用于各種水位測站；河流、湖泊、水庫、地下水、濕地、堤壩/橋/水壩的入口和水閘等；巖基、有可能結(jié)冰或淤塞的驗(yàn)潮井；短期測量；水位變化不超過15/30米的場合。TC-401W無線電子水尺可廣泛應(yīng)用于江河、湖泊、水庫、水電站、灌區(qū)及輸水等水利水電工程中的水位監(jiān)測，也可用于自來水、城市污水、道路積水等市政工程中的水位監(jiān)測，特別適合于水文、城市內(nèi)澇、城市道路積水、灌區(qū)渠道等水位變幅不是很大的場合。電極式水位計(jì)不受水質(zhì)、波浪，雜草等影響；可以傾斜安裝，適合各種環(huán)境安裝。

3 水位計(jì)比測結(jié)果誤差分析及客觀評價(jià)

3.1誤差計(jì)算

3.1.1絕對誤差

它是判斷儀器準(zhǔn)確的指標(biāo)之一，采用求多次施測結(jié)果的絕對誤差的平均值進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

3.1.2相對誤差

它反映了儀器偏離標(biāo)準(zhǔn)水位的相對誤差程度，作為儀器選擇的指標(biāo)來進(jìn)行評選，公式如下：

3.1.3系統(tǒng)誤差計(jì)算

根據(jù)《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ 138-90）規(guī)定要求，系統(tǒng)誤差不應(yīng)超過±1cm。系統(tǒng)誤差反映儀器測量的準(zhǔn)確程度，計(jì)算公式如下：

水文規(guī)范規(guī)定，75%以上的測此隨機(jī)誤差不超過±2cm和系統(tǒng)誤差不超過±1cm的要求。其計(jì)算結(jié)果和排序見表1。

表1　相對誤差、絕對誤差、系統(tǒng)誤差排序統(tǒng)計(jì)表

3.2統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算

根據(jù)《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ 138-90） 規(guī)定：置信水平95%的綜合不確定度不應(yīng)超3cm。按照ISO《導(dǎo)則》的B類不確定標(biāo)準(zhǔn)：。其中：

經(jīng)過計(jì)算分析，全部滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，把它作為水位計(jì)精度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差及排序分析表

3.3誤差分析

統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)誤差統(tǒng)計(jì)表見表3。從4個(gè)方面對儀器的誤差進(jìn)行分析，最終通過比較電極水位計(jì)兩次第二，一次第一，排序第一；OTT CBS水位計(jì)三項(xiàng)指標(biāo)分別居于第一、二、三，總體居于第二；無線電子水尺優(yōu)先順序級為第三。

表3　比測分析誤差不超過±2cm統(tǒng)計(jì)

4 水位計(jì)主觀指標(biāo)評價(jià)

4.1設(shè)備可靠性

電極式電子水尺受制約條件少，不受水質(zhì)、波浪、雜草等影響，工作保證率高。全部施測期間，水位誤差很小。OTT CBS 氣泡水位計(jì)工作保證率居于第二；電子水尺居于第三。其三者數(shù)據(jù)異常率較低。

4.2成本開支

采用空氣氣源的氣泡式水位計(jì)，氣源濕度變化大，需進(jìn)行干燥處理，安裝時(shí)不需要考慮儀器氣源，安裝簡單。三者不需修建穩(wěn)定測井，并且投資少、易于安裝和維護(hù)，使用方便、操作靈活

4.3儀器養(yǎng)護(hù)

電極式水位計(jì)無機(jī)械運(yùn)動部件，無銹蝕卡死現(xiàn)象，維修小，維修費(fèi)用低；OTT CBS氣泡水位計(jì)擁有排氣防堵功能，不懼淤泥砂石，真正免維護(hù)，每個(gè)季度要檢查一次氣泡室，對于較輕微的沙子累計(jì)問題，一般手工清洗或使用清洗功能清洗, 成本較高，維護(hù)費(fèi)用較大。電子水尺和水文測站使用的普通水尺類似，基本免維護(hù)。

4.4設(shè)備先進(jìn)性

在數(shù)據(jù)整理方面：OTT CBS氣泡水位計(jì)用戶可用上位機(jī)軟件方便計(jì)算機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，也可以很方便的自行編程校準(zhǔn)；無線電子水尺將傳感器在現(xiàn)場安裝完畢后，通過電纜直接連接到TC302遙測終端機(jī)（RTU），就可以把傳感器測量的數(shù)據(jù)顯示出來，并能夠存儲、轉(zhuǎn)發(fā)，或者通過個(gè)人計(jì)算機(jī)及配備的相應(yīng)軟件直接提取數(shù)據(jù)；電極式水位計(jì)自動測報(bào)數(shù)據(jù)直接應(yīng)用于電算整編.提高了測站的測報(bào)質(zhì)量，可查詢時(shí)間段的水位，并可以導(dǎo)出報(bào)表。在數(shù)據(jù)傳輸方面：OTT CBS氣泡水位計(jì)可經(jīng)無源Modem和電話線連接，直接進(jìn)入電訊局GSM900/1800的數(shù)據(jù)傳輸通道，通過移動電話或衛(wèi)星并入水情監(jiān)測系統(tǒng)，對水位計(jì)還可實(shí)施遠(yuǎn)程控制；無線電子水尺過內(nèi)置的 GPRS/GSM模塊，將數(shù)據(jù)上報(bào)到指定的IP地址或者手機(jī)號碼上；電極式水位計(jì)號可以通過各種方式進(jìn)行傳輸，長期連續(xù)自動檢測水位。數(shù)據(jù)儲存上都實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)存儲。

5 水位計(jì)的選取及結(jié)論

5.1水位計(jì)的主客觀評價(jià)

5.1.1水位計(jì)客觀總體評價(jià)

具體結(jié)果見表4。從表中可以看出，電極式水位計(jì)和電子水尺比測結(jié)果明顯優(yōu)于OTT CBS水位計(jì)，電極式水位計(jì)和電子水尺性能基本相同。

表4　比測分析誤差的水位計(jì)排序

5.1.2水位尺主觀總體評價(jià)

具體結(jié)果見表5。從成本開支、儀器養(yǎng)護(hù)、設(shè)備先進(jìn)性、設(shè)備可靠性五個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)，采用主客觀因素評選的方式選出最優(yōu)，即為最終確定水位計(jì)為電極式水位計(jì)。

表5　水位計(jì)主觀評價(jià)所得排序

5.2水位計(jì)的綜合評價(jià)及結(jié)論

本文使用主客觀評價(jià)方法，分別對客觀比測結(jié)果進(jìn)行精度分析和設(shè)備可靠性等四個(gè)方面進(jìn)行主觀評價(jià)，最終評選出電極式水尺。該水位計(jì)不受水質(zhì)、雜草和波浪的影響，能實(shí)時(shí)量測水位，在室內(nèi)即可監(jiān)視水位變化，為搶測洪峰提供準(zhǔn)確的水位數(shù)據(jù)，極大地提高了水文測驗(yàn)的工作效率；同時(shí)它具有不需要建測井、觀測迅速、方便、省時(shí)、省力、造價(jià)低的特點(diǎn)，既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又有遠(yuǎn)程通訊功能，可與計(jì)算機(jī)連接，向自動化、智能化方向發(fā)展，具有良好的應(yīng)用前景。

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[3] 肖忠,代文良.超聲波長期自記水位計(jì)誤差分析及精度評估[J].人民長江,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，湖北武漢人，供職于湖北省咸寧市水文水資源勘測局，從事水文測報(bào)工作。