超声波水位计在鹤立水文站中的应用

吕永军，徐建民，金冬梅

(佳木斯水文局，黑龙江佳木斯154002)

鹤立水文站设立于1961年，是松花江下游左岸一级支流阿凌达河中游控制站，集水面积485 km2。中、高水河床有较大冲淤变化，断面右岸有坍岸现象。该站2003年在基本水尺断面右岸建设一座岸式水位自记平台，2005年8月位于该站上游20 km处的元宝山水库垮坝，由于洪水冲刷河岸塌岸严重，水位自记平台被洪水冲毁，水位信息一直靠人工观测，无法实现水位自动记录，同时也难以做到迅速、及时、准确地向各级防汛部门传递水位信息。针对该站河流特性和测验断面河岸不稳定的实际情况，佳木斯水文局于2009年为鹤立水文站从河南黄河水文科技有限公司引进HW－1000C系列无线型非接触超声波水位计，本文就仪器的有关情况进行介绍，并对运行情况进行分析。

1 超声波水位计工作原理

当超声波在空气中传播遇到水面后被反射，仪器测得声波往返于传感器到水面之间的时间，根据声速计算距离，再用传感器高程减去所测至水面距离即得水位，计算公式如下:

式中:V为声波在空气中的传播速度;t为声波往返于传感器和水面之间的时间;H为声传感器至水面的距离;H水为水位; T为温度;H传为声传感器安装高程。

由于声速是温度的函数，正确的修正声速是保证测量精度的关键，为此HW－1000C系列无线型非接触超声波水位计采用温度实时修正的方法实现声速校准，以使测量精度达到规范要求。

2 超声波水位计用途

HW－1000C系列无线型非接触超声波水位计具有高度的灵活性和广泛的适应性。

①河流水位、明渠水位自动监测。②水库坝前、坝下尾水水位监测，拦污栅压差监测。③调压塔(井)水位监测。④潮位自动监测系统和城市供水、排污水位监测系统。

3 超声波水位计功能

①根据测量时间间隔，自动进行水位测量、数据传输。②室内设备具有汉字功能提示、显示水位数据、固态存储、历史水位查询、各种参数设置。③备有RS232、RS485、TTL电瓶、电流环、4～20 mA模拟量等多种输出接口。④兼容国内多家数传设备，可以方便的组成水情自动测报网。

4 超声波水位计工作特点

①在水位测量过程中没有任何部件接触水体，实现非接触测量。②不受高速水流冲击、漂浮物缠绕、堵塞或撞击以及水质电化反应的影响。③设备安装基建投资小，不需要建测井，还可以借助于建筑物安装。④设备无运动部件，不会因部件磨损锈蚀而产生故障，提高了无故障工作时间和运行的可靠性。⑤与其它水情测报设备具有良好的兼容性，用户可灵活地选配组网。⑥采用实时温度自动校准技术，安装方便。

5 观测成果分析

鹤立水文站安装的超声波水位计自2009年6月20日开始使用，现将2009年6月20日～9月20日运行情况分析如下:以人工观测水位与超声波水位计实测水位资料为例，见表1。

从表1中统计数据可以看出，超声波水位计遥测与人工观测水位，差值＞2 cm的有4次，出现的机率为4.3%;差值在±2 cm的有12次，出现的机率为12.9%;差值在±1 cm的有29次，出现的机率为31.2%;差值为0的有48次，出现的机率为51.6%。时钟误差3个月累计误差为12 s，经下列公式计算可知:

表1 超声波水位计与人工观测水位对比表

式中:Pyi为自动监测水位;Xz为综合不确定度;Pi为人工校测水位;N为校测次数;X″y为系统不确定度;X'y为随机不确定度。

系统不确定度为0.43 cm，随机不确定度为2.28 cm，置信水平95%的综合不确定度为2.32 cm，＜3 cm，鹤立水文站2009年汛期所采集到的水位资料达到水位观测标准精度要求。

把人工观测水位资料和超声波测量到的水位资料当作是两个独立系列，分析两系列相关关系的密切程度(相关系数的大小)和两系列之间相关关系的数学形式(回归方程式)。由于两系列的点据多，经电脑分析，两系列的相关系数为1.00，表示两系列的相应点均基本落在回归线上，表明它们之间的关系最为密切(超声波水位与人工观测相关图)，回归方程为:

式中:Zx为人工观测水位，m;Zy为超声波水位，m。

图1 超声波水位与人工观测水位相关图

从回归方程和关系图可以看出:HW－1000C系列无线型超声波水位计测定的结果与人工观测的结果非常接近，只需按照上式进行订正就可满足规范要求，说明该仪器精度较高，性能良好。

6 结束语

鹤立水文站是我省水文测站中第一个应用超声波水位计自动采集水位信息的水文站，通过对HW－1000C系列无线型非接触超声波水位计在2009年汛期的实际应用分析可以看出，HW－1000C系列无线型超声波水位计的测量精度完全符合《水位观测标准》要求，其稳定性能满足生产需要，它能适时量测水位，在室内即可监视水位变化，为抢测洪峰提供准确的水位数据，极大地提高了水文测验的工作效率;同时超声波水位计具有不需要建测井、观测迅速、方便、省时、省力、造价低的特点，既经济实惠，又有远程通讯功能，可与计算机连接，向自动化、智能化方向发展，在全省高含沙量的河流中有较好的应用前景。

［1］ 中华人民共和国国家标准《水位观测标准》GB/T 5013－2010［S］.