新疆白吉水文站WFH-2A型浮子式水位计与人工观测水位比对分析

奥斯曼·伊斯马伊力

(哈密水文勘测局，新疆 哈密 839000)

近年来，水文测验科技含量和自动化水平不断提高，减轻了野外测验人员的工作强度，保证了日常水文数据的测验精度。新疆白吉水文站为适应现代社会对水文测验的要求，2019年9月在白吉站测验断面上布设了WFH-2A型浮子式水位计，并增设了电台一点双发功能，并于2020年5月18日正式投入使用[1]。用自动化监测进行日常水文监测工作，可大大减少工作量，通过WFH-2A型浮子式水位计进行实时监测，将监测数据可通过移动网络传输到水文局系统软件和测站采集终端上都能看到监测数据，保证了数据的准确性和时效性，为当地的防洪减灾提供了重要依据。为验证自动观测数据是否满足观测要求，精度是否达到观测标准，本文通过对白吉站人工观测与WFH-2A型浮子式水位计自动监测数据进行对比分析，验证水位自动观测数据的可靠性、可行性和精度[2]。

1 白吉水文站概况

1.1 位置及断面

白吉水文站始建于1978年3月，(原为头道沟站故乡河设立于1956年6月，1978年因修建石城子水库，断面上迁7.0 km改为故乡河白吉站)，是国家基本水文站。站址位于哈密市伊州区天山乡三道沟村，东经93°50′38″、北纬43°07′44″，海拔约1506 m，观测项目包括：水位、流量、泥沙，水温，普通测量，降水，蒸发，气温等。测验河段基本顺直，断面形状呈U形，河宽在15 m左右，左右岸为人工护堤。断面实际情况见图1。

图1 白吉水文站测验断面情况

1.2 目前观测方式

1)人工观测：用搪瓷水尺人工观测与WFH-2A型浮子式水位计自动监测同步进行，平、枯水期一般每日8时、20时观测两次，本站还采用SW40型日记式浮子式自记水位计来监测水位日变化全过程，以算数平均法对日平均水位进行计算。汛期视水情变化进行加测，并以面积包围法对日平均水位进行计算。

2)自动监测：采用WFH-2A型浮子式水位计每五分钟监测一次水位。

2 WFH-2A型浮子式水位计性能

2.1 水位计组成

WFH-2A型浮子式水位计由编码器、浮子、水位轮、传动钢丝绳、平衡锤等组成。

2.2 工作原理

WFH-2A型浮子式水位计工作时，其传动过程中力的传递是由浮子及平衡锤的重力作用，水体对浮子及平衡锤的浮力作用，旋转阻力的作用等共同完成的。在水位没有变化的情况下，以上三种作用力处于一种平衡状态，一旦水位发生变化，并且这种变化累积到一定量，浮力的变化量足以克服旋转阻力时，上述三种作用力的平衡关系就被打破(直至达到新的平衡状态)，从而经由传动钢丝绳将这种不平衡力所产生的直线运动转换为水位轮及编码器输入轴的旋转运动，再由编码器转换为数字编码信息量输出。

2.3 主要技术参数及总体结构图

WFH-2A型浮子式水位计安装在测验河段右岸的水位测井房内，井房工作空间已具备良好的通风条件，以避免高温，高湿环境的不利影响，WFH-2A型浮子式水位计主要技术参数分别为：(1)浮子直径：Φ150 mm；(2)水位轮工作周长：320 mm；(3)平衡锤直径：Φ20 mm；(4)测量范围：0～40 m；(5)分辨力：1 cm；(6)水位变率:≤100 cm/min；(7)测量精度：量程≤10 m时为±2 cm，量程>10 m时为±0.2%；(8)输出形式：12 bit格雷码；(9)显示方式：5位机械数字显示；(10)工作环境：温度为-10℃～+50℃；(11)外形尺寸：≤95%RH (40℃无凝落)宽14.6×深15×高14(cm3)；(12)净重：1.2 kg(仅指编码器)。

WFH-2A型浮子式水位计的总体结构具体见图2。

图2 WFH-2A型浮子式水位计的总体结构图

2.4 在线测流系统

基本水尺断面上装有TEL-12双轨移动式雷达波自动测流系统是非接触测流系统，设备接电方式为太阳能供电系统，定时采集数据通过互联网运营商线路方式传输到在线测流系统平台上(用电脑主页可以打开阅览，存期时间无限)。

3 水位观测资料收集及比测分析

3.1 水位观测资料收集

人工观测资料收集：本站非汛期水位按规定停测，在汛期根据水位变幅情况，增加观测次数，收集了汛期资料。

WFH-2A型浮子式水位计贯彻资料收集：汛期五分钟一次采集自动观测水位数据。

通过收集2021年5月18日-2021年9月30日的224组水位观测数据，对同步采集的自动观测数据与人工观测数据进行对比分析，验证观测数据可行性，对个别自动观测数据缺少的部分采用人工观测数据替代开展资料整编工作。

3.2 自动监测与人工观测水位数据对比分析

3.2.1 对比误差计算分析

白吉站断面人工观测和WFH-2A型浮子式水位计自动观测数据对比误差用公式(1)计算，误差统计成果见表1。

表1 雷达波自记水位计观测值对比误差统计表

E=Pyi-Pi

(1)

式中：E为绝对误差；Pi为人工观测水位值；Pyi为自动监测水位值。

3.2.2 误差原因

1)WFH-2A型浮子式水位计误差来源：为按时完成水情编报发报工作，观测人员约早上7点50分左右完成基本水尺水位的观测，而WFH-2A型浮子式水位计5分钟观测一次水位，人工观测时间与WFH-2A型浮子式水位计观测水位的时间略有几分钟的时间误差，因此在水位变化较大时会出现一定的时间误差。

2)水位变化较大时会引起水面波浪也大，因此人工观测到的水位和WFH-2A型浮子式水位计观测的水位有着一定的误差。

3)9月份因断面发生变化主流移到左岸，随水位下降测井进水口处河底略高于水面，通过人工修理进水口处河底高于水面的部分断面区域后河水才能进入测井内，因此造成一定的误差。

3.2.3 误差分析

根据《水位观测标准》(GB/T50138-2010)6.2.3规定，比测结果应符合：置信水平95%的综合不确定度不应超过3 cm，系统误差不应超过±1 cm。《水位观测标准》(GB/T50138-2010)E.0.6规定的系统不确定度、随机不确定度和综合不确定度的计算公式见(2)～(4)

1)系统不确定度

(2)

式中：Pyi为自动监测水位值，Pi为人工观测水位值，N对比次数

2)随机不确定度：

(3)

3)综合不确定度：

(4)

计算得出的置信水平95%的综合不确定度和系统误差成果看表2。

表2 WFH-2A型浮子式水位计观测误差分析计算表

在近4个月(5-9月份，其中7月30日20点至7月31日20点，8月19日8点至9月8日8点，9月21日20点至9月23日8点，因设备出故障未测到当时的水位数据)的WFH-2A型浮子式水位采集数值对比中，全月与人工观测数据对比误差的置信水平95%的综合不确定度和系统误差均符合规范，比测结果中在接受范围内的误差占总比测次数的100%。

3.2.4 自动观测和人工观测数据逐时过程线对比分析

根据选用人工与自动同步观测水位样本数据，制得汛期水位逐时过程线对比图和线性相关关系对比图(见图3和图4)。从图上看，白吉站测验断面WFH-2A型浮子式水位计观测数值和人工观测数值线性关系良好。

图3 自动观测和人工观测水位同步观测逐时过程线对比图

图4 白吉站自动观测和人工观测水位线性相关系图

4 自动监测与人工观测水位数据比测结果评价

(1)根据《水位观测标准》(GB-T50138-2010)6.2自计水位计比测中第6.2.1条规定(比测可按水位分幅、分阶段分别进行，每阶段比测次数应在30次以上)，对2021年5月18日-9月30日的人工观测记载和WFH-2A型浮子式水位计水位自动监测的224次同步观测的水位数据分析可见，这些数据是汛期采集过程中只有一次进行了人工与自动监测数据之间校的核调整，符合规范要求，能满足准确度符合置信水平95%的误差规范要求，说明WFH-2A型浮子式水位计准确度和精度已满足规范要求，采集的数据可行可靠。

(2)WFH-2A型浮子式水位计的自动监测数值与人工观测数值之间的误差满足置信水平为95%的水位观测规范要求，综合不确定度0.014 cm小于3 cm；系统误差0.000 cm在±1 cm范围内。

(3)本次对比分析数据包括了汛期不同的水位变幅、不同的水位级和不同阶段的连续观测的数据，说明本次结论代表性好。

(4)WFH-2A型浮子式水位计的观测数值和人工观测数据逐时过程线趋势基本一致，有个别突出点是因为高水期流速大，水面波浪大，观测时间上略有几分钟的误差，加上人工在不同高度、不同方位观测到的水位也会产生视觉上的误差，虽然两者观测的目标物体相同，但它们是两种不同的水位观测模式和观测机制，两者自身都存在规范认可的误差范围。

5 结语

通过对本次比测分析，可以证明WFH-2A型浮子式水位计结构紧凑，性能稳定，工作可靠，能够实现水位的自动存储与传输，观测精度按现有规范完全满足精度要求，可采用WFH-2A型浮子式水位计自动监测数据完全代替人工观测水位数据，为后期水文站实行水文自动化测报和巡测方案奠定基础。通过在新疆其他水位站大范围推广使用，促进自动监测设备在水文现代化进程中发挥更好的作用。