［摘要］超聲波水位計(jì)有一定的測(cè)定誤差，利用阿勒泰地區(qū)水文站超聲波水位計(jì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的人工觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比分析。分析結(jié)果表明:四次對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)中，綜合不確定度基本在0．0165～0．1536之間，均滿足在95%的置信度水平內(nèi)要求測(cè)定水位間的綜合不確定度為3cm的規(guī)范要求，滿足測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)誤差在±1cm之內(nèi)的測(cè)驗(yàn)誤差要求，阿勒泰地區(qū)三暢超聲波水位計(jì)符合測(cè)驗(yàn)誤差規(guī)范，可用來代替人工水位觀測(cè)。

 

      超聲波水位計(jì)已經(jīng)在新疆許多地區(qū)水文站得到應(yīng)用，其測(cè)定誤差是否可滿足水文測(cè)樣的規(guī)范要求，一直是水文測(cè)站工作人員關(guān)注的問題。對(duì)于水文測(cè)樣誤差非常好的辦法就是采用對(duì)比觀測(cè)的方式，結(jié)合人工觀測(cè)對(duì)新儀器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試分析，從而分析其觀測(cè)誤差是否符合測(cè)驗(yàn)的規(guī)范要求。當(dāng)前，許多區(qū)域都針對(duì)超聲波水位計(jì)的測(cè)驗(yàn)誤差進(jìn)行分析，各分析結(jié)果表明三暢超聲波水位計(jì)經(jīng)過多年的調(diào)試改造后，基本可符合水位觀測(cè)的誤差規(guī)范，可用來替代人工觀測(cè)水文數(shù)據(jù)。然后在新疆地區(qū)的對(duì)比觀測(cè)研究還較少，為分析阿勒泰地區(qū)水文站超聲波水位計(jì)的觀測(cè)誤差，結(jié)合區(qū)域水文站點(diǎn)不同時(shí)間的水位觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過對(duì)比觀測(cè)分析超聲波水位計(jì)在區(qū)域水位觀測(cè)的誤差，從而分析超聲波水位計(jì)的適用性。

 

1研究方法及資料選用

1．1誤差評(píng)估方法

      在水位對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)時(shí)，主要采用以下指標(biāo)對(duì)其水位測(cè)定的誤差進(jìn)行評(píng)價(jià)，在95%的置信度水平內(nèi)要求測(cè)定水位間的綜合不確定度為3cm，測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)誤差在±1cm之內(nèi)。采用水位測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求的誤差指標(biāo)計(jì)算方程分別為:

1)測(cè)驗(yàn)的不確定度

      計(jì)算測(cè)驗(yàn)不確定度的方程為:

      在方程中Pyi表示為超聲波水位計(jì)觀測(cè)的水位數(shù)據(jù)(m);Pi表示為人工監(jiān)測(cè)的水位數(shù)據(jù)(m);N表示為對(duì)比觀測(cè)的次數(shù)。2)超聲波水位計(jì)的隨機(jī)不確定度計(jì)算超聲波水位計(jì)的隨機(jī)不確定度，其計(jì)算方程為:

      方程中x″y表示為隨機(jī)的不確定度，其他變量含義同方程(1)中的變量含義。此外還需要對(duì)三暢超聲波水位計(jì)的綜合不確定度進(jìn)行分析，分析方程為:

      在方程中Xx表示為綜合不確定度;x'2及x″y分別表示為不確定度和隨機(jī)不確定度。

 

1．2資料選用情況

      按照水位測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，對(duì)于比測(cè)次數(shù)進(jìn)行明確要求，按照水分的分幅或分階段進(jìn)行水位的對(duì)比觀測(cè)，不同階段的水位比測(cè)次數(shù)一般要求在30次以上。本次水位比測(cè)分析數(shù)據(jù)采用2018年5－10月的自計(jì)水位數(shù)據(jù)和同一個(gè)時(shí)期的人工水位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，各期觀測(cè)時(shí)間和次數(shù)見表1。結(jié)合同步水位觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析其水位吻合度。

2測(cè)分析結(jié)果

2．1不同時(shí)期水位對(duì)比觀測(cè)結(jié)果

      對(duì)比觀測(cè)了4個(gè)時(shí)期的自動(dòng)水位和人工觀測(cè)水位數(shù)據(jù)，并分析其過程對(duì)比結(jié)果，各時(shí)期水位對(duì)比觀測(cè)結(jié)果見圖1。

      從不同時(shí)間的超聲波水位計(jì)和人工觀測(cè)的水位計(jì)對(duì)比結(jié)果可看出，各時(shí)期三暢超聲波水位計(jì)和人工觀測(cè)的水位計(jì)均具有較好的吻合度，從非常好次對(duì)比觀測(cè)結(jié)果可看出，其水位變幅在7．48～7．72m之間，中高水位時(shí)期擬合度更高，低水位是擬合度相對(duì)較差，這主要是因?yàn)橹懈咚�位超聲波水位�?jì)受外界影響程度較小，而在低水位時(shí)，其受外界影響程度較高，使得其擬合度相對(duì)較差，從第二場(chǎng)對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)中也可看出，中高水位時(shí)誤差較小，而在低水位時(shí)誤差相對(duì)較大。第二場(chǎng)水位變幅在7．49～7．85m之間，水位變幅要高于非常好觀測(cè)試驗(yàn)水位，因此其總體吻合度要好于非常好次對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)。第三次水位對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)可看出，其水位吻合度明顯高于其他幾個(gè)對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)次，第四次對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)主要出現(xiàn)在平水期，可以看出，其水位相比于其前幾場(chǎng)對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)降低程度明顯，受低水影響，其吻合度也有所降低。

 

2．2不同時(shí)期水位對(duì)比觀測(cè)值相關(guān)性分析結(jié)果

      結(jié)合4場(chǎng)不同時(shí)期水位對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立自計(jì)水位計(jì)觀測(cè)的水位與人工觀測(cè)水位的相關(guān)性，相關(guān)性分析結(jié)果見圖2。

      從各試驗(yàn)期的自動(dòng)觀測(cè)水位和人工觀測(cè)水位的相關(guān)性分析可看出，各時(shí)期相關(guān)性均可在0．8以上，屬于高度相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)均為正，表明自動(dòng)觀測(cè)的水位和人工觀測(cè)水位屬于正相關(guān)。其中第二次的對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)相關(guān)系數(shù)非常高為0．9257，這主要是因?yàn)榈诙�次�?duì)比觀測(cè)屬于高水階段，高水位階段超聲波水位計(jì)與人工觀測(cè)水位相關(guān)性較好。第三次觀測(cè)試驗(yàn)相關(guān)系數(shù)為0．8452，低于其他三次對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)，這主要是這一階段屬于水位較低的時(shí)期，在低水期，其相關(guān)系數(shù)有所降低，但均高于0．8，相關(guān)性也可滿足水位測(cè)驗(yàn)的誤差要求。從四次對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)可分析中，三暢超聲波水位計(jì)和人工觀測(cè)水位計(jì)具有較好的相關(guān)性。

 

2．3不同時(shí)期水位對(duì)比觀測(cè)值相誤差評(píng)定結(jié)果

      對(duì)四次對(duì)比觀測(cè)分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差評(píng)定，各對(duì)比觀測(cè)的誤差評(píng)定結(jié)果見表2。

      從對(duì)比觀測(cè)的誤差評(píng)定結(jié)果可看出，綜合不確定度基本在0．0165～0．1536之間，均滿足在95%的置信度水平內(nèi)要求測(cè)定水位間的綜合不確定度為3cm的規(guī)范要求，各對(duì)比觀測(cè)方式下綜合不確定度均小于3cm，符合測(cè)驗(yàn)的規(guī)范要求。從綜合不確定度的分析范圍可看出，非常好次對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)其綜合不確定度非常大，為0．1536，這主要是因?yàn)榈退�水位影響了其觀測(cè)精度，第二次和第三次高水位精度較高，因此其綜合不確定度也較小。從系統(tǒng)誤差可看出，其系統(tǒng)誤差均為負(fù)值，表明三暢超聲波水位計(jì)觀測(cè)值小于人工觀測(cè)值，這屬于正常的誤差范圍。從系統(tǒng)誤差分布可看出，均小于1cm，滿足測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)誤差在±1cm之內(nèi)的規(guī)范要求，非常好次和第四次對(duì)比觀測(cè)由于低水位，其系統(tǒng)誤差較大，而高水位階段，系統(tǒng)誤差較小，精度更高。

3結(jié)語(yǔ)

      (1)各對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)中，三暢超聲波水位計(jì)和人工觀測(cè)水位計(jì)的擬合度和相關(guān)度均較高，其中中高水位時(shí)期擬合度更高，低水位是擬合度相對(duì)較差，這主要是因?yàn)橹懈咚�位超聲波水位�?jì)受外界影響程度較小，而在低水位時(shí)，其受外界影響程度較高，使得其擬合度相對(duì)較差;

      (2)四次對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)中，綜合不確定度基本在0．0165～0．1536之間，均滿足在95%的置信度水平內(nèi)要求測(cè)定水位間的綜合不確定度為3cm的規(guī)范要求，滿足測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)誤差在±1cm之內(nèi)的測(cè)驗(yàn)誤差要求，阿勒泰地區(qū)超聲波水位計(jì)符合測(cè)驗(yàn)誤差規(guī)范，可用來代替人工水位觀測(cè)。