［摘要］超聲波水位計有一定的測定誤差，利用阿勒泰地區(qū)水文站超聲波水位計的觀測數據和對應的人工觀測數據，進行對比分析。分析結果表明:四次對比觀測試驗中，綜合不確定度基本在0．0165～0．1536之間，均滿足在95%的置信度水平內要求測定水位間的綜合不確定度為3cm的規(guī)范要求，滿足測驗系統(tǒng)誤差在±1cm之內的測驗誤差要求，阿勒泰地區(qū)三暢超聲波水位計符合測驗誤差規(guī)范，可用來代替人工水位觀測。

 

      超聲波水位計已經在新疆許多地區(qū)水文站得到應用，其測定誤差是否可滿足水文測樣的規(guī)范要求，一直是水文測站工作人員關注的問題。對于水文測樣誤差非常好的辦法就是采用對比觀測的方式，結合人工觀測對新儀器進行對比測試分析，從而分析其觀測誤差是否符合測驗的規(guī)范要求。當前，許多區(qū)域都針對超聲波水位計的測驗誤差進行分析，各分析結果表明三暢超聲波水位計經過多年的調試改造后，基本可符合水位觀測的誤差規(guī)范，可用來替代人工觀測水文數據。然后在新疆地區(qū)的對比觀測研究還較少，為分析阿勒泰地區(qū)水文站超聲波水位計的觀測誤差，結合區(qū)域水文站點不同時間的水位觀測數據，通過對比觀測分析超聲波水位計在區(qū)域水位觀測的誤差，從而分析超聲波水位計的適用性。

 

1研究方法及資料選用

1．1誤差評估方法

      在水位對比觀測試驗時，主要采用以下指標對其水位測定的誤差進行評價，在95%的置信度水平內要求測定水位間的綜合不確定度為3cm，測驗系統(tǒng)誤差在±1cm之內。采用水位測驗規(guī)范要求的誤差指標計算方程分別為:

1)測驗的不確定度

      計算測驗不確定度的方程為:

      在方程中Pyi表示為超聲波水位計觀測的水位數據(m);Pi表示為人工監(jiān)測的水位數據(m);N表示為對比觀測的次數。2)超聲波水位計的隨機不確定度計算超聲波水位計的隨機不確定度，其計算方程為:

      方程中x″y表示為隨機的不確定度，其他變量含義同方程(1)中的變量含義。此外還需要對三暢超聲波水位計的綜合不確定度進行分析，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不確定度。

 

1．2資料選用情況

      按照水位測定標準規(guī)范的要求，對于比測次數進行明確要求，按照水分的分幅或分階段進行水位的對比觀測，不同階段的水位比測次數一般要求在30次以上。本次水位比測分析數據采用2018年5－10月的自計水位數據和同一個時期的人工水位觀測數據進行誤差分析，各期觀測時間和次數見表1。結合同步水位觀測數據，對比分析其水位吻合度。

2測分析結果

2．1不同時期水位對比觀測結果

      對比觀測了4個時期的自動水位和人工觀測水位數據，并分析其過程對比結果，各時期水位對比觀測結果見圖1。

      從不同時間的超聲波水位計和人工觀測的水位計對比結果可看出，各時期三暢超聲波水位計和人工觀測的水位計均具有較好的吻合度，從非常好次對比觀測結果可看出，其水位變幅在7．48～7．72m之間，中高水位時期擬合度更高，低水位是擬合度相對較差，這主要是因為中高水位超聲波水位計受外界影響程度較小，而在低水位時，其受外界影響程度較高，使得其擬合度相對較差，從第二場對比觀測試驗中也可看出，中高水位時誤差較小，而在低水位時誤差相對較大。第二場水位變幅在7．49～7．85m之間，水位變幅要高于非常好觀測試驗水位，因此其總體吻合度要好于非常好次對比觀測試驗。第三次水位對比觀測試驗可看出，其水位吻合度明顯高于其他幾個對比觀測試驗場次，第四次對比觀測試驗主要出現(xiàn)在平水期，可以看出，其水位相比于其前幾場對比觀測試驗降低程度明顯，受低水影響，其吻合度也有所降低。

 

2．2不同時期水位對比觀測值相關性分析結果

      結合4場不同時期水位對比觀測數據，建立自計水位計觀測的水位與人工觀測水位的相關性，相關性分析結果見圖2。

      從各試驗期的自動觀測水位和人工觀測水位的相關性分析可看出，各時期相關性均可在0．8以上，屬于高度相關，且相關系數均為正，表明自動觀測的水位和人工觀測水位屬于正相關。其中第二次的對比觀測試驗相關系數非常高為0．9257，這主要是因為第二次對比觀測屬于高水階段，高水位階段超聲波水位計與人工觀測水位相關性較好。第三次觀測試驗相關系數為0．8452，低于其他三次對比觀測試驗的相關系數，這主要是這一階段屬于水位較低的時期，在低水期，其相關系數有所降低，但均高于0．8，相關性也可滿足水位測驗的誤差要求。從四次對比觀測試驗可分析中，三暢超聲波水位計和人工觀測水位計具有較好的相關性。

 

2．3不同時期水位對比觀測值相誤差評定結果

      對四次對比觀測分析的數據進行誤差評定，各對比觀測的誤差評定結果見表2。

      從對比觀測的誤差評定結果可看出，綜合不確定度基本在0．0165～0．1536之間，均滿足在95%的置信度水平內要求測定水位間的綜合不確定度為3cm的規(guī)范要求，各對比觀測方式下綜合不確定度均小于3cm，符合測驗的規(guī)范要求。從綜合不確定度的分析范圍可看出，非常好次對比觀測試驗其綜合不確定度非常大，為0．1536，這主要是因為低水水位影響了其觀測精度，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)誤差均為負值，表明三暢超聲波水位計觀測值小于人工觀測值，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，滿足測驗系統(tǒng)誤差在±1cm之內的規(guī)范要求，非常好次和第四次對比觀測由于低水位，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結語

      (1)各對比觀測試驗中，三暢超聲波水位計和人工觀測水位計的擬合度和相關度均較高，其中中高水位時期擬合度更高，低水位是擬合度相對較差，這主要是因為中高水位超聲波水位計受外界影響程度較小，而在低水位時，其受外界影響程度較高，使得其擬合度相對較差;

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