［摘要］超聲波水位計有一定的測定誤差，利用阿勒泰地區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的規范要求，滿足測驗系統誤差在±1cm之內的測驗誤差要求，阿勒泰地區三暢超聲波水位計符合測驗誤差規范，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水文站得到應用，其測定誤差是否可滿足水文測樣的規范要求，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范要求。當前，許多區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范，可用來替代人工觀測水文數據。然后在新疆地區的對比觀測研究還較少，為分析阿勒泰地區水文站超聲波水位計的觀測誤差，結合區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，測驗系統誤差在±1cm之內。采用水位測驗規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。從系統誤差可看出，其系統誤差均為負值，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。從系統誤差分布可看出，均小于1cm，滿足測驗系統誤差在±1cm之內的規范要求，非常好次和第四次對比觀測由于低水位，其系統誤差較大，而高水位階段，系統誤差較小，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的規范要求，滿足測驗系統誤差在±1cm之內的測驗誤差要求，阿勒泰地區超聲波水位計符合測驗誤差規范，可用來代替人工水位觀測。