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浮子式水位计在水库应用中的误差分析
程雯嘉
（甘肃省张掖水文水资源勘测局 张掖 734000）
摘要：为了减小浮子式自记水位计在水库坝上运用中的误差，本文采用直线均匀比例法和曲线趋势比例法对瓦房城水库坝上自记水位记录值进行分析订正。通过多年实测值与记录值比测试验分析，探索出一套浮子式水位计误差管控及记录值的订正方法,解决了浮子式水位计在库水位测验时，无需设立专用测井的难题，为水库坝上同类型仪器的推广使用做了一些尝试。
关键词：水位计 坝上水位 误差管制 对比分析
中图分类号：P332.3 文献标识码：A
1前言
在甘肃省有中小型水库287座。一些水库在坝上水位观测上也曾经使用过浮子式水位计，因使用操作方法欠妥，实现不了预期目标而终止。近几年一些水库安装远传式高清红外线摄像头观测水位，受遮光、地形限制未能全程监测水位，且视线误差大，超出《规范》允许值。国内较先进的超声波、雷达、压力式等水位计，由于受通讯、竖井口径、回流、库水位变幅大等客观因素的影响，运行效果不理想，比测实验均以失败告终。我省很多中小型水库的坝上水位仍然沿用传统人工观测办法，水位观测工作十分繁重；且受水库坝上波浪的影响，有时观测误差很大，直接影响到防汛抗旱的决策和运行调度计划。编者通过长期坝上浮子式水位计的使用，解决了浮子式自记水位计在坝上水位观测中精度不高的难题。
2仪器工作原理及优缺点
2.1工作原理
浮子式水位计采用浮子感应水位，浮子飘浮在水位井内，随水位上升而升降。浮子上的悬索绕过水位轮悬挂一平衡锤，由平衡锤自动控制悬索的位移和张紧。悬索在水位升降时带动水位轮悬转，从而将水位的升降转换为水位轮的旋转。
2.2优缺点
优点：仪器性能稳定可靠，结构简单，水位测量准确性好；价格低廉；具有一定的自动削弱波浪性能。
缺点：需要修建专用水位测井。修建水位测井需要较大的投资，在有些地方，修建测井很困难，甚至无法修建测井，影响了浮子式水位计的应用。
3误差分析与管控
3.1机械误差
仪器感应部件的摩阻力、主笔与来复杆的摩擦力、弹簧与传动轮动能转换阻力等机械因数所致。首先是仪器感应部件的摩阻力较大，因原装仪器配置悬索长度不足，最初该仪器使用直径0.2cm铜芯的软线，使水位计水位轮与悬绳的滑动摩阻力增大。此后采用直径1mm的不锈钢钢丝连接浮筒与平衡锤，减轻了水位轮与悬索的摩阻力。其次是水位变幅较大时，应随时调整主笔与来复杆的间隙，并保持主笔与来复杆的灵敏度。其三是需经常检查弹簧与传动轮动能的机械运行状况，防治弹簧、传动轮被卡，增大机械阻力。
3.2承压洞回流误差
当水库下游电站机组或锥蕊阀开闭闸门时，承压洞内产生回流，竖井内瞬间水位急剧变化，浮子会有短期失重现象。悬索可能和水位轮发生滑动，主笔左右摆动，改变了水位预先设置的高程方向，且主笔不能回原记录，记录线呈现台梯状。校测自记水位计记录量时，视主笔方向，经分析重新订正水位坐标。摘录时视前时段坝上基本水尺水位涨落趋势，排除台梯误差，顺着自记记录线观读各时段纸上水位数值。为了减轻台梯状误差，在水位计浮子上部悬索挂一较轻的辅助平衡锤。当浮子被水位突然托起失重时，此辅助平衡锤和平衡锤仍能张紧悬索，可缓解浮子短期失重现象［1］。
3.3浮筒重量误差
水位计的浮筒受水库高、中、低不同浮力的影响，浮力变量中产生的误差。依据水库不同水位的运行状况，调节浮筒内石子或平衡锤的重量，以适应不同水位级浮力变量中产生的误差。在仪器运行中平衡锤应离开水面，避免产生复杂的双重浮力变量误差。
3.4沿程误差
在水库库水位变幅较大时，坝上基本水尺水位观测点距竖井需要一定时间，存在校测距离误差。尽量缩短基本水尺水位与竖井自记水位计之间的观测时间，特殊情况下延时，且水位变幅较大时，可视自记纸上前一时段水位变幅增减记录量，以减小距离误差。
3.5水尺观读误差
在有风浪时，坝上基本水尺水位观测方式欠妥，读数误差较大。观读水尺水位时应尽可能排除阻水因素；身体应尽量下蹲，使视线与水面平衡，避免产生遮光；也可以利用水面暂时平静进行观读或者读取峰顶谷水位，取其平均值；有条件的站尽可能安装静水箱再进行观读［2］。
3.6系统误差与偶然误差
每年汛前汛后校测水尺零点高程2次，如发现水尺零点高程超过10mm时，及时分析修正水尺水位；每年汛期描画水尺时，逐段校测高程以减小误差，遇特殊情况加密校测次数。
4记录值的订正
水库大多在坝上建有竖井（竖井内设启闭闸门，是控制水库隧洞（承压洞）下游锥蕊阀和电站机组出库流量的安全保证设施）。例如张掖市民乐县瓦房城水库坝上水位观测主要依靠SWY20型月记式水位计。通过大量实测值与记录订正值的同步比测分析：非汛期水位变率较小，在竖井内水位计下砼上设临时水准点，每月用悬锤式水尺校测一次，仪器运行正常，误差与人工观测值相同，能够达到仪器设计的相关指标；5-10月份库水位变率在3-29m之间，日水位变率急剧时，且受竖井内回流的影响，水尺校测水位与记录水位误差相对较大，需要减小误差来源与记录值的分析订正。水位变率较小时，每日水尺水位按两段制校测；水位变率较大时，随时加密测次。通过试验验证：石英晶体自计钟，运行31d,，时间的累计记录误差≤5mim，,故省略时间订正公式。
4.1直线均匀比例法
水库坝上水位读数与记录水位误差较小且变率均匀时,采用直线比例法订正法。将人工实测水位与自记记录水位的差值，均匀分摊到订正水位各时段。如表1，也可按以下公式计算:
Z=Z0+(Z1- Z2)*(t-t1)/(t2-t1)
式中Z—订正后的水位（m）；
Z0—订正前的水位（m）；
Z1—t2时刻校测水尺水位（m）；
Z2—t2时刻自记记录的水位（m）；
t—订正水位所对应的时刻（h）；
t1—上次校测水位的时刻（h）；
t2—相邻下一次校测水尺水位的时刻（h）
表1 直线均匀比例法水位的订正及相关因素分析表
|
时间
|
水尺 水位 (m) |
记录 水位 (m) |
订正 水位 (m) |
订正后的蓄水量(m³/s) |
时段平均出库流量(m³/s) |
订正前时段平均入库流量(m³/s) |
订正后时段平均入库流量(m³/s) |
|
08 |
80.04 |
|
|
1045 |
|
|
|
|
10 |
14 |
80.15 |
80.14 |
1052 |
10.1 |
21.2 |
19.8 |
|
12 |
25 |
27 |
25 |
1061 |
10.1 |
22.6 |
22.6 |
|
14 |
36 |
39 |
36 |
1069 |
12.6 |
25.1 |
23.7 |
|
16 |
47 |
51 |
47 |
1078 |
9.65 |
23.5 |
22.2 |
|
18 |
59 |
64 |
59 |
1087 |
9.32 |
23.2 |
21.8 |
|
20 |
72 |
78 |
72 |
1098 |
5.46 |
22.2 |
20.7 |
4.2曲线趋势比例法
曲线趋势比例法主要适用库水位变率急剧期间［3］。依据记录水位在各时段水位变率的大小，以6min的整倍数为单位，做曲线变量比例，采用比例分析水位曲线变化的趋势，各时段记录水位的变率，按比例做误差订正，如表2 。从表中分析;实测值与订正值二者线性趋势完全相同，个别测点的误差均在《规范》允许的0.02m人工观测范围以内。上游入库流量与降水量过程相符，符合流域特性。
表2 曲线趋势比例法水位订正及相关因素分析表
|
时间 |
水尺 水位 (m) |
记录 水位 (m) |
订正 比例 |
订正 水位 (m) |
订正后 的蓄水量 (万m³) |
时段平均出库流量 (m³/s) |
订正前时段平均入库流量 (m³/s) |
订正后 时段平均 入库流量(m³/s) |
|
00 |
76.26 |
|
|
|
767.4 |
|
|
|
|
01 |
37 |
76.36 |
1 |
76.37 |
774.0 |
20.3 |
37.0 |
38.6 |
|
02 |
58 |
55 |
2 |
58 |
786.8 |
20.3 |
52.2 |
55.9 |
|
03 |
79 |
74 |
2 |
79 |
800.1 |
22.5 |
55.8 |
59.4 |
|
04 |
77.10 |
77.02 |
3 |
71.10 |
821.0 |
23.2 |
74.3 |
81.3 |
|
05 |
43 |
31 |
3 |
42 |
845.4 |
23.2 |
81.5 |
91.0 |
|
06 |
74 |
61 |
3 |
75 |
780.0 |
24.1 |
88.5 |
92.4 |
|
07 |
78.27 |
78.08 |
5 |
78.28 |
915.0 |
26.3 |
134 |
151 |
|
08 |
68 |
45 |
4 |
68 |
948.9 |
26.3 |
112 |
120 |
|
09 |
79.07 |
80 |
4 |
79.07 |
982.1 |
24.1 |
107 |
116 |
|
10
|
