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实验小流域尺度下高精度水位计的比测分析(三)


实验小流域尺度下高精度水位计的比测分析(三),磁致伸缩式水位计可以**获取在低水头条件下实验小流域的槽面降雨和不同分层径流水位过程,并计算出准确的流量。所以,磁致伸缩式水位计适合实验小流域的水位监测,有助于利用高精度水文数据提高对水文过程的认识。本文的比测结果可为径流、降雨、蒸发和下渗等过程的高精度监测提供参考。

3 讨论

3.1 水位计的精度分析

图6给出三角堰矩形堰的水头与流量关系的灵敏度分析。对于三角堰,水头小于5cm时,流量相对误差大于5%/mm;水头小于2cm时,流量相对误差大于10%/mm,说明三角堰在低水头条件下,如果水位测量误差大,则实测流量会有较大误差。对于矩形堰,水头小于5cm时,流量相对误差大于3%/mm;小于2cm时,流量相对误差也大于10%/mm,说明矩形堰在低水头条件下,如果水位测量误差大,则实测流量同样会有较大误差,但矩形堰在组合堰中主要用于测量高水头条件的流量,在水头大于5cm时,流量相对误差小于3%/mm,水位测量误差或水头基数发生变化很小时,则不会对实测流量产生显著误差。因此,高精度的水位数据对分析低水头条件的径流测量起到重要作用。

                      图6 水头与流量关系的灵敏度分析.png

                                     图6 水头与流量关系的灵敏度分析http://www.leidayeweiji.com/

从静水稳定实验结果(图3)可知,压力式1型水位计LEV01的分辨率约为2.5mm,这不适合小流量的水位监测;浮子式水位计IF05出现0.5mm阶步式跳跃,这与其分辨率为0.5mm正好对应;探针式水位计NKY08-2的分辨率能达到0.01mm,压力式2型水位计LEV02和磁致伸缩式水位计MTL3的分辨率能达到0.02mm,都能刻画连续的水位过程。这从模拟洪峰和天然降雨条件下多种水位计监测水位过程的比测结果(图5)都得到印证,探针式水位计、压力式2型水位计、磁致伸缩式水位计可以高精度地测量水位过程。造成压力式1型和浮子式水位计分辨率相对粗略的原因是压敏元件和光电开关旋转编码器在量程内进行模拟量采集分格值较大,而其他3种水位计的分辨率能达到小于0.1mm的量级,可满足0.5mm的精度要求。

从阶步式升降水位比测实验结果(图4)可知,探针式、磁致伸缩式和压力式2型水位计精度都达到0.4mm。压力式2型水位计在升、降水位过程中综合优良误差接近,说明其稳定性高,但在接近量程的两端时误差会较大,所以使用时,测值不应接近其量程的上下限。探针式水位计在升、降水位过程中综合优良误差的差值为0.11mm,也表现出较高的稳定性。磁致伸缩式水位计在升、降水位过程中综合优良误差分别为0.10mm和0.38mm,说明在降水位过程中,磁致伸缩式水位计的浮球与滑杆之间受水的黏滞作用,相比升水位过程存在一定滞后,导致降水位过程的优良误差会比升水位过程要大。浮子式水位计在升、降水位过程中综合优良误差都接近0.5mm,这与浮子式水位计的分辨率相对应,说明浮子式水位计的测量精度要低于探针式、磁致伸缩式和压力式2型水位计,但稳定性还是比较高。测量精度和稳定性较差的是压力式1型水位计,其测量精度达不到1mm,这是由于它的设计量程为10m,进行模拟量采集分格单元约为2.5mm。

从数据采集效率上看,参与比测的两个压力式水位计由于要经过RTU传送,网关接收,服务器存储,使得数据采集时间间隔为1min,而其他水位计可以直接通过485串口存储在测量机上,采集时间间隔为10s,磁致伸缩水位计自身可以配置二次采集仪表,能在1s内采集8个水位计的数据,可以根据实验要求提供高时间分辨率的水位数据。所以,传感器的测量时间分辨率与所采用的数据采集通讯方式有关。

3.2 水位计的应用分析

水位是水文学研究中一个重要的水文要素或中间变量,所以水位计在水文研究得到广泛应用。在河川径流测量中,使用水位与流量关系进行推流,水位需要达到厘米级,使用压力式水位计、浮子水位子、气泡式水位计和超声波水位计等能满足要求。在地下水位监测中,水位变化慢,关注的水位变化也为厘米级,所以一般采用压力式水位计、浮子水位子等。在潮汐水位监测中,水位波动变化大,精度到厘米级,一般采用压力式水位计、雷达水位计。利用蒸渗仪准确监测潜水蒸发和入渗量时,需要高精度的水位计,如采用磁致伸缩水位计可以实现高精度的实时监测,这已开始在五道沟实验站得到应用。中国气象、水文部门的常规站和实验站常布设有水面蒸发器,目前一般仍是采用人工式的水位测针,精度为1mm,分辨率为0.1mm;可以考虑采用本文中参与比测的压力式2型和磁致伸缩式水位计进行监测水面蒸发量,这样可推动常规水面蒸发的高精度自动化监测进程。

除此之外,高精度水位计还可用于监测实时的降雨过程,比如滁州实验基地的水文山和南大洼流域分层径流系统*上层的集水槽本质是大型的雨量计,降雨落到集水槽,汇集到观察室内,采用三角堰测量流量过程,除以集水槽的面积,即降雨的实时过程(如图7(b)中的槽面降雨过程)。集水槽面积相对于流域面积不是很大,所以在三角堰处的水头不大,一般在10cm以下,这样就要求采用高精度的水位计,才能准确测量降雨的实时连续过程及其总量。在实验小流域或室内土槽实验中,利用量水堰获取流量,在低水头条件下要求水位精度达到毫米级,这就需要采用高精度的水位计,如高精度的压力式水位计或磁致伸缩水位计,这样可以获取高精度的流量资料,用于开展像水文山和南大洼实验流域的分层径流实验研究。根据在南大洼流域出口采用压力式1型和磁致伸缩式水位计同步监测槽面降雨(历时约35h,降雨量为20.2mm)、地表径流、0~50cm壤中流和50~100cm壤中流过程(简称“槽面”、“地表”、“50cm”和“100cm”,见图7)。对比两种不同精度水位计的测量结果可知,选用高精度的磁致伸缩式水位计可以**获取在低水头条件下的南大洼流域槽面降雨和不同分层径流水位过程,得到降雨、分层径流的时间特征,同时容易确定水头基数以得到堰上水头,计算出准确的流量,由这些高精度水文数据以期得到新的水文规律认知。如果使用精度相对差的水位计(如压力式1型),将难以获取降雨、分层径流的时间特征以及准确的流量过程。

在水位计适用范围方面,需要考虑传感器的量程范围与实验变量测量范围相匹配,并根据监测密度与传感器成本进行评价。在环境要求方面,需考虑传感器的稳定性和安装要求,从而选择出能够长期稳定监测高精度实验数据的传感器。因此,在现代化水文实验中,需要针对不同实验目的,开展水位计比测实验,以期编制实验小流域径流水位监测方面的指南或规范。

                          图7 不同精度水位计监测南大洼降雨-分层径流过程比较.png

                                                      图7不同精度水位计监测南大洼降雨-分层径流过程比较

4 结 论

(1)在稳定性方面,压力式1型水位计的波动大,波幅为2~3mm,这不适合小流量的水位监测;浮子水位计出现0.5mm阶步式跳跃,这与其分辨率为0.5mm正好对应;探针式水位计、压力式2型水位计和磁致伸缩式水位计都能达到0.02mm分辨率,能刻画连续的水位变化过程。

(2)在测量精度方面,探针式、磁致伸缩式和压力式2型水位计精度综合优良误差在0.4mm以内;浮子式水位计在升降水位过程中的综合优良误差都接近0.5mm;压力式2型水位计分辨率为2.5mm,精度达不到毫米级。

(3)磁致伸缩式水位计可以**获取在低水头条件下实验小流域的槽面降雨和不同分层径流水位过程,并计算出准确的流量。所以,磁致伸缩式水位计适合实验小流域的水位监测,有助于利用高精度水文数据提高对水文过程的认识。本文的比测结果可为径流、降雨、蒸发和下渗等过程的高精度监测提供参考。http://www.leidayeweiji.com/

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