雷達(dá)水位計(jì)在拉賀練水文站的應(yīng)用分析

李月清

（云南省水文水資源局德宏分局，云南 潞西 678400）

0 引言

水位是水文最基本的觀測(cè)項(xiàng)目，是水利及水電工程建設(shè)或防洪報(bào)汛必不可少的重要資料。隨著水利水文自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展，水位觀測(cè)設(shè)備和儀器也需要快速發(fā)展和更新。

拉賀練水文站于 1979 年設(shè)立，地處云南省盈江縣平原鎮(zhèn)拉賀練村，是伊洛瓦底江流域一級(jí)支流大盈江干流控制站，河長(zhǎng) 132.9 km，集水面積 4225 km2，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有：水位、流量、泥沙、降水量、蒸發(fā)、水質(zhì)，屬國(guó)家重要水文站、中央報(bào)汛站。

測(cè)驗(yàn)河段情況：測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)約 800 m，系寬淺河道，水面寬 53～360 m，斷面形狀為 W 型，河床由細(xì)紗組成，沖淤變化頻繁，兩岸為人工砌石。水位約在 820.80 m 以上時(shí)左岸有漫灘?；?24 m 處有 17 孔混凝土平橋 1 座，橋長(zhǎng) 368 m，圓柱型支墩直徑 1.2 m，橋孔間距 20 m。低水時(shí)左岸有串溝、斜流、死水。歷史最大水位變幅為 4.17 m。

拉賀練水文站水位觀測(cè)目前主要依靠遙測(cè)水位計(jì)（浮子式全量編碼水位計(jì)），建于 2003 年，在自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)逐年完善后于 2010 年正式啟用遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整編，此前主要使用 SW40 型日記式自記水位計(jì)觀測(cè)及整編，水位計(jì)臺(tái)為島式。

2011 年 3 月盈江發(fā)生地震，拉賀練水文站遭到破壞，在災(zāi)后重建時(shí)，考慮大盈江下游沖淤變化頻繁，及自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的更新和需要，安裝了 1 套雷達(dá)水位計(jì)。

1 雷達(dá)水位計(jì)在拉賀練站的安裝使用

雷達(dá)水位計(jì)是一種節(jié)能、高精度非接觸式水位測(cè)量?jī)x器，采用脈沖雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。不需要建測(cè)井，安裝方便，可直接測(cè)量自然河道水位，還可實(shí)現(xiàn)水位數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳及自動(dòng)化處理，具有水位跟蹤速度快、非接觸測(cè)量，以及受風(fēng)、雨、沙、溫度、漂浮物影響小的特性，適合在常年無(wú)封凍河段使用。

由于拉賀練站在重建時(shí)已建有島式水位計(jì)臺(tái)，雷達(dá)水位計(jì)的安裝，選擇固定在水位計(jì)臺(tái)儀器室靠河心的側(cè)壁支架上，傳感器垂直水面，表面水平，高程處于最高水位再加儀器盲區(qū)以上，信號(hào)電纜分段掛在鐵絲上架空連入儀器室內(nèi)，接在遙測(cè)終端機(jī)RTU 上，進(jìn)行水位數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理及遠(yuǎn)傳。拉賀練水文站使用的雷達(dá)水位計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)如下：測(cè)量范圍：0.8～35.0 m；測(cè)量精度：±3 mm；測(cè)量時(shí)間：20 s（SDI-12 ）或 30 s（4～20 mA )；天線波束角度（寬波）：12°；工作溫度：-40～+ 60℃；工作相對(duì)濕度：0～100%；供電范圍：9.6～28.0 VDC，典型：12～24 VDC；通訊界面：4～20 mA，SDI-12，RS-485，2 線制（SDI-12 協(xié)議）[1]。

2 雷達(dá)水位計(jì)在拉賀練站的比測(cè)

拉賀練水文站以上區(qū)間水利工程較多，主要是水電工程，特別是 2006—2009 年建設(shè)了芒康、朗外河電站等大量水電工程，對(duì)水位觀測(cè)影響較大。

2011 年 12 月，受下游抽沙、道路施工及電站調(diào)節(jié)影響，基本水尺斷面河槽不斷拉深，低于歷史最低水位近 0.5 m，觀測(cè)人員幾次開(kāi)挖河床引水，進(jìn)水困難，在低水位段浮子式遙測(cè)水位計(jì)不能觀測(cè)，如人工水尺觀測(cè)，工作量將增大。此時(shí)正式啟用運(yùn)行正常的雷達(dá)水位計(jì)，并使用其水位數(shù)據(jù)，為保證雷達(dá)水位計(jì)的測(cè)量精度，需進(jìn)行比測(cè)分析。

2.1 原始資料比測(cè)分析

拉賀練水文站雷達(dá)水位計(jì)從 2011 年 8 月 26 日開(kāi)始安裝并觀測(cè)。比測(cè)對(duì)象為人工水尺觀測(cè)水位，分析時(shí)間取 2011 年 8 月 26 日—12 月 31 日，每日8:00 和 20:00，共 255 組數(shù)據(jù)，歷時(shí) 4 個(gè)月，汛期和枯季各 2 個(gè)月。比測(cè)期間，最高水位 820.44 m，最低水位 818.67 m，水位變幅為 1.77 m。

根據(jù) GB/T50138-2010《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》第 6.2.3條規(guī)定：一般水位站，置信水平 95% 的綜合不確定度應(yīng)為 3 cm，系統(tǒng)誤差應(yīng)為 ±1 cm[2]。

經(jīng)過(guò)對(duì)比測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，拉賀練水文站雷達(dá)水位計(jì)置信水平 95% 的綜合不確定度為 2.3 cm，系統(tǒng)誤差為 1.8 cm，系統(tǒng)誤差不能滿足規(guī)范要求。為此對(duì)雷達(dá)水位數(shù)據(jù)系統(tǒng)調(diào)整 -2.0 cm，則系統(tǒng)誤差為 -0.2 cm，滿足規(guī)范要求。調(diào)整系統(tǒng)誤差后各時(shí)間段誤差分析如表1 所示。其中隨機(jī)誤差為 0 的數(shù)據(jù)占比測(cè)數(shù)據(jù)總數(shù)的 38.0%，誤差為 ±0.01 m 的占比測(cè)數(shù)據(jù)總數(shù)的 52.9%，誤差為 ±0.02 m 的占比測(cè)數(shù)據(jù)總數(shù)的 6.3%，誤差為 ±0.03 m 的占比測(cè)數(shù)據(jù)總數(shù)的 1.6%，誤差 ≥± 0.04 m 的占比測(cè)數(shù)據(jù)總數(shù)的1.2%，最大誤差為 -0.09 m。

表1 拉賀練水文站雷達(dá)水位計(jì)比測(cè)成果表

在 255 組數(shù)據(jù)中，≥± 0.04 m 的誤差出現(xiàn) 3 次，均為負(fù)數(shù)，分別為 -0.04，-0.05，-0.09 m，均處于落水段；± 0.03 m 的誤差出現(xiàn) 4 次，峰頂、峰谷漲落各種水勢(shì)情況都有出現(xiàn)。綜上所述，在落水段出現(xiàn)較大誤差的幾率較大。

比測(cè)分析計(jì)算結(jié)果說(shuō)明：置信水平 95% 的綜合不確定度和系統(tǒng)誤差，均小于水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不確定度和誤差值，滿足規(guī)范要求，比測(cè)結(jié)果合格，雷達(dá)水位數(shù)據(jù)可用于整編分析。根據(jù)比測(cè)結(jié)果，通過(guò)中心站自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)對(duì)傳感器高程修正-2 cm，減小水位系統(tǒng)誤差。

2.2 整編成果誤差分析

使用南方片《水文資料整匯編》軟件對(duì)浮子式水位計(jì)遙測(cè)和雷達(dá)水位計(jì)測(cè)得的 2 種水位數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后，對(duì)逐日平均水位表進(jìn)行對(duì)照分析，在 4 個(gè)月（9—12 月）120 d（扣除自記水位井故障 2 d）中，兩者的日平均水位相比均不超過(guò) ± 0.02 m，誤差為 0 的比例為 34.0%，誤差為 ± 0.01 m 的比例為53.0%，誤差為± 0.02 m 的比例為 13.0%；月極值誤差扣除自記水位井故障期外，均不超過(guò) ± 0.02 m，極值發(fā)生時(shí)間基本一致。從整編成果來(lái)看，此雷達(dá)水位數(shù)據(jù)可用于資料整編，成果可靠。

2.3 誤差原因分析

在原始資料 3 次較大誤差中，產(chǎn)生 -0.09 m 的誤差的原因是河床拉槽導(dǎo)致人工觀測(cè)及浮子式遙測(cè)水位有誤，其余 2 次為偶然誤差；在整編成果中日平均水位出現(xiàn)誤差較大的 2 d，系因河床拉槽導(dǎo)致自記水位井進(jìn)水困難，浮子式遙測(cè)水位有誤。4 個(gè)月的水位過(guò)程線如圖1 所示。

從圖1 對(duì)照來(lái)看，兩者峰谷對(duì)應(yīng)，變化連貫完整，基本重疊在一起，浮子式遙測(cè)水位因編碼器碼盤(pán)及河床拉槽等原因多次出現(xiàn)錯(cuò)誤或誤差，特別是在枯季水位較低，沙質(zhì)河床沖淤變化頻繁，自記井進(jìn)水困難，對(duì)水位觀測(cè)影響較大。

圖1 2011年拉賀練水文站水位過(guò)程線

修正傳感器高程后，2012 年 1 月雷達(dá)水位計(jì)測(cè)得的水位的系統(tǒng)和隨機(jī)誤差均在規(guī)范要求內(nèi)，水位過(guò)程線連續(xù)完整，但在落水底部偶有短時(shí)段鋸齒跳變，一般發(fā)生在 6—12 時(shí)之間，如圖2 所示。經(jīng)檢查分析，儀器運(yùn)行正常，主要是儀器下方的測(cè)驗(yàn)斷面及附近，在落水時(shí)露出的一些滯留的樹(shù)樁枯枝等障礙物產(chǎn)生回波反射引起的。該時(shí)段可根據(jù)人工觀測(cè)水位及水位變化趨勢(shì)進(jìn)行插補(bǔ)修正。

圖2 2012年拉賀練站雷達(dá)水位過(guò)程線

3 結(jié)語(yǔ)

1）正常情況下，浮子式遙測(cè)水位計(jì)與雷達(dá)水位計(jì)的觀測(cè)質(zhì)量相差不大，均符合水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求；實(shí)際使用中，浮子式遙測(cè)水位計(jì)由于自身（編碼器碼盤(pán)）及客觀條件（河槽變化）的限制，出現(xiàn)的故障及維護(hù)工作量與雷達(dá)水位計(jì)相比較多，進(jìn)而影響資料質(zhì)量。因而該站可優(yōu)先考慮采用雷達(dá)水位計(jì)觀測(cè)，進(jìn)行報(bào)汛、資料整編及其他分析。既可減少誤差，又可減輕水位觀測(cè)維護(hù)工作量。

2）目前拉賀練站雷達(dá)水位計(jì)運(yùn)行正常，故障較少。在使用中，應(yīng)定時(shí)進(jìn)行水位的校核，注意儀器下方一定范圍內(nèi)不應(yīng)有其他物體通過(guò)或滯留，以免引起信號(hào)干擾，發(fā)生故障應(yīng)及時(shí)查找原因并分析處理。

3）云南省德宏境內(nèi) 8 個(gè)水文站中，測(cè)驗(yàn)斷面大多為復(fù)式斷面，河床多由細(xì)沙組成，沖淤變化頻繁，主槽變化快，水位井的進(jìn)水控制難度大，建議在今后新建站點(diǎn)或改造中，相同經(jīng)濟(jì)條件下可優(yōu)先考慮雷達(dá)水位計(jì)。

[1]水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所.水文儀器設(shè)備管理及新技術(shù)應(yīng)用培訓(xùn)材料[R]. 南京：水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，2011: 4-5.

[2]中華人民共和國(guó)水利部. GB/T50138-2010 水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2010: 8-36.

[3]姚永熙. 水文儀器與水利水文自動(dòng)化[M]. 南京：河海大學(xué)出版社，2001: 10-47.

[4]曹之樺. 水文統(tǒng)計(jì)學(xué)[M]. 成都：水利電力出版社，1985：84-111.