鳳州水文站雷達(dá)水位計(jì)采集水位與人工觀測(cè)水位對(duì)比分析

石牡麗，李培俠，王建宏

（陜西省寶雞水文水資源勘測(cè)局，陜西 寶雞 721006）

嘉陵江發(fā)源于寶雞市鳳縣西北東峪溝涼水泉，省內(nèi)干流全長(zhǎng)243.8 km，其中寶雞市102 km，流域面積9930 km2，其中寶雞市2472.4 km2。鳳州水文站位于流域上游，其上主要支流有場(chǎng)房溝、黃牛溝、三岔河、紅花溝。省內(nèi)流域主要為土石山區(qū)和黃土階地區(qū)，森林植被覆蓋率低，水土流失嚴(yán)重。流域?qū)倥瘻貛降貧夂?，年平均氣?1.4℃，降雨量主要集中在7月～9月。本站多年平均年降雨量654 mm，多年平均徑流量1.481億m3。建站以來(lái)實(shí)測(cè)最大流量992 m3/s，發(fā)生于1990年7月6日。調(diào)查最大流量1640 m3/s，發(fā)生于1981年8月21日，實(shí)測(cè)最大含沙量65.0 kg/m3。本站建有雷達(dá)水位計(jì)1套，警戒流量300 m3/s、保證流量為1000 m3/s。本站通過(guò)長(zhǎng)期連續(xù)地監(jiān)測(cè)流域內(nèi)基本水文數(shù)據(jù)，不斷探索流域水流沙特性和規(guī)律，為當(dāng)?shù)胤姥纯购怠⑺Y源合理開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)、準(zhǔn)確的決策依據(jù)。本文選用鳳州站雷達(dá)水位計(jì)采集的數(shù)據(jù)和同期人工觀測(cè)水位數(shù)據(jù)，按水位分幅、分階段分別進(jìn)行比測(cè)分析。

1 測(cè)站概況

鳳州水文站設(shè)立于1984年1月，位于鳳縣龍口鎮(zhèn)龍口村，集水面積688 km2。本站為嘉陵江水系嘉陵江源頭站，屬省級(jí)重要水文站。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)、水質(zhì)。管轄鳳縣、黃牛埔、河口、唐藏、紅花鋪、小五嶺、南星7處雨量站，其中報(bào)汛站6處。設(shè)站目的是收集嘉陵江流域基本水文信息，為下游各級(jí)防汛部門(mén)及水資源開(kāi)發(fā)利用提供服務(wù)。

2 觀測(cè)儀器及原理

2.1 觀測(cè)儀器

鳳州水文站在基本水尺斷面安裝26 GHz脈沖型雷達(dá)水位計(jì)1臺(tái)，配備接收終端和太陽(yáng)能供電系統(tǒng)一套。采用GPRS互為主備的通信方式傳輸水文遙測(cè)信息，設(shè)備具有“一發(fā)四收”功能，將信息分別傳到鳳州水文站、寶雞水情分中心、省水情中心和長(zhǎng)江委水文局。此雷達(dá)水位計(jì)不受渾水、污泥、水生植物等因素的影響，安裝簡(jiǎn)便、精度高、壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、測(cè)量時(shí)間內(nèi)多次平均，實(shí)現(xiàn)消浪功能；安裝于懸臂上，不需要建井，土建費(fèi)用低，標(biāo)配支架可方便調(diào)平，適合北方地區(qū)。

2.2 工作原理及參數(shù)

鳳州水文站采用26GHz脈沖型雷達(dá)水位計(jì)。其工作原理為：雷達(dá)水位計(jì)發(fā)射脈沖信號(hào)，其脈沖信號(hào)以光速在空氣中傳播，遇到比測(cè)介質(zhì)表面，其部分能量被反射回來(lái)，被同一天線(xiàn)接收；發(fā)射脈沖與接收脈沖的時(shí)間差與其傳播距離成正比，進(jìn)而確定傳播距離，可以計(jì)算出水位，在保證測(cè)驗(yàn)精度的前提下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集、傳輸、存儲(chǔ)。26 GHz脈沖型雷達(dá)水位計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 26GHz脈沖型雷達(dá)水位計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)

3 資料分析

3.1 分析依據(jù)

根據(jù)《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50138-2010）6.2自記水位計(jì)的比測(cè)中第6.2.1條規(guī)定：新安裝的自記水位計(jì)或改變儀器類(lèi)型時(shí)應(yīng)進(jìn)行比測(cè)。其比測(cè)綜合不確定度、系統(tǒng)誤差標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）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）機(jī)械鐘、石英鐘的走時(shí)日誤差不超過(guò)±5 min。

根據(jù)規(guī)范E.0.6采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)水位時(shí)，其系統(tǒng)誤差及不確定度應(yīng)按下列方法估算：

a.系統(tǒng)不確定度

式中：Pyi為自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位；Pi為人工校測(cè)水位；N為校測(cè)次數(shù)。b.隨機(jī)不確定度

c.綜合不確定度

3.2 資料選用

根據(jù)《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50138-2010) 6.2自記水位計(jì)的比測(cè)中第6.2.1條規(guī)定：比測(cè)可按水位分幅、分階段分別進(jìn)行，每階段比測(cè)次數(shù)應(yīng)在30次以上。

本次比測(cè)分析選用2017年6月、7月、8月該站雷達(dá)水位計(jì)采集的數(shù)據(jù)和同期人工觀測(cè)水位數(shù)據(jù)。

根據(jù)2016年6月、7月、8月同步觀測(cè)的水位觀測(cè)數(shù)據(jù)，得出水位對(duì)比過(guò)程線(xiàn)，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 鳳州水文站平水期人工與自記水位過(guò)程對(duì)比圖

圖2 鳳州水文站洪水期人工與自記水位過(guò)程對(duì)比圖

4 計(jì)算分析與評(píng)定

根據(jù)水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50138-2010）,比測(cè)結(jié)果應(yīng)符合置信水平95%的綜合不確定度應(yīng)為3 cm，系統(tǒng)誤差應(yīng)為±1 cm；波浪問(wèn)題在本次分析數(shù)據(jù)均為石英鐘觀測(cè)計(jì)時(shí)，誤差精度均在±0.5 min/日，滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)時(shí)差的要求。平水期、洪水期比測(cè)結(jié)果誤差計(jì)算表見(jiàn)表1、表2（突出的近海地區(qū)水位站，綜合不確定度可放寬至5 cm）。

表1 平水期比測(cè)結(jié)果誤差計(jì)算表

表2 洪水期比測(cè)結(jié)果誤差計(jì)算表

5 結(jié)論

結(jié)果表明：平水期綜合不確定度0.0082 cm、系統(tǒng)誤差-0.293 cm；洪水期綜合不確定度0.07 cm、系統(tǒng)誤差-0.11 cm符合置信水平95%的隨機(jī)不確定度3 cm的要求，系統(tǒng)誤差符合±1cm的限差要求。

從雷達(dá)水位計(jì)記錄資料和人工觀測(cè)水位數(shù)據(jù)的比測(cè)分析結(jié)果可以看出，該站雷達(dá)水位計(jì)觀測(cè)精度符合水位觀測(cè)規(guī)范的要求，該水位計(jì)在各種環(huán)境條件下工作狀態(tài)穩(wěn)定、可靠，可以替代人工觀測(cè)的水位數(shù)據(jù)。在以后的工作中要加強(qiáng)對(duì)水位計(jì)的保養(yǎng)和維護(hù)，使之在水文現(xiàn)代化進(jìn)程中發(fā)揮更大的作用。