雷達記錄水位與人工觀測水位比測分析

寇 力

（阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836500）

1 流域及測站概況

位于新疆阿勒泰地區(qū)的烏倫古河流域主要由發(fā)源于阿勒泰山東南段的大青格里河、查干郭勒河等以及發(fā)源于阿爾泰山北段的布爾津河匯聚而成，最終匯入烏倫古湖，烏倫古湖是新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi)第二大淡水湖。流域遠離海洋，地處歐亞大陸腹地，周圍高山環(huán)繞，既阻擋了水汽的進入，又通過攔截水汽，使流域成為天然產(chǎn)流區(qū)，徑流出山口以下散失。流域冬季結冰封凍長達半年之久，流域內(nèi)凍土層以下地下水進行流域水量補給，夏季到來氣溫上升，積雪消融匯入河槽，引發(fā)春汛。塔克什肯水文站位于青河縣塔克什肯鎮(zhèn)烏倫古河流域布爾津河水系，該水文站于1987 年以國際河流國家基本水文測站、中央報汛站的標準設立，主要進行流域水位、蒸發(fā)、流量、降水、水質(zhì)等要素的日常觀測，其觀測數(shù)據(jù)資料是進行烏倫古河流域水文水資源特征評價及水文演變規(guī)律研究的基本依據(jù)。塔克什肯水文站水位～流量關系曲線變化形式單一，斷面控制良好，河道順直。

2 測驗設施及比測資料

2.1 測驗設施及方法

水準點的設置是進行水位觀測的基本要求，結合流域特征，塔克什肯水文站共設置2 個基本水準點，能滿足不同水位觀測之所需，主要配備有直立式基本水準尺、水文雙軌纜車、起點距標志、LS251 型流速儀、水準儀、浮標、秒表，并于2014 年在水文站基本斷面右岸設置了雷達水位計。雷達水位計為一體式測量用具，無需觸碰，通過脈沖技術原理伸入表層水位便可測得相應的水位數(shù)據(jù)，還能克服水溫變化影響，通過前方設置的天線完成水位觀測數(shù)據(jù)的接收和反饋，確保水位觀測工作順利進行。

塔克什肯水文站汛期水位測量采用直立式基本水準尺分4 段進行觀測，汛期水位變化劇烈的情況下，為保證各次峰谷及完整的水位變化過程均能得到測量，應采用多段制測量模式并增加測次，擴大測量區(qū)域，縮短測量時間，從而進行水位變化更具體的顯示。水位變化是相對的，水位測量的結果也只是特定時間段情況的反映，為確保觀測結果的準確性，必須因地制宜，根據(jù)氣候狀況、區(qū)域環(huán)境等選擇合適的測量方法[1]。

2.2 水位數(shù)據(jù)資料

選取塔克什肯水文站2017 年12 月12 日～2018 年11 月30 日雷達水位計和人工同步觀測的780 組水位數(shù)據(jù)資料進行比測分析，其中有效數(shù)據(jù)為752 組，有效率達96.41%，包含高水位、中水位和低水位。

2.3 雷達記錄水位與人工觀測水位相關性分析

根據(jù)塔克什肯水文站水文數(shù)據(jù)資料繪制雷達水位觀測值與人工水位觀測值相關關系曲線，具體見圖1，R2=0.9880，雷達觀測水位與人工觀測水位相關性較高，雷達水位觀測值具有較高精度，也就是說塔克什肯水文站雷達水位觀測資料能代替人工觀測作為正式水文資料使用，確保工作效率的提高。水文站雷達觀測水位與人工觀測水位數(shù)據(jù)樣本容量及符號檢驗結果也都符合《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012），說明雷達水位監(jiān)測技術和人工水位觀測技術對于水文站水位檢測同樣適用，兩種方法配合使用效果更佳。

圖1 雷達記錄水位與人工觀測水位關系曲線

3 雷達記錄水位誤差分析

3.1 水位級別劃分

按照《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）所規(guī)定的河流流量檢測級別劃分依據(jù)，以年內(nèi)瞬間最高水位頻率為依據(jù)，流量頻率達10%的階段對應高水位；以年內(nèi)瞬間最低水位頻率為依據(jù)，流量頻率達90%對應低水位；以每年瞬間平均水位頻率為依據(jù)，流量頻率50%對應中水位[2]。據(jù)此進行烏倫古河流域塔克什肯水文站水位級別劃分，見表1。

表1 塔克什肯水文站水位級別劃分

雷達水位計水位與人工觀測水位對比情況見圖2。

圖2 雷達水位計水位與人工觀測水位對比

由表1 塔克什肯水文站水位級別劃分以及雷達水位計水位與人工觀測水位對比圖可以得出觀測期內(nèi)烏倫古河流域所處的水位級別。此外，塔克什肯水文站雷達水位觀測與人工同步水位觀測結果接近且無明顯偏離，符合《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）的要求。

3.2 雷達水位計誤差分析

由于觀測人員視力等主觀原因以及天氣狀況、標識設置、遮光因素、波浪壅水、觀測時間、讀數(shù)錯誤等客觀原因，人工觀測水位必然存在誤差，所以，實際水文測量過程中，大多會選擇雷達水位觀測技術，以減少人工觀測可能出現(xiàn)的誤差。但雷達水位觀測結果也受諸多因素影響。雷達水位計觀測會受到不定期水位計等設備檢修而造成讀數(shù)誤差甚至錯誤。此外，由于部分流域缺乏置辦雷達水位觀測設備的資金和維護管理技術人員，導致雷達水位觀測技術目前難以在這些流域推廣使用。雷達水位觀測設備往往只能觀測而不能計算，所以，只能作為人工水位觀測的輔助與補充，而無法完全取代。

按照《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）相關規(guī)定，使用雷達水位計進行水位自動監(jiān)測時，測量誤差及不確定度應按照以下步驟進行估算：

（1）計算系統(tǒng)不確定度Xy"

式中：Pyi為雷達水位計自動觀測水位，m；Pi為人工觀測水位，m；N 為觀測次數(shù)。

（2）計算隨機不確定度Xy'

（3）計算綜合不確定度XZ

表2 塔克什肯測站雷達水位計水位觀測不確定度

根據(jù)烏倫古河流域塔克什肯水文觀測資料，塔克什肯測站雷達水位計水位觀測的系統(tǒng)不確定度、隨機不確定度、綜合不確定度等計算結果見表2。

根據(jù)上表結果可以看出，在無波浪、一般波浪、大波浪等水位級次下，塔克什肯水文站雷達水位計水位觀測結果的系統(tǒng)不確定度、隨機不確定度及綜合不確定度等數(shù)據(jù)精度均能達到《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）的要求，表明其水位觀測結果誤差在可接受范圍，雷達水位觀測資料完全可以作為正式資料對人工水位觀測結果起到輔助與補充作用，并可直接用于塔克什肯水文站水文資料的整編。

為防止雷達水位計雷達探頭出現(xiàn)故障而導致水位監(jiān)測資料無效或丟失，應在暢流期每日上午8 時整進行人工水位觀測，將觀測結果與雷達觀測數(shù)據(jù)進行比較并用人工觀測水位進行雷達觀測水位的校核，若發(fā)現(xiàn)的確是雷達水位計存在故障，則應采用人工觀測水位法，直至雷達水位計水位觀測精度恢復。此外，還應加強對雷達水位計的日常養(yǎng)護，每天進行塔克什肯水文站雷達水位計運行及水位監(jiān)測情況的檢查，確保測流系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

4 結語

通過本文的分析可知，雷達水位觀測技術及觀測結果能成為人工觀測的必要補充，甚至隨著雷達水位觀測技術的發(fā)展，有逐漸取代人工觀測的趨勢。雖然當前不同流域、不同氣候條件及地理環(huán)境下所采用的水位觀測技術有所不同，但從安全性和效率性等角度考慮，雷達水位觀測技術的應用必將取代人工觀測，這也對雷達觀測技術本身的適用性和精確性提出了更高要求。