高灘水文站雷達水位計與人工觀測水位比測分析

張甲棟

（陜西省水文水資源勘測局，陜西 西安710068）

1 測站概況

高灘水文站為國家重點水文站，位于陜西省紫陽縣高灘鎮(zhèn)，海拔高程359 m。高灘水文站是漢江中游一級支流任河的控制站，控制集水面積3588 km2，距河口距離27 km。測驗項目包括：水位、流量、泥沙、泥顆、降水、蒸發(fā)。測站擔(dān)負著向國家防總、長江委、省防總、湖北防總等單位的報汛任務(wù)，承擔(dān)著紫陽縣城及下游地區(qū)的防汛任務(wù)。

高灘水文站測驗河段基本順直，呈“U”型河槽，河床為沙卵石組成，沖淤變化不大。斷面以上400 m處有1灣道，基上157 m處有公路大橋1座，基下230 m處有1石梁，對河床均起控制作用。測驗河段布設(shè)有上、中、下浮標斷面，浮標、比降斷面重合，上下浮標斷面間距200 m。該站實測最高水位355.97 m，最低枯水位為350.50 m。

2 雷達水位計性能

雷達自記水位計自動測量儀器測試精度高、且在水位測量過程中不需要和待測水面接觸、僅需發(fā)射和接受從水面所傳遞的雷達波便可完成水位測量，因而測量儀器不會遭受待測水體水質(zhì)、污泥、水生植物等的污染與影響。根據(jù)發(fā)達國家及國內(nèi)一些自動化程度較高測站的實踐經(jīng)驗，雷達自記水位計水情自動監(jiān)測采集系統(tǒng)比傳統(tǒng)的浮子式水位計、壓力式水位計具有更好的穩(wěn)定性、可靠性和更高的數(shù)據(jù)測量精度，其對水位數(shù)據(jù)測量的高精度與當(dāng)前較為流行的超聲波式水位計大致相當(dāng)。對于雷達自記水位計施測過程中所面臨的水體波動進而影響觀測精度的問題，一般通過增加前置CPU裝置替換原有的放浪桶，以提升采集速度、增強信號處理及分析計算精度并通過軟件程序的應(yīng)用消除誤差。雷達自記水位計在消除水體波動誤差方面比超聲波水位計更具有優(yōu)勢，超聲波水位計在水體波動的影響下其測量精度受溫度、蒸汽、空氣流動的影響較大。

雷達水位計還具有較強的抵抗外界環(huán)境溫度、風(fēng)力風(fēng)向、蒸汽等干擾的能力，安裝、維護及使用過程也極為方便。該水位傳感器能實現(xiàn)24 h全天候工作，在運用微波反射原理的情況下，有很強的抗干擾能力；水位觀測數(shù)值的可靠度可達5 mm；且儀器在施測過程中完全非接觸型測量，故不存在機械磨損；測量過程與結(jié)果也不受水質(zhì)因素及浮冰等漂浮物的影響；其技術(shù)指標見表1。

表1 雷達水位計技術(shù)指標

3 比測資料相關(guān)性分析

高灘水文站雷達水位計和人工觀測水位比測分析主要選擇2019年1月1日～12月31日兩種觀測方式同步觀測的750組水位資料，其中有效數(shù)據(jù)720組?；谒占降乃挥^測資料繪制高灘水文站雷達水位計和人工觀測水位過程線（見圖1），由圖1可見，該測站兩種觀測方式下水位變化趨勢較為接近且無明顯偏離，其變動趨勢完全符合《水利水電建設(shè)工程驗收規(guī)程》（SL 223-2008）所規(guī)定的范圍［1］。

圖1 高灘水文站雷達水位計和人工觀測水位過程線

運用OriginPro8.5.1進行所收集的720組有效觀測數(shù)據(jù)的線性擬合，關(guān)系曲線見圖2，擬合結(jié)果表明，R2=0.9927，表明高灘水文站雷達水位計和人工觀測水位相關(guān)性較好，且雷達觀測結(jié)果精度較高。所以，雷達觀測資料可代替人工水位觀測成為該測站正式水文資料使用。

圖2 雷達水位計與人工觀測水位關(guān)系曲線

根據(jù)對2019年高灘水文站雷達水位計與人工觀測水位關(guān)系曲線的檢驗，樣本容量720，其中正號（即雷達水位計觀測水位＞人工觀測水位）個數(shù)354個，符號檢驗結(jié)果為0.98，顯著水平α=0.25允許1.15，檢驗結(jié)果合格；適線檢驗結(jié)果為免檢；偏離數(shù)值檢驗，顯著水平α=1.10允許1.76，檢驗結(jié)果合格。隨機不確定度、標準差和系統(tǒng)誤差均為0，檢驗結(jié)果完全符合《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）的規(guī)定［2］，所以高灘水文站雷達水位觀測完全可以代替人工觀測。

4 比測誤差分析

4.1 劃分水位等級

按照《河流流量測驗規(guī)范》（GB 50179-2015），當(dāng)年瞬時最高水位頻率取10%，為高水位，而當(dāng)年瞬時最低水平頻率取90%則對應(yīng)低水位，當(dāng)年瞬時頻率取50%則對應(yīng)中水位［3］。所以將高灘水文站2010年～2019年水情變動過程分為四個時段，水位Z≥354.8 m的高水期；354.8 m＞Z≥354.0 m的中水期；354.0 m＞Z≥352.5 m的低水期及Z＜352.5 m的枯水期。按照《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）的要求，自記水位計在比測的過程中應(yīng)當(dāng)根據(jù)水位變動幅度劃分不同測段并施測，且各段比測次數(shù)不小于30次。所以，本文在選取雷達水位計和人工同步觀測資料時應(yīng)按照大波浪、一般波浪、無波浪三種情況分別選取至少30次水位觀測資料。

4.2 雷達水位計觀測誤差

在測站水位人工觀測過程中可能因為測量人員個人主觀原因、壅水及波浪影響、時間不準、讀數(shù)代表性差等原因而產(chǎn)生觀測誤差。為盡可能降低誤差，測量人員應(yīng)當(dāng)半蹲以使視線盡可能與待測水面齊平；若水面有波浪，則應(yīng)待水面恢復(fù)平靜后再測或讀取峰谷和峰頂水位數(shù)據(jù)并求取平均值；若阻水影響水尺水位時，應(yīng)待阻水因素排除后再測，并增加測量次數(shù)，通過求取平均值以控制測量誤差。

按照《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）觀測標準的相關(guān)要求，雷達自記水位和人工觀測水位比測系統(tǒng)誤差應(yīng)不大于±1 cm、95%置信水平下綜合不確定度應(yīng)不大于3%［4］，雷達水位計量程可達30 m，而量程超出15 m后，比測綜合誤差會達到3 cm；本次比測分析中波浪問題均為石英鐘觀測計時，誤差精度控制在±0.5 min/d，符合規(guī)范要求。

式中：di為比測偏差；xci為雷達水位觀測值；xsi為人工水位觀測值；d為比測偏差均值；s（di）y為比測偏差標準差。

水位觀測真值取x0，隨機誤差為Δ，系統(tǒng)誤差為ε，則雷達水位觀測值為xc=x0+Δc+εc，人工水位觀測值為xs=x0+Δs+εs。

根據(jù)以上分析，可得：

當(dāng)系統(tǒng)誤差εs=0時，按照高水位（大波浪）、中水位（一般波浪）和低水位（無波浪）進行雷達水位觀測系統(tǒng)誤差εc的計算，具體結(jié)果見表2。

4.3 雷達水位不確定度

按照規(guī)范GB/T 50138-2010的要求，在進行測站水位自動觀測過程中，觀測結(jié)果的不確定程度按照以下過程進行估算：

式中：Xy"為系統(tǒng)不確定度；Pyi為水位自動觀測值；Pi為水位人工觀測值；N為觀測次數(shù)；Xy"為隨機不確定度；Xz為綜合不確定度。

根據(jù)表2對高灘水文站雷達水位的計算結(jié)果可知，高灘水文站在低水位（無波浪）、中水位（一般波浪）、高水位（大波浪）等水位等級下雷達水位計觀測水位的不確定度、隨機不確定度、綜合不確定度、綜合誤差均符合GB/T 50138-2010規(guī)范要求。

表2 高灘水文站雷達水位計和人工水位觀測不確定度結(jié)果匯總

5 結(jié)論

本文比測分析結(jié)果表明，高灘水文站雷達水位計水位觀測資料精度符合GB/T 50138-2010規(guī)范中對水文觀測精度的要求，對雷達水位計和人工水位觀測結(jié)果推算徑流量誤差也符合規(guī)范要求，且雷達水位計在各種比測環(huán)境下性能狀態(tài)穩(wěn)定可靠。所以，本測站雷達水位計水位觀測資料完全可代替人工觀測并直接應(yīng)用于該測站水文資料整編領(lǐng)域。該測站也應(yīng)將雷達水位計作為常規(guī)性水文觀測設(shè)備，如遇雷達水位計故障，為保證水文觀測序列的連續(xù)性，應(yīng)及時恢復(fù)人工觀測，暢流期人工水位觀測應(yīng)安排在每日上午8：00進行，并將觀測結(jié)果與雷達觀測結(jié)果進行比較與校核，避免因雷達探頭發(fā)生故障等原因造成水位觀測數(shù)據(jù)無效或丟失。在雷達水位計出現(xiàn)故障并恢復(fù)人工觀測的情況下，應(yīng)在每次測流過程中根據(jù)人工水位觀測結(jié)果進行雷達水位校測。與此同時，還應(yīng)加強高灘水文站雷達水位計的日常養(yǎng)護，并通過陜西省中小流域水文監(jiān)測系統(tǒng)進行該測站雷達水位計日常運行情況的每日檢查與監(jiān)測。