狀頭（四）水文站雷達水位計與人工觀測水位對比分析

廖 莎

（陜西省水文水資源勘測局,陜西 西安 710068）

0 引言

狀頭（四）站位于蒲城縣永豐鎮(zhèn)蔡村洛河橋邊，東經(jīng) 109°50'，北緯 35°00'，流域面積 25 645 km2，距河口里程130 km。1933年設(shè)立，狀頭（四）站為北洛河下游控制站，國家重要水文站。主要任務(wù)是收集北洛河下游段水文特征，掌握北洛河水量、水質(zhì)、沙量變化規(guī)律。為開發(fā)利用北洛河水利資源提供科學(xué)依據(jù)，為北洛河下游及三門峽庫區(qū)防汛提供雨水情報、預(yù)報，為洛惠渠灌溉管理計劃用水服務(wù)。

1 水文特性

狀頭（四）站距河口里程130 km。多年平均降雨量為555 mm，森林覆蓋率25.3%，屬暖溫帶大陸性半干旱季風氣候，年平均氣溫13.3 ℃。

狀頭（四）站調(diào)查最大洪峰流量10 700 m3/s（1855-7-29），實測最高洪水位 377.15 m（1994-9-1，人工觀測），最大洪峰流量6 280 m3/s（1994-9-1水位推求，也是建站以來最大流量），實測最大流量 6 140 m3/s（1994-9-1，相應(yīng)水位 377.12 m，浮標），實測最大含沙量1 190 kg/m3（1950-8-31，相應(yīng)流量 365 m3/s，積點法），多年平均徑流量 8.32×108m3，多年輸沙量9 380×104t，多年平均降水量478 mm，多年平均蒸發(fā)量1 643 mm。

2 測驗河段概況

該站測驗河段比較順直，下游約210 m處有一“C”形彎道，左岸上游340 m處有大浴河匯入。卵石、沙質(zhì)河床，左岸為沙土臺階，右岸為河卵石組成陡坡，河床沖淤變化較大，斷面控制差?；舅邤嗝嫔嫌?00 m處有西禹大橋兩座（一座舊橋，已廢棄；一座為新橋，正在使用）、中高水有阻水現(xiàn)象。洪水主要來源于交口河站以上干流，洪峰多為單式峰，峰形尖瘦。水位-流量關(guān)系多呈繩套曲線。中、低水中泓位置在起點距125 m左右，高水在105 m左右。中、低水受上游大峪河匯入產(chǎn)生異流影響，流速橫向分布偏左岸；受縱斷面凹形影響，流速縱向不穩(wěn)定。

測驗斷面設(shè)有上、中、下3個測驗斷面，基本水尺斷面兼浮標中斷面及流速儀測流斷面，上、下浮標斷面間距180 m，上浮標斷面兼上比降斷面，下比降斷面距基本斷面110 m，基本斷面架設(shè)有開口式吊箱鉛魚纜道，用于高、中、低水流量、泥沙的測驗，基本尺斷面上游100 m處公路大橋用于特殊水情時浮標法測流。

距基本水尺斷面起點105 m處建雷達水位塔1座，安裝有雷達波水位計1套，是本次使用的自記水位計。

3 儀器設(shè)備

3.1 自記水位計設(shè)備

狀頭水文站雷達水位監(jiān)測系統(tǒng)主要由雷達水位計探頭，水位遙測終端，安裝支架，供電系統(tǒng)，傳輸系統(tǒng)及配件組成。雷達水位計其水位是儀器測得的雷達波往返于傳感器到水面之間的時間，乘以光速得到距離，再用傳感器安裝高程減去其所測至水面的距離即得水位。水位計安裝經(jīng)過專業(yè)技術(shù)人員測試，安裝穩(wěn)固，滿足測驗技術(shù)要求。

3.2 人工觀測水位設(shè)備

人工水位觀測，主要是利用該站設(shè)立的直立式水尺觀測水位。觀測人員直接在水尺上讀取水尺讀數(shù)計算水位，在水位記錄表中填記數(shù)據(jù)。人工觀測水位的時間及觀測次數(shù)主要是依據(jù)《測驗任務(wù)書》及《水位觀測標準》執(zhí)行，以完全滿足掌握水位變化過程為原則。觀測時間采用石英鐘觀測計時，誤差精度在±0.5 min/日內(nèi)，完全滿足規(guī)范對時差的要求，分析中不再考慮比測的時間誤差。

4 比測分析緣由及資料選用

4.1 水位比測分析的緣由

由于自記水位計與人工觀測水位的設(shè)施設(shè)備在實際運行中觀測方法及外界環(huán)境因素復(fù)雜多變，都可能給水位觀測帶來一定的誤差。對比分析正是為了消除水尺零點高程測量的不確定系統(tǒng)誤差、水尺刻畫的不確定系統(tǒng)誤差、水尺觀讀的隨機誤差以及雷達水位計安裝的不穩(wěn)定性、零點高程及有關(guān)參數(shù)設(shè)置后外界因素隨后的變化影響，水位測量值的不確定性。因此，為了消除自記水位計與人工觀測數(shù)據(jù)之間的誤差，為采用自動監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測水位奠定基礎(chǔ)。需通過分析自動監(jiān)測水位的系統(tǒng)不確定度及隨機不確定度來確定自記水位設(shè)備的合格性。

4.2 水位比測分析的資料選用

2019年該站從8～9月實行的人工與自記同步比測觀測工作，從全年資料運行來看，自記水位計記錄運行基本正常。為滿足資料分析及水位觀測標準要求，本次分析分別從全年資料中選用了具有代表性的8、9月份水位對比觀測資料，進行人工基本水尺水位觀測數(shù)據(jù)與雷達水位計水位觀測數(shù)據(jù)對比分析。

5 水位比測分析的依據(jù)

（1）依據(jù) GB/T 50138-2010《水位觀測標準》，比測結(jié)果需符合置信水平95%的綜合不確定度應(yīng)為3 cm，系統(tǒng)誤差應(yīng)為±1 cm。

（2）依據(jù)SL 61-1015《水文自動測報系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》第5.3.2.4條b）水位計及本站安裝的水位計精度參數(shù)：水位監(jiān)測傳感器分辨率為0.1 cm或1.0 cm的水位計，水位變幅大于10 m時，量程95%的測點允許誤差不大于全量程的±0.3%。選用的水位計準確度、靈敏度、回差、重復(fù)性誤差應(yīng)滿足GB/T 27993-2011的要求。水位計測量準確度符合水位計準確度等級允許誤差的規(guī)定（95%置信度）。則認為自記水位計符合該規(guī)范要求，該水位計試用合格。

（3）依據(jù)SL 61-1015《水文自動測報系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》第5.3.2.5條之規(guī)定，水位計的系統(tǒng)可靠性和設(shè)備可靠性也必須滿足：

1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集的月平均暢通率應(yīng)達到98%以上，數(shù)據(jù)處理作業(yè)的完成率應(yīng)大于95%，數(shù)據(jù)存儲的差錯率不高于0.01%；

2）系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的暢通率宜達到99%以上。

6 評定方法

根據(jù)規(guī)范E.0.6采用自動監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測水位時，其不確定度應(yīng)按下列方法估算：

6.1 系統(tǒng)不確定度

式中Pyi—自記監(jiān)測水位；Pi—人工校測水位；N—校測次數(shù)。

結(jié)果為2%。

6.2 隨機不確定度

結(jié)果為8.3%。

6.3 綜合不確定度

結(jié)果為8.5 cm。

7 分析評定

（1）依據(jù)GB/T 50138-2010《水位觀測標準》通過比測計算分析，比測結(jié)果置信水平95%的綜合不確定度為8.5 cm＞5 cm，系統(tǒng)誤差為-2.0 cm＞±1 cm。

（2）依據(jù)《水文自動測報系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》第5.3.2.4條b）本站水位計及本站安裝的水位計水位監(jiān)測傳感器分辨率為1.0 cm，水位變幅13 m時，量程98.6%的測點允許誤差大于全量程的±0.3%。不滿足95%的測點允許誤差不大于全量程±0.3%的要求。通過數(shù)據(jù)比對計算，認為自記水位計不符合規(guī)范該項要求，認為該水位計需繼續(xù)進行比測。

（3）依據(jù)SL 61-1015《水文自動測報系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》第5.3.2.5條之規(guī)定，水位計的系統(tǒng)可靠性和設(shè)備可靠性滿足以下要求：

1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集的月平均暢通率達到了99%以上，數(shù)據(jù)處理作業(yè)的完成率達到98.4%，數(shù)據(jù)存儲的差錯率小于0.01%；

2）系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的暢通率達到99.5%以上。

從比測結(jié)果可以看出，自記水位計的觀測數(shù)值和人工觀測數(shù)值均符合水位觀測規(guī)范要求，綜合不確定度的最大值為8.5 cm＞5 cm；系統(tǒng)誤差最大值2 cm大于規(guī)范規(guī)定的±1 cm誤差范圍，不符合置信水平95%的誤差要求。通過計算分析，狀頭（四）站雷達水位計需繼續(xù)進行比測分析。

8 結(jié)論

通過該站選用的8月、9月雷達自記水位計資料與人工觀測水位對比（水位變幅361.30 ～362.94 m，比測次數(shù)321次）資料分析，該站的系統(tǒng)誤差和隨機誤差均不滿足規(guī)范對雷達水位計的使用要求。說明本站使用的雷達水位計，觀測精度不符合規(guī)范要求。該站的雷達水位計需繼續(xù)進行比測分析。