阿勒泰地區(qū)雷達(dá)水位計(jì)的應(yīng)用及比測分析

阿依登別克·木拉提別克

(新疆阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836599)

水位是水文測站重要的水位觀測要素之一，其和流量、雨量觀測一致，具有長期性和連續(xù)性觀測的特點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)水位觀測方式主要為人工觀測以及浮子式水位計(jì)的方式，人工觀測水位計(jì)優(yōu)點(diǎn)受外界干擾較小，缺點(diǎn)在于人工水位觀測誤差分散劑不確定度高[2]。浮子式水位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)水位觀測，但缺點(diǎn)在于由于大都是機(jī)械式結(jié)構(gòu)，受雜物干擾容易卡住浮子，從而影響水位計(jì)的正常觀測[3]。近些年來，新型雷達(dá)水位計(jì)在新疆地區(qū)得到應(yīng)用，其通過雷達(dá)波反射原理進(jìn)行水位的測定，這種方式可實(shí)現(xiàn)水位自動(dòng)、快速測定[4]。為保證雷達(dá)水位計(jì)觀測數(shù)據(jù)的一致性和精確度，需要采用人工觀測方式進(jìn)行雷達(dá)水位計(jì)的比測分析，從而分析其雷達(dá)水位計(jì)的誤差是否滿足《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》GBT59138-2010的要求[5]。雷達(dá)水位計(jì)的比測分析在國內(nèi)一些水文測站中得到研究[6]，分析結(jié)果表明雷達(dá)水位計(jì)在低水位觀測精度受外界干擾大，而在中高水監(jiān)測基本能滿足精度要求。為提高雷達(dá)水位計(jì)在群庫勒水文站的應(yīng)用效果，開展其雷達(dá)水位計(jì)應(yīng)用和比測分析，研究成果對(duì)于雷達(dá)水位計(jì)在群庫勒水文站使用范圍具有重要參考意義。

1 水位觀測誤差統(tǒng)計(jì)方法

分別采用系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度以及標(biāo)準(zhǔn)差三個(gè)指標(biāo)作為雷達(dá)水位計(jì)和人工水位觀測比測試驗(yàn)的精度評(píng)價(jià)指標(biāo)，各指標(biāo)計(jì)算方程分別為：

(1)系統(tǒng)誤差

ΔN=∑[(Csi-Csci)/Csi]/(n-2)

(1)

(2)標(biāo)準(zhǔn)差

(2)

(3)隨機(jī)不確定度

(3)

(4)

2 雷達(dá)水位計(jì)比測分析

2.1 站點(diǎn)概況

新疆阿勒泰地區(qū)的群庫勒水文站為是額爾齊斯河一級(jí)支流布爾津河干流主要控制站點(diǎn)，站點(diǎn)所在流域在阿爾泰山脈及準(zhǔn)格爾盆地的的西南和北沿區(qū)域。群庫勒水文站所在測驗(yàn)河段的總長度為200 m，屬于寬淺型河槽，高水位時(shí)期河槽寬度可在80～120 m之間，河床及右岸由卵石、砂礫石組成，左岸為漿砌石護(hù)堤，沖淤變化一般較小，低枯水時(shí)。兩岸的水草較多，及時(shí)清除后對(duì)水位測驗(yàn)無影響。下游30 m有四孔公路橋，低水位時(shí)左岸約有30 m的灘地。水文站采用的雷達(dá)水位計(jì)型號(hào)為WFX-40型，站點(diǎn)最高水位為675.07 m。

2.2 原始比測誤差統(tǒng)計(jì)分析

選用群庫勒水文站2018年6-8月水位比測數(shù)據(jù)，該時(shí)期為群庫勒水文站的中高水位期，比測數(shù)據(jù)為282個(gè)，對(duì)不同時(shí)期的比測誤差進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。

表1 群庫勒水文站比測試驗(yàn)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從分析結(jié)果可看出，群庫勒水文站在中高水位時(shí)，比測水位誤差在±4 cm的次數(shù)為16次，出現(xiàn)的機(jī)率為5.67%，水位比測誤差在±3.5 cm的次數(shù)為25次，出現(xiàn)的機(jī)率為8.87%。比測誤差在±3.0 cm的次數(shù)為34次出現(xiàn)的機(jī)率為12.06%，而水位比測誤差在±2.5～±0.5 cm的次數(shù)分別在12～52次之間，出現(xiàn)機(jī)率介于4.26%～23.05%之間。中水位時(shí)比測系統(tǒng)誤差可控制2 cm，綜合不確定達(dá)到置信度95%的值為2.5 cm,高水位時(shí)比測系統(tǒng)誤差可控制1.5 cm，綜合不確定達(dá)到置信度95%的值為2.0 cm,隨著水位的增加其比測系統(tǒng)誤差和不確定度降低。按照《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》GBT50138-2010的誤差要求，WFX-40型雷達(dá)水位計(jì)在群庫勒水文站中高水位應(yīng)用時(shí)可滿足精度要求。

2.3 不同時(shí)間下的比測誤差統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)群庫勒水文站早上、晚間、汛期、枯期進(jìn)行了雷達(dá)水位計(jì)的比測分析，分析結(jié)果如表2所示。

表2 群庫勒水文站不同時(shí)間尺度的雷達(dá)水位計(jì)比測誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

按照《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》GBT50138-2010的誤差要求，雷達(dá)水位計(jì)比測試驗(yàn)其綜合不確定度在置信度為95%的水平下其值為3 cm，系統(tǒng)誤差應(yīng)控制在±1.0 cm的范圍內(nèi)，經(jīng)過不同時(shí)期的誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可看出，雷達(dá)水位計(jì)在群庫勒水文站綜合不確定度在置信水平95%下值為1.8 cm，系統(tǒng)誤差均小于±1.0 cm，可滿足水位觀測的要求。從不同時(shí)間尺度下的誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可看出，隨機(jī)誤差在±1.0 m和±1.5 cm的占比超過50%，而在±0.5 cm的隨機(jī)誤差的占比較低。不同水勢下隨機(jī)誤差均有所出現(xiàn)，但在落水段隨機(jī)誤差相對(duì)出現(xiàn)的機(jī)率較大。

2.4 誤差關(guān)系曲線分析

對(duì)群庫勒水文站雷達(dá)水位計(jì)和人工觀測值進(jìn)行相關(guān)性的檢驗(yàn)，分別對(duì)相關(guān)線進(jìn)行符號(hào)、偏離度以及適線的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 群庫勒水文站雷達(dá)水位計(jì)比測誤差關(guān)系曲線檢驗(yàn)結(jié)果

從相關(guān)線符號(hào)、適線以及偏離度的檢驗(yàn)結(jié)果可看出，各項(xiàng)檢驗(yàn)值均可達(dá)到合格水平，且均通過90%的檢驗(yàn)水平，群庫勒水文站雷達(dá)水位計(jì)的水位觀測值標(biāo)準(zhǔn)差為0.85%，表明可采用雷達(dá)水位計(jì)觀測的水位值代替人工觀測的水位值。

3 結(jié)語

(1)群庫勒水文站在中水位時(shí)比測系統(tǒng)誤差可控制2 cm，綜合不確定達(dá)到置信度95%的值為2.5 cm,高水位時(shí)比測系統(tǒng)誤差可控制1.5 cm，綜合不確定達(dá)到置信度95%的值為2.0 cm,隨著水位的增加其比測系統(tǒng)誤差和不確定度降低，因此雷達(dá)水位計(jì)適合于站點(diǎn)中高水位的水位觀測。

(2)從不同時(shí)間尺度下的誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可看出，隨機(jī)誤差在±1.0 m和±1.5 cm的占比超過50%，而在±0.5 cm的隨機(jī)誤差的占比較低。不同水勢下隨機(jī)誤差均有所出現(xiàn)，但在落水段隨機(jī)誤差相對(duì)出現(xiàn)的機(jī)率較大。