樂都水文站雷達(dá)水位計(jì)應(yīng)用分析

青海省水文水資源測報(bào)中心 馬桂芳

一、測站基本情況及儀器介紹

（一）測站情況

樂都水文站位于青海省海東市樂都區(qū)碾伯鎮(zhèn)下教場村，地理位置東經(jīng)102°25′，北緯36°29′，測站編碼40400550，距河源245km，距河口129km。樂都水文站是國家重要水文站、中央報(bào)汛站，湟水中游干流控制站。

（二）對比條件介紹

人工觀測水尺和雷達(dá)水位計(jì)均位于河道右岸，基本水尺斷面共設(shè)水尺5支，水尺與雷達(dá)水位計(jì)都在基本水尺斷面?；舅咚环茄雌诓捎枚沃朴^測,水位變化急劇或結(jié)冰、流冰、發(fā)生冰凌堆積、冰塞時(shí)增加測次并及時(shí)除冰；汛期水位無較大變化時(shí)采用四段制觀測, 水位變化較大時(shí),采用八段制觀測，水位變化急劇時(shí)，需要隨時(shí)增加測次，保證能測得各次水位峰、谷的完整過程。

（三）儀器介紹

雷達(dá)水位計(jì)是一款非接觸式雷達(dá)液位計(jì)，采用脈沖雷達(dá)技術(shù)對水位進(jìn)行測量，利用這種高效穩(wěn)健的雷達(dá)技術(shù)，加上節(jié)能，非接觸式的測量技術(shù)使得雷達(dá)水位計(jì)在測量時(shí)不受溫度梯度、水中污染物以及沉淀物的環(huán)境影響，可以獲取精確的測量結(jié)果。

雷達(dá)水位計(jì)實(shí)現(xiàn)了每秒約16次的獨(dú)立測量，在完成一個(gè)測量周期之后將通過計(jì)算獲得的平均值作為結(jié)果輸出，通過計(jì)算平均值將波動(dòng)對測量結(jié)果的影響最小化，這樣的測量結(jié)果可以堪比靜水井中測的液位值。雷達(dá)水位計(jì)極低的能耗（測量狀態(tài)：12V時(shí)最大電流為12mA）、寬廣的供電范圍以及標(biāo)準(zhǔn)化的接口使得雷達(dá)水位計(jì)能適應(yīng)多種需求，量程達(dá)0.8-35m。

雷達(dá)水位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：一是雷達(dá)水位計(jì)的傳感器測量屬非接觸型測量，與水質(zhì)無關(guān)，可以在不需要水位井，測量成果精度高；二是可以實(shí)現(xiàn)較長時(shí)間無人值守，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，且不需要太多的日常維護(hù)；三是易安裝，通過發(fā)射到水面的雷達(dá)脈沖信號(hào)來進(jìn)行測量的，因此他可以垂直安裝在水面之上，比如：橋或其他輔助建筑上，其堅(jiān)固、輕質(zhì)以及防水外殼使其安裝起來非常簡便，由于有通用連接設(shè)備（萬向懸掛架），因此探頭可以很簡便的對齊，甚至在不平整的地方也很方便；遠(yuǎn)離水面的傳感器，使得安裝更為安全；無機(jī)械磨損，壽命長，測量成本低；四是測量過程對水流無影響，可連續(xù)在線采集數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)傳輸。缺點(diǎn)：在封凍期需要破冰測量。

二、應(yīng)用分析

（一）資料選取

在比測過程時(shí)，按高、中、低水位級(jí)分三個(gè)測段分別進(jìn)行，每段比測取得一個(gè)月以上連續(xù)完整的比測數(shù)據(jù)。其中高水位選用8月17日至9月17日、中水位選用7月1日至7月30日、低水位選用3月1日至3月31日，摘錄每日早8時(shí)水位同步觀測（資料見附表1），水位比測數(shù)據(jù)共94個(gè)。

（二）數(shù)據(jù)分析

1.套繪水位過程線分析

以時(shí)間為橫坐標(biāo)，水位為主縱坐標(biāo)，套繪自記水位計(jì)和人工觀測水位過程線，由套繪的水位過程線對自記水位計(jì)與人工同步觀測的水位趨勢一致性進(jìn)行分析。以人工觀測值為真值，計(jì)算自記水位計(jì)與人工觀測水位的絕對誤差，在同一張圖上，以絕對誤差作為次縱坐標(biāo)軸繪制絕對誤差柱狀圖（如圖1所示），分析絕對誤差與水位變化過程的關(guān)系。由以上的水位對比圖可以看出，樂都站雷達(dá)和人工同步觀測的高、中、低水位沒有明顯的偏離，趨勢一致。

圖1 樂都站人工水位與自記水位高水位過程線套繪及絕對誤差分析圖

2.水位的相關(guān)性分析

縱坐標(biāo)以同一時(shí)刻雷達(dá)水位計(jì)的觀測水位，橫坐標(biāo)為人工觀測水位建立相關(guān)分析圖(如圖2所示)，同時(shí)繪制一條y=x趨勢線。從圖2可以看出樂都站關(guān)系線的斜率為1.000，說明該站雷達(dá)水位和人工水位相關(guān)性較好。

圖2 水位相關(guān)性分析圖

3.瞬時(shí)誤差分析

比測分析采取摘錄每日8時(shí)的人工與自記水位數(shù)據(jù)，以人工觀測值為真值，絕對誤差不超過±2cm為合格，按高、中、低水位級(jí)分別進(jìn)行合格率統(tǒng)計(jì)。（如表1所示）

表1 樂都站自記水位計(jì)絕對誤差統(tǒng)計(jì)表

表2 樂都站自記水位計(jì)系統(tǒng)誤差、綜合不確定度統(tǒng)計(jì)表

水位級(jí)樣本總數(shù) ±2cm以內(nèi)樣本數(shù)±2cm以外樣本數(shù)最大絕對誤差（cm） 合格率（%）

高 水（z≥ 1969.49m） 31 3 0 2 100

中 水（1969.49m＞z≥1969.17m）31 9 0 2 100

低 水（1969.17m＞z≥1968.34m）32 10 0 2 100

合計(jì) 94 22 0 2 100

4.系統(tǒng)誤差、綜合不確定度計(jì)算

水位級(jí)系統(tǒng)誤差綜合不確定度

統(tǒng)計(jì)分析值允許值（cm） 評價(jià)統(tǒng)計(jì)分析值允許值（cm） 評價(jià)

高 水（z≥ 1969.29m） -0.06 ±1合格 1.00 3 合格

中水（1969.29m＞z≥1968.58m） 0.26±1 合格 1.93 3 合格

低水（1969.58m＞z≥1969.48m） 0.16±1 合格 1.6 3 合格

（三）誤差來源分析

自記水位計(jì)監(jiān)測和人工觀測水位時(shí)，由于觀測方法的不同及外部環(huán)境等一些影響因素，都可能帶來對水位觀測的誤差，這些誤差來源于各個(gè)方面。

（1）當(dāng)采用人工觀測水尺時(shí)，水尺的零點(diǎn)高程測量的系統(tǒng)誤差、水尺刻畫的系統(tǒng)誤差和水尺觀讀的隨機(jī)誤差。

（2）觀測員在觀測水位時(shí)折光產(chǎn)生的誤差；比測時(shí)差引起的誤差。

（3）水面波浪引起的誤差。

（4）人工觀測水尺與自記水位計(jì)探頭不在同一起點(diǎn)距位置而引起的誤差。

（5）自記水位計(jì)初始水位值高程設(shè)置誤差。

三、結(jié)論與建議

儀器比測高、中、低水的合格率達(dá)到了100%。根據(jù)比測分析結(jié)果得出雷達(dá)自記水位計(jì)在樂都水文站能夠代替人工觀測，可正式使用。

在使用雷達(dá)水位計(jì)過程中，注意定期檢查設(shè)備，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行，保證資料質(zhì)量高精度，增加對網(wǎng)頁以及服務(wù)器維護(hù)，及時(shí)對SIM卡繳費(fèi)，以保證數(shù)據(jù)可以完整不間斷地上傳至服務(wù)器，當(dāng)自記水位計(jì)出現(xiàn)故障不能正常使用時(shí)，及時(shí)恢復(fù)人工觀測，并修復(fù)自記設(shè)備。