基于開(kāi)墾河水文站分析雷達(dá)水位計(jì)比測(cè)的可靠性分析

馬燕芝

（昌吉水文勘測(cè)局,新疆 昌吉 831100）

1 基本情況

開(kāi)墾河水文站設(shè)于1956年10月,地理位置：東經(jīng)89°51′、北緯43°36′,集水面積371 km2,河長(zhǎng)34 km,測(cè)站高程1509 m,屬省級(jí)重要水文站和中央報(bào)汛站,發(fā)源于天山東段北坡,徑流的主要補(bǔ)給源為大氣降水、中低山帶的季節(jié)性積雪融水、地下水以及高山冰川融水。開(kāi)墾河水文站為國(guó)家基本二類(lèi)水文站,Z≤1505.12 m,Q≤3.00 m3/s時(shí)為低水。1505.13 m＜Z≤1505.70 m,3.00 m3/s＜Q≤50.0 m3/s時(shí)為中水。Z＞1505.70 m,Q＞50.0 m3/s時(shí)為高水。

2 雷達(dá)水位計(jì)可靠性比測(cè)

雷達(dá)水位計(jì),也叫水位雷達(dá),是利用電磁波探測(cè)目標(biāo)的電子設(shè)備。其主要測(cè)量原理是從雷達(dá)水位傳感天線發(fā)射雷達(dá)脈沖,天線接收從水面反射回來(lái)的脈沖,記錄時(shí)間T,由于電磁波的傳播速度C是個(gè)常數(shù),從而得出到水面的距離D。

開(kāi)墾河（三）站雷達(dá)水位計(jì)架設(shè)在測(cè)驗(yàn)河道右岸,雷達(dá)探頭安裝在支架伸出的臂桿上,位于起點(diǎn)距8.0 m,基本水尺斷面上游5.0 m處。使用的雷達(dá)水位計(jì)是德國(guó)SEBA PULS雷達(dá)水位計(jì),是一種利用電磁波進(jìn)行水位測(cè)量專(zhuān)業(yè)水文儀器,由于電磁波的傳播速度不受溫度、濕度、氣壓、雨雪和風(fēng)沙等環(huán)境因素的影響,使得雷達(dá)水位計(jì)精度高、性能穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。

2.1 比測(cè)時(shí)段

為保證開(kāi)墾河站水位比測(cè)資料水位與時(shí)間變化的一致性,開(kāi)墾河水文站雷達(dá)水位計(jì)2019年7月5日完成安裝調(diào)試使用；比測(cè)工作從2020年4月1日開(kāi)始至9月30日結(jié)束,共收集比測(cè)數(shù)據(jù)382 組。

2.2 樣本數(shù)據(jù)

比測(cè)時(shí)段內(nèi),共收集到382 組水位比測(cè)數(shù)據(jù),水位變幅從1504.87 m到1505.57 m,見(jiàn)表1（因篇幅有限,表1僅截取部分?jǐn)?shù)據(jù)）。

表1 開(kāi)墾河站雷達(dá)水位計(jì)與人工觀測(cè)比測(cè)數(shù)據(jù)

續(xù)表1

2020年實(shí)測(cè)最大洪峰流量?jī)H為42.1 m3/s（7月13日）,對(duì)應(yīng)水位為1505.62 m,平均水深為0.81 m。根據(jù)開(kāi)墾河站流量級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),2020 年實(shí)測(cè)最大洪峰流量為中水,因此2020 年開(kāi)墾河站沒(méi)有高水出現(xiàn),本次比測(cè)水位數(shù)據(jù)僅有中水和低水水位。

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和水位（流量）級(jí)來(lái)看,比測(cè)數(shù)據(jù)共有382 組,其中：水位低于1505.12 m時(shí)為低水,屬于低水的數(shù)據(jù)有346 組,占總數(shù)據(jù)的90.58%,水位在1505.12 m~1505.70 m時(shí)為中水,屬于中水的數(shù)據(jù)有36 組,占總數(shù)據(jù)的9.42%。比測(cè)數(shù)據(jù)滿(mǎn)足《水位觀測(cè)規(guī)范》（GB/T 50138-2010）中“6.2.2比測(cè)時(shí),可按水位變幅分幾個(gè)測(cè)段分別進(jìn)行,每段比測(cè)次數(shù)在30次以上”的要求。

2.3 比測(cè)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)

根據(jù)《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）中附錄E.0.6采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)水位時(shí),其不確定度應(yīng)按下列方法估算：

（1）系統(tǒng)不確定度應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：Pyi為自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位；Pi為人工校測(cè)水位；N為校測(cè)次數(shù)。

（2）隨機(jī)確定度應(yīng)按下式計(jì)算：

（3）綜合不確定度按下式計(jì)算：

按照開(kāi)墾河（三）水文站水位級(jí)劃分依據(jù),分別對(duì)搜集的比測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行低水、中水、高水排序分類(lèi),并對(duì)分組數(shù)據(jù)的系統(tǒng)不確定度、隨機(jī)不確定度、綜合不確定度進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 比測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)不確定度、隨機(jī)不確定度、綜合不確定度計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）6.2.3規(guī)定,一般水文站的置信水平95%的綜合不確定度為3 cm,系統(tǒng)誤差應(yīng)為±1 cm。經(jīng)計(jì)算開(kāi)墾河（三）站雷達(dá)水位計(jì)比測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)不確定度為0.004581 cm、隨機(jī)不確定度為2 cm,綜合不確定度為2 cm,系統(tǒng)誤差0.02 cm,符合規(guī)范要求。

3 比測(cè)分析及誤差評(píng)定

3.1 過(guò)程線分析

根據(jù)同時(shí)段人工觀測(cè)水位數(shù)據(jù)與雷達(dá)水位計(jì)水位數(shù)據(jù),點(diǎn)繪水位過(guò)程線,分析水位變化是否連續(xù)、水位峰形是否一致、有無(wú)陡漲陡落現(xiàn)象。

經(jīng)分析,4月~9月期間兩組水位數(shù)據(jù)變化連續(xù)、水位過(guò)程線峰形一致、無(wú)陡漲陡落現(xiàn)象,漲落變化趨勢(shì)完全一致,水位過(guò)程線見(jiàn)圖1。

圖1 制材站雷達(dá)水位計(jì)與人工觀測(cè)水位過(guò)程線圖

3.2 誤差分析

從382 組水位比測(cè)數(shù)據(jù)中可以看出,低水比測(cè)數(shù)據(jù)中誤差等于±3 cm次數(shù)為13 次,誤差等于±2 cm次數(shù)為64 次,誤差等于±1 cm次數(shù)為131 次,誤差等于0 cm次數(shù)為138次；中水比測(cè)數(shù)據(jù)中誤差等于±3 cm次數(shù)為3 次,誤差等于±2 cm次數(shù)為6 次,誤差等于±1 cm次數(shù)為18 次,誤差等于0 cm次數(shù)為9 次；低水和中水的最大誤差均為3 cm,但是低水、中水誤差等于±3 cm的數(shù)據(jù)權(quán)重分別為3.4%和0.79%,占比相對(duì)較少,證明雷達(dá)水位計(jì)自記數(shù)據(jù)是較為可靠的。

3.3 相關(guān)分析

采用人工觀測(cè)基本水尺的382 個(gè)水位數(shù)據(jù)與雷達(dá)水位計(jì)同步采集的382 個(gè)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,建立兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系,進(jìn)行線性分析。

從雷達(dá)水位計(jì)與人工觀測(cè)水位的相關(guān)關(guān)系圖可知,水位數(shù)據(jù)分布均較密集成一帶狀,線性函數(shù)R值為0.9926,見(jiàn)圖2,說(shuō)明開(kāi)墾河（三）站雷達(dá)水位計(jì)的自記水位與人工觀測(cè)水位相關(guān)性非常好,雷達(dá)水位計(jì)自記水位是合理可靠的。

圖2 開(kāi)墾河（三）站雷達(dá)水位計(jì)與人工觀測(cè)水位相關(guān)關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì),以及過(guò)程線分析、誤差分析和相關(guān)分析可知,4月1日至9月30日期間兩組水位數(shù)據(jù)變化連續(xù)、水位過(guò)程線峰形一致、無(wú)陡漲陡落現(xiàn)象,漲落變化趨勢(shì)完全一致；雷達(dá)水位計(jì)自記水位數(shù)據(jù)的誤差相對(duì)較小,是合理可靠的；相關(guān)分析中線性函數(shù)的R值為0.9926,R值最高,誤差最小,雷達(dá)水位計(jì)自記水位數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)水位數(shù)據(jù)相關(guān)顯著性較高；經(jīng)計(jì)算開(kāi)墾河（三）站雷達(dá)水位計(jì)比測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)不確定度為0.004581 cm、隨機(jī)不確定度為2 cm,綜合不確定度為2 cm,符合《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）中6.2.3的規(guī)定要求。

從本次比測(cè)結(jié)果分析來(lái)看,SEBA PULS雷達(dá)水位計(jì)在設(shè)備工作正常的情況下,觀測(cè)精度可滿(mǎn)足規(guī)范要求。開(kāi)墾河（三）站可采用雷達(dá)水位計(jì)替代人工觀測(cè)水位。