雷達水位計監(jiān)測數(shù)據(jù)在資料整編中的應(yīng)用

時 青，孫萬義，封常周

（青島市水文局，山東 青島 266000）

近幾年雷達水位計已廣泛運用到青島地區(qū)各基層水文測站，在測站防汛測報方面發(fā)揮了積極的作用，但雷達水位計監(jiān)測數(shù)據(jù)沒有運用在資料整編中，造成監(jiān)測資源的極大浪費。

本文選擇青島市李村水文站、嶗山水庫水文站作為研究對象，進行監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工觀測水位數(shù)據(jù)比測，分析水位觀測誤差是否滿足規(guī)范要求；根據(jù)《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》及《水文資料整編規(guī)范》的相關(guān)要求，研究雷達水位計監(jiān)測數(shù)據(jù)去偽存真的方式方法，將監(jiān)測數(shù)據(jù)與整編數(shù)據(jù)庫相銜接，使雷達水位計監(jiān)測數(shù)據(jù)運用到資料整編中，讓先進的儀器設(shè)備發(fā)揮應(yīng)有的作用。

1 雷達水位計使用概況

青島市現(xiàn)有國家基本水文站13處、水位站2處，中小河流水文站19處、水位站6處。在40處水文站、水位站中，共有20處水文站、水位站安裝雷達水位計，其中國家站有5處水文站安裝使用雷達水位計，中小河流站有13處水文站、2處水位站安裝使用雷達水位計。雷達水位計具有占地少、不需土建工程、安裝簡單方便等特點，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于中小河流站。

2 資料比測分析

此次對比測采用李村站、嶗山水庫水文站2019年人工觀測與雷達水位資料進行分析。

2.1 資料比測分析

李村水文站雷達水位計比測對象為人工水尺觀測水位。因枯季河干，分析時間取2019年5月1日～9月1日，共收集155組數(shù)據(jù)。比測期間，最高水位9.15m，最低水位7.50m，水位變幅1.65m。誤差≤±0.02m的占比測數(shù)據(jù)總數(shù)的75.5%，誤差≥±0.05m的占比測數(shù)據(jù)總數(shù)的14.2%，最大誤差0.11m，±0.05m≤誤差≤±0.11m共出現(xiàn)22次，大多數(shù)情況出現(xiàn)在漲水段，見表1與圖 1、圖 2。

表1 李村水文站、嶗山水庫水文站雷達水位計比測成果表

圖1 李村站雷達水位與人工觀測水位過程線

圖2 李村站2019年5月測流雷達水位計比測成果圖

嶗山水庫水文站雷達水位計比測分析時間取2019年1月25日～10月1日，共245組數(shù)據(jù)。比測期間，最高水位48.12m，最低水位44.02m，水位變幅為4.10m。誤差≤±0.02m的占比測數(shù)據(jù)總數(shù)的65.5%，誤差≥±0.05m的占比測數(shù)據(jù)總數(shù)的11.8%，最大誤差0.10m，出現(xiàn)在9月4日8時，±0.05m≤誤差≤±0.08m共出現(xiàn)29次，其中19次出現(xiàn)在2～4月份，見表1，圖3～4。

圖3 嶗山水庫雷達水位與人工觀測水位過程線

圖4 嶗山水庫2019年7-9月份雷達水位計比測成果圖

根據(jù)GB/T50138-2010《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》第6.2.3條規(guī)定：一般水位站置信水平95%的綜合不確定度為3cm，系統(tǒng)誤差應(yīng)為1cm。

嶗山水庫水文站雷達水位計置信水平95%的綜合不確定度為5.3cm，系統(tǒng)誤差為1cm；李村水文站綜合不確定度為3.1cm，系統(tǒng)誤差為1.0cm，均不滿足規(guī)范要求。

2.2 誤差原因分析

1）設(shè)備自身因素。由于雷達波存在發(fā)散角，不適合用于坡度較緩、變幅較大的地方進行水位觀測；雷達水位計受風(fēng)、降雨等影響造成較大的誤差，河道站洪水期間雷達水位計監(jiān)測受雜草影響；太陽能直接給設(shè)備充電，電壓不穩(wěn)，造成設(shè)備電流不穩(wěn)定，會出現(xiàn)夜間或凌晨跳數(shù)嚴重的現(xiàn)象；數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備故障率較高。

2）設(shè)備安裝條件因素。選擇雷達水位計安裝位置時，要保證雷達波全部覆蓋到水面，避免低水或河床淤積時雷達波覆蓋到河床或地面。但青島地區(qū)河流枯季常有河干出現(xiàn)，造成雷達波直接覆蓋或部分覆蓋到裸露的地面，造成安裝位置不符合要求；雷達水位計與基本水尺觀測不在同一地點，相距較遠。在青島地區(qū)大多因地制宜將雷達水位計安裝在橋上，與基本水尺不在同一地點，山溪性河流比降較大，不同地點水位差較大。

3）水位波動因素。洪水大多出現(xiàn)在主汛期，風(fēng)雨交加，水位波動較大，易產(chǎn)生誤差?！端挥^測標(biāo)準(zhǔn)》中對水位波動引起的誤差可采用如下方法進行控制：可采用短時段內(nèi)多次采樣的平均值作為水位值；對不支持短時段內(nèi)多次采樣平均值的測站，可對水位過程進行適當(dāng)平滑、濾波。

綜上所述，日常工作中應(yīng)加強對水位設(shè)備的檢查與維護，減小誤差來源，確保雷達水位計運行穩(wěn)定，對產(chǎn)生誤差的相關(guān)因素進行調(diào)整。

比測分析計算結(jié)果表明：李村水文站雷達水位計置信水平95%的綜合不確定度為3.1cm，系統(tǒng)誤差為1cm，符合測站實際，雖然綜合不確定度為3.1cm超出水位觀測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不確定度，但將雷達水位計水位數(shù)據(jù)經(jīng)訂正處理后，可進行整編。

嶗山水庫水文站雷達水位計安裝位置與壩下基本斷面水尺相距20m，比測結(jié)果顯示，綜合不確定度為5.3cm，系統(tǒng)誤差為1cm；誤差≥±0.05m主要出現(xiàn)在2～4月份結(jié)冰期、大風(fēng)期，可通過對雷達水位計水位數(shù)據(jù)進行適當(dāng)平滑、濾波、訂正后再整編。

2.3 整編成果分析

按照《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）、《水文觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50138-2010）對李村站、嶗山水庫水文站的水位自動監(jiān)測值進行平滑、摘錄處理，使用山東省水文資料整編軟件對人工觀測水位和雷達水位計水位數(shù)據(jù)進行計算后，對逐日平均水位表進行對照分析。

李村水文站的5～8月份（扣除河干）日平均水位相比均不超過±0.02m，月極值誤差不超過±0.01m，月極值發(fā)生時間基本一致，從整編成果看，李村水文站雷達水位數(shù)據(jù)可用于資料整編，成果可靠。

嶗山水庫水文站雷達水位計自2019年1月25日～10月1日去除4月份儀器出現(xiàn)故障，共正常使用227d，期間兩者日平均水位相比≤±0.02m的，共184d，占正常使用天數(shù)81.1%，誤差＞±0.02m 的比例為18.9%，見表3。

表2 嶗山水庫站雷達與人工水位數(shù)據(jù)整編成果對照表

日平均誤差最大±0.06m，出現(xiàn)2次，分別出現(xiàn)在3月4日、9月7日。日平均誤差±0.05m，出現(xiàn)3次，分別出現(xiàn)在2月28日、7月24日、8月14日。月平均誤差不超過±0.02m，月極值發(fā)生時間基本一致，從整編成果看，該站雷達水位數(shù)據(jù)經(jīng)過訂正后可用于資料整編，成果較可靠。

目前，李村站、嶗山水庫水文站雷達水位計運行正常，故障較少，數(shù)據(jù)訂正處理后與人工觀測水位相差不大，符合水位觀測標(biāo)準(zhǔn)要求，可以用于資料整編。在使用過程中，應(yīng)定時進行水位校核，注意設(shè)備下方一定范圍內(nèi)不應(yīng)有其他物體通過或滯留，發(fā)生故障應(yīng)及時維修。

3 結(jié)語

此次項目研究結(jié)果分析表明李村、嶗山水庫水文站雷達水位計比測、校測結(jié)果良好，可以作為該站常規(guī)水位觀測設(shè)備。日常做好雷達水位計的校測工作，其監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)訂正、平滑、摘錄后，誤差滿足規(guī)范要求，雷達水位計數(shù)據(jù)可以用于資料整編、報汛及其它分析。

1）儀器設(shè)備出廠時應(yīng)配有完整的安裝使用說明書，設(shè)備安裝調(diào)試時應(yīng)嚴格按說明書要求做好，做到位，使儀器設(shè)備的安裝條件、安裝要素和使用邊界條件滿足出廠設(shè)定要求。

2）重視數(shù)據(jù)遙測終端機的質(zhì)量，配置性能穩(wěn)定、可靠性高、平均無故障工作時間長的設(shè)備，以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

3）做好國家基本站、中小河流站水文站（水位站）雷達水位計的比測、校測工作，尤其要抓住洪水期及時進行設(shè)備調(diào)試、比對工作。

4）日常加強雷達水位計的維護保養(yǎng)，建立青島市水文設(shè)備設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)，實時在線查看雷達水位計運行狀況。雷達水位計出現(xiàn)故障時，應(yīng)及時維修。

5）建議整編程序中設(shè)置與雷達水位監(jiān)測數(shù)據(jù)格式相匹配的入口，并可自行完成數(shù)據(jù)的精簡及平滑處理，使處理后的數(shù)據(jù)滿足整編要求。

6）加快推進青島市各類水位自動監(jiān)測數(shù)據(jù)在整編中的推廣與應(yīng)用，讓先進的儀器設(shè)備及監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)揮應(yīng)有的作用。