恰甫（電站渠）站YSCADA-1雷達(dá)水位計(jì)自記水位與人工觀讀水位的比測(cè)實(shí)驗(yàn)分析

鄭 杰

（伊犁水文勘測(cè)局,新疆 伊寧 835800）

1 測(cè)站概況

1.1 測(cè)站基本情況

恰甫河水文站始建于1956年10月,是恰甫河水量控制站,國(guó)家基本報(bào)訊站,該站設(shè)有恰甫（五）站和恰甫（電站渠）站兩個(gè)斷面,斷面上游500 m 處建有一小型水電站。2020年6月在電站渠原斷面下游80 m 處設(shè)立新斷面,新、舊斷面之間無(wú)外水加入和內(nèi)水分出。

1.2 測(cè)站特性

恰甫河為山區(qū)性河流,4月～5月洪水來(lái)源主要為融雪性洪水,每日一峰,洪水以單峰型出現(xiàn),6月～7月為暴雨洪水和混合型洪水,主峰雨停止至洪峰到達(dá)斷面約為15 h,洪峰持續(xù)時(shí)間2 h～3 h,沙峰持續(xù)時(shí)間1 h,較大洪水一般持續(xù)時(shí)間2 d～3 d,受上游人工調(diào)閘影響,測(cè)站特性已發(fā)生變化,水流有陡漲陡落現(xiàn)象。恰甫（五）站、恰甫（電站渠）站測(cè)驗(yàn)斷面控制良好,歷年水位-流量關(guān)系均為單一線。

1.3 測(cè)驗(yàn)渠段及斷面情況

恰甫（電站渠）為人工混凝土梯形渠道,渠口位于原基本水尺斷面（兼流速儀測(cè)流斷面）上游400 m 處,測(cè)驗(yàn)渠段順直長(zhǎng)度350 m,斷面穩(wěn)定,水流集中。

1.4 水位設(shè)施的設(shè)立情況

恰甫（電站渠）新斷面處設(shè)有一鋼架橋,橋面起點(diǎn)距4.00 m 處設(shè)有懸錘式水尺,2020年6月1日至2021年4月30日采用懸錘式水尺觀測(cè)水位,2021年4月30日開(kāi)始在起點(diǎn)距8.5 m 處設(shè)直立式搪瓷水尺觀測(cè)水位,斷面左岸安置有YSCADA-1 型非接觸式雷達(dá)水位計(jì),直立式水尺與自記水位計(jì)在同一斷面線,斷面水流不受其它因素影響。

2 比測(cè)基本情況

2.1 比測(cè)方法

一人在測(cè)驗(yàn)斷面觀讀記錄基本水尺水位,同時(shí)間另一人記錄YSCADA-1 型非接觸式雷達(dá)水位計(jì)記錄傳輸?shù)乃?比測(cè)分為高水、中水、低水三個(gè)水位級(jí),每一級(jí)比測(cè)記錄30 次水位,比測(cè)時(shí)應(yīng)記錄分力、分向及水面起幅度[2]。

2.2 比測(cè)要求：

《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）6.2 對(duì)自記水位計(jì)的比測(cè)作如下要求：

1）新安裝的自記水位計(jì)或改變儀器類(lèi)型時(shí)應(yīng)進(jìn)行比測(cè),比測(cè)合格后,方可使用。

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)應(yīng)在30 次以上。

3）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%。

4）校核水尺水位的不確定度應(yīng)控制在1 cm 以?xún)?nèi)。

3 水位測(cè)驗(yàn)設(shè)備及觀測(cè)情況

3.1 YSCAD-1 型雷達(dá)水位計(jì)安裝情況

恰甫（電站渠）站非接觸式雷達(dá)水位計(jì)安裝在新基本水尺斷面左岸,國(guó)產(chǎn)485 探頭,探頭位置在基本水尺斷面起點(diǎn)距8.3 m 處,探頭高出渠頂4.85 m,探頭延伸臂為一直徑5 cm,長(zhǎng)6 m 的鋼管,橫擔(dān)為直徑5 cm 鋼管,水位計(jì)立柱為直徑20 cm鋼管,立柱基礎(chǔ)為一長(zhǎng)1.90 m、寬1.50 m、高（地面以下）0.80 m 混凝土,混凝土與立柱用法蘭盤(pán)螺絲聯(lián)接。

3.2 人工觀讀水位設(shè)備：

人工觀讀水位設(shè)備為水文專(zhuān)用搪瓷直立水尺,水尺長(zhǎng)度3 m,采用水文四等測(cè)量方法測(cè)定其零點(diǎn)高程[2]。

為了盡可能避免人工觀測(cè)水位產(chǎn)生的觀讀誤差,嚴(yán)格執(zhí)行《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50138-2010 6.2）要求：

小麥逆境包括兩類(lèi)：一是生物逆境，即影響其生長(zhǎng)發(fā)育的植物本身的災(zāi)害，主要包括病害、蟲(chóng)害和雜草。二是非生物逆境，即不是植物本身造成的，而是外部環(huán)境所造成的，主要包括天氣因素、化學(xué)因素和生理因素。化學(xué)因素主要包括使用除草劑、化肥過(guò)量帶來(lái)的副作用和對(duì)大氣、水體、土壤等造成的污染危害。生理因素主要是溫度和水分。其中溫度分為低溫（冷害和凍害）、高溫?zé)岷?，水分則分為漬澇和干旱（土壤、大氣和生理干旱）[1]。

1）觀讀員觀測(cè)水位時(shí),身體應(yīng)蹲下,使視線盡量與水面平行,避免產(chǎn)生折光現(xiàn)象 。

2）有波浪時(shí),可利用水面的暫時(shí)平靜進(jìn)行觀讀或者讀取峰頂、谷底水位取其平均值,波浪較大時(shí),可先套好靜水箱再進(jìn)行觀讀。

3）當(dāng)水尺水位受阻水影響時(shí),應(yīng)盡可能先排除阻水因素,再進(jìn)行觀讀。

4）隨時(shí)校對(duì)觀測(cè)的時(shí)鐘。

5）采取多次觀讀,取平均值。

4 水位（流量）級(jí)劃分

恰甫（電站渠）站原斷面2008年設(shè)立,新斷面2020年6月設(shè)立,由于新斷面水位資料系列較短沒(méi)有代表性,且新、舊斷面之間無(wú)外水加入和內(nèi)水分出,因此,取用原斷面2008年～2020年資料。

水位受上游水利工程影響,結(jié)合測(cè)站實(shí)際,水位級(jí)劃分采用典型年法,按各年汛期總水量計(jì)算流量頻率[3],用相應(yīng)流量級(jí)對(duì)應(yīng)相應(yīng)水位級(jí)。水位級(jí)劃分見(jiàn)表1。

表1 恰甫（電站渠）站新斷面水位頻率劃分表

5 資料選取

5.1 自記水位與人工觀讀水位情況

比測(cè)分高、中、低水三個(gè)段次進(jìn)行,比測(cè)時(shí)間、比測(cè)水位范圍及水位級(jí)如下：

2021年4月30日17∶00～19∶54 高水段（992.11 m～991.64 m）。

2021年6月19日07∶12～10∶06 中水段（991.56 m～991.34 m）。

2021年6月29日16:00～20:06 低水段（990.78 m～990.42 m）。

每段次人工讀記30 次水位,同時(shí)間記錄自記水位,比測(cè)期間最大風(fēng)力風(fēng)向4SE0。

5.2 人工觀讀水位綜合不確定度

為檢驗(yàn)人工觀讀水尺讀數(shù)的精度是否滿足規(guī)范要求,應(yīng)在5 min～20 min 內(nèi)觀讀30 次水位,計(jì)算水位綜合不確定度[4]。

由于高水段水位波幅較大,因此,人工觀讀水位產(chǎn)生的誤差也較大,假設(shè)高水段水位綜合不確定度符合要求,那么,中、低水,水位綜合不確定度則會(huì)更小,如果高水段水位綜合不確定度超過(guò)規(guī)范要求,則再計(jì)算中、低水位綜合不確定度。

6 比測(cè)分析

6.1 相關(guān)性分析

將高、中、低水位級(jí)三個(gè)段次的90 次人工觀讀數(shù)據(jù)與自記水位數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)表2）并進(jìn)行相關(guān)性分析（見(jiàn)圖1）。

圖1 恰甫（電站渠）站校核水位-自記水位（高、中、低）關(guān)系圖

表2 恰甫（電站渠）站新斷面高、中、低人工-自記水位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表2

通過(guò)高、中、低綜合水位相關(guān)性分析,相關(guān)系數(shù)為0.9999,擬合度為1,說(shuō)明人工觀讀水位與自記水位相關(guān)性很好,擬合度很高。

6.2 偏差分析與系統(tǒng)誤差分析

以人工觀讀的水位為標(biāo)準(zhǔn),分別計(jì)算高、中、低水位級(jí)人工觀讀水位數(shù)據(jù)與自記水位數(shù)據(jù)的最大偏差、系統(tǒng)誤差（見(jiàn)表3）。

表3 高、中、低水位級(jí)人工-自記水位最大偏差、系統(tǒng)誤差計(jì)算表

續(xù)表3

通過(guò)分析計(jì)算,高、中、低三個(gè)段次水位級(jí),同一時(shí)間校核水位與自記水位最大偏差高、中、低水分別為2 cm、1 cm、1 cm,系統(tǒng)誤差分別為0.003%、0、0 小于《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）7.1.5 中“自記水位值與校核值之差不超過(guò)±2cm 和《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010） 6.2.3 中“系統(tǒng)誤差±1%”的規(guī)定。

6.3 不確定度計(jì)算

選取高水段人工觀讀水尺讀數(shù),計(jì)算水位綜合不確定度（見(jiàn)表4）。

表4 恰甫（電站渠）站新斷面基本水尺不確定度計(jì)算表2021年04月30日

通過(guò)計(jì)算,高水水位綜合不確定度為0.95 cm、小于1.0 cm。

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)恰甫（電站渠）站高、中、低水位級(jí)人工觀讀水位與自記水位資料的相關(guān)性分析、最大偏差、系統(tǒng)誤差、校核水位不確定度的統(tǒng)計(jì)分析,二者相關(guān)性很好,高度擬合,最大偏差、系統(tǒng)誤差、水位不確定度等指標(biāo)符合《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定。

恰甫（電站渠）站雷達(dá)水位記數(shù)據(jù)穩(wěn)定,水位計(jì)受風(fēng)力、溫度、濕度影響較小,未出現(xiàn)水位異?，F(xiàn)象,YSCADA-1 型非接觸式雷達(dá)水位計(jì)自記水位可以做為正式資料使用。