制材廠水文站雷達(dá)水位計(jì)替代人工觀測(cè)可行性分析

丁 濤

（新疆維吾爾自治區(qū)昌吉水文勘測(cè)局,新疆 昌吉 831100）

1 頭屯河制材廠站基本概況

頭屯河制材廠水文站是一座位于新疆烏魯木齊縣小渠子鄉(xiāng)謝家溝村的國(guó)家基本水文站,初始建造日期為1957 年5 月,該站海拔高度為1430 m。頭屯河的發(fā)源地位于天山東段的北坡,其徑流主要來源于大氣降水、中低山帶季節(jié)性的積雪融水、地下水和高山冰川的融水。整個(gè)流域的平均高程是2774 m,河長(zhǎng)則是49 km,集水面積達(dá)840 km2。雖然洪峰持續(xù)時(shí)間較短,但最長(zhǎng)洪峰歷時(shí)大約8.5 天,而最短持續(xù)時(shí)間則只有2.5 天。在一年當(dāng)中,水流和泥沙的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出明顯的集中現(xiàn)象,特別是在夏季月份（5 月～8 月）,這種現(xiàn)象更加明顯。水流和泥沙的高峰期基本上是相同的,而且河道的斷面相對(duì)穩(wěn)定,水位和流量之間的關(guān)系也多呈現(xiàn)出單一曲線。

2 雷達(dá)水位計(jì)的架設(shè)和人工觀測(cè)方法

在制材廠（五）站所使用的水位計(jì)是SEBA PULS20 型雷達(dá)水位計(jì),這是一種專業(yè)的水文儀器,它使用電磁波進(jìn)行水位測(cè)量,其精度高、性能穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)單。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)境影響[1]。

按照水位（流量）的劃分,三個(gè)不同水位的范圍被確定為三個(gè)測(cè)段,每個(gè)測(cè)段需進(jìn)行超過30 次的測(cè)量,以確定水位的變化情況。為了確保比較數(shù)據(jù)的時(shí)間一致性和比較數(shù)據(jù)序列的連貫性,我們使用人工觀測(cè)水位和雷達(dá)水位計(jì)同步記錄的水位進(jìn)行對(duì)比分析。

制材廠（五）站采用搪瓷直立水尺作為人工觀測(cè)的方式。從5 月1 日～9 月10 日,每天凌晨八點(diǎn)、晚上八點(diǎn)以及測(cè)流期間,我們會(huì)進(jìn)行人工觀測(cè)水位。在洪水期以及水位急速變化的時(shí)期,我們會(huì)加強(qiáng)人工觀測(cè),以確保測(cè)點(diǎn)所記錄的水位變化過程是完整的。這樣做可以保證水位信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性,為水利工作提供有效的數(shù)據(jù)支持。

3 比測(cè)的目標(biāo)和主要依據(jù)

依據(jù)《水位觀測(cè)規(guī)范》（GB/T 50138-2010）規(guī)定,若要進(jìn)行新安裝自記水位計(jì)或更換儀器類型,必須先進(jìn)行比測(cè)。只有通過比測(cè)合格審核,才能放心地啟用儀器。雷達(dá)水位計(jì)的實(shí)現(xiàn)將代替人工觀測(cè)水位數(shù)據(jù),從而減輕測(cè)站人員的工作量。這一舉措使得水文測(cè)站實(shí)現(xiàn)了信息化和自動(dòng)化,讓測(cè)站人員的人力得以充分解放出來。

4 比測(cè)數(shù)據(jù)的選用

在多次嚴(yán)謹(jǐn)?shù)默F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和確認(rèn)之后,制材廠（五）決定于2022 年5 月1 日～9 月10 日展開雷達(dá)水位計(jì)記錄水位與人工觀測(cè)水位比測(cè)比測(cè)數(shù)據(jù)的收集工作。在這個(gè)過程中,制材廠（五）工作人員會(huì)付出更多的努力,以確保數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和可靠性。

具體測(cè)量數(shù)據(jù)共有366 對(duì)：水位低于1432.55 m 時(shí)水少,水少數(shù)據(jù)有310 對(duì),占84.7%。水位為1432.55 m～1433.05 m,中水?dāng)?shù)據(jù)為54 對(duì),占高水的14.8%,當(dāng)水位高于1432.55 m 時(shí),高水?dāng)?shù)據(jù)為2。對(duì)比為0.5%,所選數(shù)據(jù)符合《水位觀察規(guī)范》（GB/T 50138-2010）中“6.2.2 比測(cè)量”的要求。并且可以根據(jù)水位的寬度和每個(gè)特定測(cè)量的數(shù)量在多個(gè)測(cè)量段中單獨(dú)進(jìn)行30 多次。

5 分析收集測(cè)量數(shù)據(jù)的相關(guān)性

通過對(duì)比分析366 對(duì)數(shù)據(jù),建立了兩組數(shù)據(jù)之間的相關(guān)關(guān)系,并進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)合相關(guān)關(guān)系圖,可以發(fā)現(xiàn)水位數(shù)據(jù)的分布呈現(xiàn)出一種帶狀密集趨勢(shì),且相關(guān)系數(shù)R值為0.9913,見圖1,這表明雷達(dá)水位計(jì)所記錄的水位與人工觀測(cè)水位具有高度相關(guān)性,同時(shí)雷達(dá)水位計(jì)所記錄的水位的“三性”也符合技術(shù)規(guī)范的要求。

圖1 制材廠站雷達(dá)水位計(jì)與人工觀測(cè)水位相關(guān)關(guān)系圖

2022 年制材廠雷達(dá)水位計(jì)和人工觀測(cè)水位之間的相關(guān)關(guān)系可以從圖1 中得知。通過比較人工觀測(cè)水位和雷達(dá)水位計(jì)記錄的水位數(shù)據(jù),將水位數(shù)據(jù)點(diǎn)繪成水位過程線。

對(duì)水位變化進(jìn)行分析,判斷是否連續(xù)變化,峰谷相應(yīng)是否合理,并檢測(cè)是否出現(xiàn)過突變情況。分析數(shù)據(jù)得知,在5 月～9 月期間,兩組水位數(shù)據(jù)的變化是連續(xù)的,水位過程線的峰形也是一致的,沒有出現(xiàn)陡漲或陡落的情況。同時(shí),它們的漲落變化趨勢(shì)是完全一致的。相關(guān)的水位過程線見圖2。

圖2 制材廠雷達(dá)水位計(jì)與人工觀測(cè)水位過程線圖

6 分析比測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)量誤差

6.1 統(tǒng)計(jì)法

《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）中的附錄E.0.6規(guī)定,當(dāng)采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)水位時(shí),必須按照以下方式來估算不確定度。

（1）按以下方式計(jì)算系統(tǒng)不確定性：

式中：Pyi為自動(dòng)水位監(jiān)測(cè)；Pi為人工測(cè)量水位；N為測(cè)量次數(shù)。

（2）應(yīng)按以下方式計(jì)算隨機(jī)不確定性：

（3）綜合不確定度的計(jì)算公式：

（4）計(jì)算系統(tǒng)誤差的公式：

式中：Pyi為自動(dòng)水位監(jiān)測(cè)；Pi為人工測(cè)量水位；N 為測(cè)量次數(shù)。

按頻率計(jì)算劃分：水位低于1432.55 m,流速小于22.7 m3/s,水位介于1432.55 m～1433.05 m,流速為22.7 m3/s～62.7 m3/s。水位高于1433.05 m,流速大于62.7 m3/s,將比測(cè)數(shù)據(jù)分為低水、中水、高水,并計(jì)算數(shù)據(jù)的系統(tǒng)不確定度、隨機(jī)不確定度和綜合不確定度。

根據(jù)《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010 6.2.3）的要求,綜合水文站95%的綜合不確定性水平為3 cm,系統(tǒng)誤差應(yīng)為±1 cm。制材廠水文站的雷達(dá)水位計(jì)比測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)綜合不確定度為3 cm,其中不確定度包括隨機(jī)不確定度為3 cm 和系統(tǒng)誤差為0.19 cm,而總不確定度為0.1940 cm 符合技術(shù)規(guī)范要求。制材廠水文站雷達(dá)水位計(jì)比測(cè)系統(tǒng)精度是符合規(guī)范的,它的綜合不確定度是3 cm,包括隨機(jī)不確定度和系統(tǒng)誤差。此外,該系統(tǒng)的不確定度為0.1940 cm,符合技術(shù)規(guī)范的要求。

6.2 平均值分析

2022 年5 月1 日～9 月10 日,制材廠（五）開始進(jìn)行雷達(dá)水位計(jì)記錄數(shù)據(jù)和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的收集工作。在這段時(shí)間里,制材廠（五）站工作人員用心搜集每一份數(shù)據(jù),以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。每天通常會(huì)進(jìn)行兩次水位觀測(cè),時(shí)間分別為早上八點(diǎn)和晚上八點(diǎn)。觀測(cè)完畢后,會(huì)及時(shí)記錄下當(dāng)天的水位,然后計(jì)算出日均水位。根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算,人工觀測(cè)和自記儀器所得的旬平均水位和月平均水位誤差相等；而在人工觀測(cè)和自記儀器所得的水位數(shù)據(jù)中,相互的誤差達(dá)到了零。

6.3 突出點(diǎn)和虛假信息分析

經(jīng)過比較人工觀測(cè)水位與自動(dòng)記錄水位,共計(jì)366 組數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)其中有28 組數(shù)據(jù)誤差異常,最大誤差高達(dá)0.16 m。水位誤差的原因復(fù)雜多樣,其主要原因?yàn)樵谒鬏^大的時(shí)候,水面波浪十分猛烈,而我們使用的雷達(dá)記錄水位是瞬時(shí)值,這導(dǎo)致了自動(dòng)記錄水位和人為觀測(cè)水位的誤差疊加[2-3]。在進(jìn)行水位不確定度計(jì)算時(shí),我們進(jìn)行了訂正處理以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

6.4 測(cè)量誤差分析

根據(jù)對(duì)366 組水位數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析,可以得出以下結(jié)論：在低水區(qū)間段中,有21 次數(shù)據(jù)的誤差為±3 cm,有49 次數(shù)據(jù)的誤差為±2 cm,有110 次數(shù)據(jù)的誤差為±1 cm,有130 次數(shù)據(jù)的誤差為0 cm。在中水區(qū)間段的測(cè)量數(shù)據(jù)中,誤差范圍在±3 cm的僅出現(xiàn)了1次,而±2 cm的誤差則出現(xiàn)了7次,±1 cm 的誤差更是出現(xiàn)了19 次。完全準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果（誤差為0 cm）則出現(xiàn)了27 次。根據(jù)分析結(jié)果顯示,雷達(dá)水位計(jì)記錄的數(shù)據(jù)可以替代人工觀測(cè)數(shù)據(jù)。其中,高水?dāng)?shù)據(jù)極少,僅有2 次。而在高水?dāng)?shù)據(jù)中誤差在±3 cm 以內(nèi)的次數(shù)也為2 次,且100%的數(shù)據(jù)誤差在±3 cm 以內(nèi)。低水和中水則最大誤差都是3 cm,但是在低水區(qū)間段的數(shù)據(jù)和中水低水區(qū)間段的數(shù)據(jù)誤差等于±3 cm 的數(shù)據(jù)占比較少,分別為6.8%和1.8%。

7 結(jié)論與建議

7.1 結(jié)論

（1）經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計(jì),以及對(duì)水位過程線、誤差和相關(guān)性的分析,可以明確得知,5 月1 日～9 月10 日之間的兩組數(shù)據(jù),其水位變化過程是連續(xù)的、水位過程線峰形相似,沒有發(fā)現(xiàn)任何突變現(xiàn)象,同時(shí)也顯示出漲落趨勢(shì)基本一致。雷達(dá)水位計(jì)所記錄的水位數(shù)據(jù)誤差較小,雷達(dá)水位計(jì)和人工觀測(cè)水位之間的相關(guān)性極佳,系統(tǒng)不確定度為0.1940 cm,加上隨機(jī)不確定度3 cm 后綜合誤差為3 cm,完全符合《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）中6.2.3 的規(guī)定。這個(gè)結(jié)論足以表明數(shù)據(jù)的可靠性。

（2）從本次數(shù)據(jù)分析的結(jié)果來看,可以得出SEBA PULS雷達(dá)水位計(jì)在正常工作職責(zé)下具備非常優(yōu)秀的觀測(cè)精度,這種精度可以滿足規(guī)范技術(shù)的要求,制材廠（五）站可以采用雷達(dá)水位計(jì)記錄數(shù)據(jù)替代人工觀測(cè),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)和管理,向高效、高質(zhì)、高效益的目標(biāo)邁進(jìn)。

7.2 建議

（1）定期維護(hù)雷達(dá)水位計(jì)RTU 并更新補(bǔ)充完善程序,在未來的水文測(cè)驗(yàn)中,應(yīng)該及時(shí)記錄中級(jí)水位和高級(jí)水位的水文數(shù)據(jù),不斷豐富和完善分析方法,以形成一個(gè)全面的方案。這樣做可以更好地分析和理解水位變化情況,從而做出更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和決策。

（2）在記錄水位時(shí),建議使用雷達(dá)水位計(jì),并定期進(jìn)行人工同步校驗(yàn)以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對(duì)雷達(dá)水位計(jì)進(jìn)行定期的維修和保養(yǎng),并及時(shí)修復(fù)發(fā)現(xiàn)的故障,以確保水文測(cè)站能夠常規(guī)性地使用雷達(dá)水位計(jì)進(jìn)行水文觀測(cè),并在雷達(dá)故障時(shí)采用人工觀測(cè)進(jìn)行比較分析,從而確保水文數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。