雷達水位計在上海世博園內的應用與比測分析

秦 濤

雷達水位計在上海世博園內的應用與比測分析

秦 濤

為了保障上海世博會期間園區的防汛安全，加強對世博園的水情監測，根據上海市防汛辦的要求，上海市水文總站于2010年4月10日新建臨時自動測報站“白蓮涇站”，世博會結束后還將搬遷至別處繼續服役。該站位于白蓮涇與黃浦江交匯處，鄰近世博園白蓮涇入口，所測水位為黃浦江水位。

“白蓮涇站”因其所處地理位置的特殊性，與建立普通自動測報站的要求上有著很大的不同。既要保證測站所測水位數據準確可靠且不受水質、氣溫等因素影響，又要滿足世博園區內的整體景觀效果。傳統的浮子水位計雖然能滿足數據準確可靠的要求，但是其水位計井筒建造體積巨大，顯然不能滿足世博園區的景觀要求。經上海市水文總站相關專家討論，最終研究決定在該站采用德國E+H公司生產的FM R250型雷達水位計。

一、白蓮涇站情況概述

白蓮涇站供電方式采用42W單晶硅太陽能電池板，通信方式采用GPRS數字移動終端，數據采集儀采用南瑞ACS-300M M型數據采集器。其主要監測內容為雨量和水位，每5m i n采集并發送一次水情信息。該站的雨量計采用的是南京水利水文自動化研究所生產的JDZ05-1型翻斗式雨量計，雷達水位計采用的是FM R250型雷達水位計。該雷達水位計輸出信號為4-20 m A帶H ART協議；功率消耗最小60m W，最大900m W；工作頻率約為26GH z超寬頻系統；測量范圍最小0.5m，最多可達70m；測量誤差范圍為±5 m m；工作溫度在攝氏－40℃～80℃之間。

白蓮涇站自建站起至今運行正常，沒有出現任何故障，共測得數據38125組，所測得數據準確可靠。

二、雷達水位計原理及特點

1.原理

雷達水位計的測量原理與超聲波水位計類似，不同的是雷達水位計使用的是雷達波,其工作原理如圖1所示。傳感器首先發射一個26 GH z的短微波脈沖（即“脈沖過程”），然后傳感器接收來自水體的反射信號，并將這些信號傳到完整的評估系統。脈沖信號的運行時間直接反映了實際的水位。

2.特點

雷達水位計發射的26 GH z的短微波脈沖不受溫度、濕度、氣壓等環境因素或風雪雨沙等惡劣天氣的影響，性能相當穩定，使得雷達水位計在其工作范圍內具有極高的精度，其誤差范圍為±5 m m，完全達到水位觀測的精度需求。溫度適應范圍廣，操作溫度在攝氏－40℃～80℃之間，完全滿足各種極端天氣的溫度要求。但是雷達水位計幾乎都是在國外生產制造，所以一般價格較高，一旦損壞需寄回國外方可修理，致使其維修周期較長。其主要特點有：

①非接觸測量，不受水體污染，不破壞水流結構。

②雷達波不受溫度、濕度、氣壓影響。

圖1 工作原理圖

表1 誤差數據統計表

③不需建造測井，節省土建投資。

④法蘭或螺紋連接，安裝方便。

⑤無觸點開關元器件。

⑥無機械磨損，穩定耐用。

⑦供電電源和輸出信號使用同一根兩芯線纜。

⑧可通過菜單驅動的字符顯示器在現場操作。

⑨價格高，一旦損壞維修周期長。

三、數據比測

因白蓮涇站為臨時站，建站時間短，且沒有相同位置水文站的水位數據進行比測，故取與其相鄰的黃浦公園水文站、蘇州河閘外站和楊思水文站所測得水位數據進行比測。同步水位觀測對比見圖2。

本次比測從2010年7月12日到2010年8月20日,比測總時間為40d。儀器參數設置:每5m i n采集1次數據，隨采隨存。經過1個多月的比測試驗，共獲得數據11520組，摘錄比測數據1152組，比測期間水位從最高3.94m到最低1.61m，水位變幅達2.33m。

《水位觀測標準》（GBJ138-90）規定：置信水平95%的綜合不確定度不應超過3cm,系統誤差不應超過±1cm。按照ISO《導則》的B類不確定標準：U0.95=2Sg。

其中Sg可用公式表示：

式中：Sg為標準差不確定度；

xi為各次雷達水位讀數；

n為觀測次數。

標準差不確定度Sg用下式計算:

則置信水平95%的綜合不確定度U0.95=2Sg=0.0254 m。

系統誤差Sj可用公式表示：

根據上面兩式計算，置信水平95%綜合不確定度為2.54cm≤3 cm，系統誤差為0.1cm≤1.0 cm，此兩項指標均滿足水文規范要求。

四、數據分析

圖2 相鄰站同步水位觀測對比圖

本次比測變幅、次數、時限均滿足《河流水文觀測技術與標準規范》第三篇第五章第5.2.2條規定：“比測時,將水位變幅分為幾段，每段比測數在30次以上，測次在漲落水面均勻分布，并包括水位平穩、急劇變化等情況下比測值，長期自記水位計應取得1個月以上連續完整的比測記錄”。雖不滿足新儀器比測的時間不得小于1個汛期的規定，但儀器正常運行時間已達4個半月（上海地區汛期一般為4個月，因上海舉辦世博會，汛期延長至6個月）。

本次比測結果中綜合不確定度U0.95達到規范要求，但其數值偏大。統計時段內誤差參見表1。

綜合不確定度偏大主要因素分析：

①黃浦江受潮汐影響水位變幅大、變化速度快。

②該處河段為通航河段，來往船只產生波浪等必然對其產生影響。

③河道內水草、雜物等漂浮物也會影響其測量準確度。

④相鄰測站同樣受潮汐、波浪影響，其所測得水位也可能存在一定測量誤差。

五、結論

FM R250型雷達水位計結構緊湊、安全可靠、裝卸維護簡單、觀測傳輸快捷、精度高，適合在溫差大的常年無封凍河段上使用。通過誤差分析U0.95綜合不確定度和系統誤差不超過規范要求的3cm和±1cm，完全滿足防汛水位的觀測要求。但其存在價格較高、維修周期長、U0.95綜合不確定度偏高、最大絕對誤差達11cm等缺點。

通過此次比測分析并綜合各方面特點，雷達水位計更適合作為浮子水位計的補充，在某些無法建立浮子水位測井的地方可以作為水位觀測儀器加以利用

上海市水文總站200232）