板橋水文站雷達水位計比測分析

李　曼

（陜西省商洛水文水資源勘測局　陜西　商洛　726000）

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板橋水文站雷達水位計比測分析

李曼

（陜西省商洛水文水資源勘測局陜西商洛726000）

摘要為了保證本站水位資料的觀測精度及資料系列的一致性，在水位自動測報儀器設(shè)備正式投入使用前，與原有人工方式進行了平行對比觀測，用以分析水位自動采集儀器設(shè)備工作的可靠性、準確性和觀測資料的精度，為生產(chǎn)實踐提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞雷達水位計；水位觀測；對比分析

板橋水文站位于丹江上游支流板橋河上，1974年7月設(shè)立，測驗項目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)，其中水位觀測通過水尺人工觀讀記載收集。2013年陜西省中小河流水文監(jiān)測第一期項目實施，對河道水位及流量測驗設(shè)施設(shè)備進行了改造，安裝了雷達水位計，實現(xiàn)了水位自動采集傳輸，流量半自動測驗。2014年進行了水位自動采集與人工平行同步觀測，本文就水位平行同步觀測資料進行了分析，評價自動水位采集影響因素和觀測精度，以保證水位自動采集傳輸準確性和一致性。

1　基本情況

1.1流域概況

丹江屬漢江的一級支流，發(fā)源于商洛市商州區(qū)秦嶺南麓的鳳凰山東南側(cè)，有東西兩源，東源從廟溝口向東南流入黑花峪，經(jīng)鐵爐子鄉(xiāng)至黑龍口與西源匯合；西源來自牧護關(guān)以東的秦嶺，向東南流經(jīng)郭家店、秦嶺鋪等地，至黑龍口與東源匯合。從黑龍口向下，丹江流向大致呈西北－東南向，流經(jīng)商州區(qū)、丹鳳縣和商南縣，于商南縣汪家店鄉(xiāng)月亮灣流入河南省。丹江在陜西境內(nèi)的河段長249.6km，從河源至省界高差1184.8m，比降為4.75‰，流域面積為7510.8km2，約占全流域面積的40%。

板橋水文站所在板橋河，為丹江一級支流，發(fā)源于商州區(qū)馬角山，流向由北向南，流程47.5km，至二龍山匯入丹江。流域面積588.2km2，河長47.5km，平均比降13.7‰，海拔730m～1300m，總落差570m。

圖1　板橋水文站以上河流分布圖

丹江流域地形地貌特點為西北高東南低的山地峽谷，多為土石組成的山丘區(qū)。流域內(nèi)森林植被較好，覆蓋率達到40%以上。丹江流域地處我國中緯度偏南地帶，北部邊緣又有秦嶺作屏障，寒流不易侵入，使丹江流域同時具有亞熱帶氣候和暖溫帶氣候的特點。由于北部有秦嶺高山阻擋，夏季東南及南部的暖濕氣流常會帶來大量的水汽，加上地勢起伏懸殊，相對高差大，受地形抬升作用，常常形成局部暴雨。河道洪水多由降雨形成，暴雨時由于山體坡度大，匯流快，很快形成洪峰。暴雨停后，河道流量迅速減少，常形成尖瘦型的洪水過程，充分體現(xiàn)了河源段山區(qū)性洪水暴漲暴落的特點。來沙為上游降雨侵蝕與河床沖刷,特大暴雨時有泥石流發(fā)生。

圖2　板橋水文站測驗河段地形圖

圖3　自動水位測報系統(tǒng)組成示意圖

圖4　自動（原始）與人工觀測水位過程線圖

圖5　自動（修正）與人工觀測水位過程線圖

1.2水文站概況

板橋水文站位于陜西省商州區(qū)板橋鄉(xiāng)兩岔河村，地處東經(jīng)109°57′01″,北緯33°57′43″,是丹江干流源頭站，距商洛市15km,北約15km為洛南縣的四皓嶺,僅以黃沙嶺相隔，站房后緊靠西合鐵路。控制流域面積493km2，距離板橋河口2.0km。

板橋水文站為國家基本水文站和省級重要水文站，屬丹江上游區(qū)域代表站，設(shè)站目的主要是為防汛抗旱、水庫水電站建設(shè)運行、水資源開發(fā)利用服務(wù)，測驗項目有水位、流量、泥沙、降水及蒸發(fā)。該站多年平均降雨量為729.0mm，年際間變化較大，降雨季節(jié)變化明顯，夏季6月～8月的降雨量約占年降雨量的40%～60%，汛期5月～10月的降雨量約占年降雨量的80%～90%。多年平均徑流量為8752×104m3，輸沙量為9.63×105t，歷史調(diào)查最大流量為1957 年7月16日發(fā)生的1030m3/s，實測最大流量為1988年8月14日發(fā)生的588 m3/s，最小流量為1979年6月16日實測的0.025 m3/s。

該站測驗河段基本順直，左岸為人工河堤，右岸為石山坡，高水時漫溢堤頂，左岸形成漫灘，河床為沙礫石組成，沖淤變化較大。低水位水流不順直，基本水尺斷面上游200m有大荊河匯入，基本水尺斷面下游約2km為二龍山水庫庫區(qū)，浮標、比降斷面重合，上、下斷面間距120m，基本水尺斷面兼流速儀和浮標測流斷面。

2013年前，板橋水文站測驗項目均以人工方式進行觀測和測驗。2013年建設(shè)安裝了自動雨量、水位測報和半自動流量測驗設(shè)施設(shè)備，其中雨量自動監(jiān)測設(shè)備建設(shè)在測站氣象場內(nèi)，通過有線連接RTU(遠程終端控制系統(tǒng)）。自動水位監(jiān)測設(shè)施設(shè)備建于測驗河段左岸，所在位置和基本斷面重合。

板橋水文站以上河流分布及測驗河段情況見圖1、圖2。

1.3水位觀測設(shè)施設(shè)備概況

（1）人工水位觀測設(shè)施

人工水位觀測設(shè)施以直立式水尺為主，借下河道路局部設(shè)斜坡水尺。基本水尺斷面、上比降和下比降3個斷面共設(shè)18支直立式水尺和3組斜坡水尺，人工觀讀水尺讀數(shù)推求水位。

圖6　水位誤差頻率曲線圖

表1　2014年5月至9月誤差和頻率分析統(tǒng)計表

（2）自動水位測報設(shè)施設(shè)備

測站自動水位測報系統(tǒng)主要設(shè)施設(shè)備由基座、水位計支架、智能終端（RTU）、通信設(shè)備、供電電源（太陽能板）及避雷針等部分組成（見圖3），其中核心設(shè)備為雷達水位計和RTU。板橋水文站雷達水位計為微碼特公司生產(chǎn)，RTU為北京微碼特SMARTDATA-1000型產(chǎn)品。

雷達水位計采用雷達波測量到水面的距離，實際上是一臺雷達測距儀。雷達波測量不受溫度、濕度、風速、降雨等環(huán)境因素影響。雷達水位計以非接觸方式測量水位，亦不受水體影響，是水位測量最理想的設(shè)備。水位數(shù)據(jù)采集后進入RTU，再通過GPRS/GSM信道發(fā)送至測站辦公室及商洛水情分中心，經(jīng)接收處理進入查詢處理終端機及分中心數(shù)據(jù)庫。

2　平行對比觀測及資料采用

2.1平行對比觀測

2014年板橋水文站開展雷達水位計與人工水位平行對比觀測。為了保證分析成果的代表性，需要高、中、低水時均有一定數(shù)量的對比觀測數(shù)據(jù)，因此，對比平行觀測安排在2014年主汛期進行。但由于該站2014年7月12日漲水，河道沖於變化大，主流偏離雷達水位計探頭監(jiān)測范圍，無自動水位觀測數(shù)據(jù)。2014年9 月12日主流回歸雷達水位計探頭監(jiān)測范圍，開始進行平行對比觀測。平行對比觀測期限為2014年9月12日至10月13日。

雷達水位計觀測頻次按24段制，即每1小時觀測1次，每天24次，并在水位變幅較大時，按照水位觀測規(guī)范，按6min及其倍數(shù)加密觀測次數(shù)，以能控制水位變化過程。

2.2資料采用

由于人工水位觀測頻次按按12段制，水位變幅較大時按加密觀測。為了使分析數(shù)據(jù)一致，資料采用遵循凡人工觀測有資料的水位測次，對應(yīng)的雷達水位計測次資料均采用。

3　水位數(shù)據(jù)對比分析

3.1分析方法步驟

（1）資料整理及合理性檢查

①根據(jù)數(shù)據(jù)資料采用原則，按照時間對應(yīng)，整理雷達水位計和人工觀測水位數(shù)據(jù)，在同一張圖上，點繪自動及人工水位過程線（見圖4）。

②分析水位漲落是否一致，如果不一致，檢查分析原因，分析對比數(shù)據(jù)序列是否滿足對比分析要求。經(jīng)檢查，9月15日至9月18日自動觀測水位有8次比人工觀測水位偏大6.16m左右，明顯不合理，因此根據(jù)人工水位進行了修正（見圖5）。

（2）資料數(shù)據(jù)分析

①以人工站觀測時間的人工水位數(shù)據(jù)與水位計自動觀測水位數(shù)據(jù)，計算同時間兩者水位誤差。

②對水位誤差進行頻率計算，分析85% 和95%對應(yīng)的誤差（見圖6）。

3.2對比觀測結(jié)果分析

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（1）同步單次自動與人工水位對比

通過自動水位原始數(shù)據(jù)和人工觀測數(shù)據(jù)以及同步水位比測數(shù)據(jù)，人工和自動監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差較大發(fā)生在9月11日落水階段，從對比數(shù)據(jù)上，最大誤差為0.12m，自動水位小于人工水位。

（2）月平均自動與人工水位對比

根據(jù)時段自動及人工水位對比觀測資料，分別計算2014年5月至9月平均水位，計算其誤差，結(jié)果見下表。

（3）數(shù)據(jù)采集分析

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，自動站數(shù)據(jù)采集除發(fā)生水位變幅外，采集數(shù)據(jù)為1h，水位采集還有奇異值出現(xiàn)，如9月17日15時至9 月18日9時，開始發(fā)生較正常水位高6.16m左右水位8次，且無任何規(guī)律。

（4）數(shù)據(jù)接收分析

4　水位對比分析結(jié)論

（1）通過對比數(shù)據(jù)分析，板橋水文站人工水位和自動水位變化趨勢一致，總體誤差變化不大，滿足《水位觀測標準》(GB/T50138.2010)規(guī)定要求。

（2）較大洪水過后受河床沖淤，易受河道變化、主槽變化影響，雷達水位計探頭籠罩受限，出現(xiàn)水位誤差較大，不能完全依靠自動水位計。

（3）特大、特小跳躍值系干擾造成，須剔除。

（4）雷達水位計儀器本身精度可靠，儀器可以投入生產(chǎn)實踐。

5　建議與對策

（1）對設(shè)備采集時間制式進行重新設(shè)置，按6min時間滑動采集。

（2）對特異值，系電磁波干擾所致，資料應(yīng)用時進行濾波，予以剔除。

（3）因斷面沖淤、橫比降造成較大誤差時，采用人工觀測訂正。

（4）注意定期對雷達水位計進行人工校準。

6　結(jié)語

通過對比分析，DCRD1000A3型雷達水位計觀測誤差滿足水位觀測標準（GB/T50138.2010）的要求，自動監(jiān)測設(shè)施的投入使用，使觀測方法和信息采集傳輸由人工化向自動化、數(shù)字化轉(zhuǎn)變，提高了水文監(jiān)測的自動化水平，減輕水文職工的工作強度，縮短了測報歷時，很大程度的提高了工作效率，同時減少水位觀測的誤差，并且提高了水文觀測資料的精度和可靠性。今后可以將其作為一種常用的水位觀測設(shè)備加以利用。陜西水利

（責任編輯：暢妮）

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