自動雷達水位計在大青河水文站的比測分析與應用探討

鐘 超

（新疆阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836500）

1 比測分析與應用

1.1 測站概況

大青河水系位于海河流域的中部，平均比降3.9‰，流域面積4823 km2，流域西北高東南低，平均海拔1565 m～1302 m 之間，流域形狀近似扇形，流域上游主要是土石山區，河谷窄而深，植被良好；中游主要是黃土塬區，古坡陡立，植被條件較差。流域氣候主要是暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候，夏季炎熱而冬季嚴寒，降水集中且強度大、歷時長。年平均氣溫為11.8℃，7 月～9 月的降水占全年降水總量的65%，暴雨洪水類型主要為陡漲陡落，大青河水文站年均降水量594 mm，年均徑流量0.627 億m3，大青河水文站是大青河流域的重要控制站，其正式的水文要素觀測時間開始于1999 年1 月1 日，建站以來，最大流量實測值為523 m3/s，最大含沙量實測值為584 kg/m3。

大青河水文站房在流域左岸，左岸岸基下游80 m 位置的高速公路橋嵌入河道而后順流延伸30 m，對流域斷面水文要素觀測存在較大影響。流域左岸岸基之上的河道呈大彎形狀，觀測河段河道則基本順直，落差大且流速急，河床則主要由砂礫石、卵石和紅砂巖構成，性狀較穩定；左岸岸頂與水面的距離15.5 m，上部結構主要是黃土和砂卵石，下部結構主要是紅砂巖，距離水面3.0 m，分層較多，質地復雜，由于水流的侵蝕、日曬和冰凍等原因，塌岸常有發生，對水文要素觀測和水沙測驗存在不利影響。

1.2 比測分析與應用的目的

隨著當前國內水文現代化建設步伐的不斷加快，水位自動化觀測技術應用日益廣泛，為了提升水文觀測的自動化水平，確保觀測精度，縮短測報歷時，大青河水文站也安裝了自動雷達水位計并逐漸成為水文站主要的水位觀測儀器。大青河水文站水位陡漲陡落，且洪水期內測量水位、水情、泥沙及流量等的工作量將倍增，水位觀測的時間間隔不能短于6 min，而諸如暴風雨、波浪劇烈起伏、含沙量提高、漂浮物增多等情況都將增大水位觀測的難度和誤差。德國產自動雷達水位計的雷達波由于受到觀測環境、觀測條件、惡劣氣候等因素的影響較小，性能較穩定而適用范圍非常廣，精度也較高，同時還具有水位觀測數據遠程傳輸和自動化處理功能。通過水位觀測數據比測、資料的積累和成果的分析，可以提升大青河水文站自動雷達水位計的應用效果，從而使自動雷達水位計成為大青河水文站主要的水位觀測儀器，這對于降低水文站水位觀測工作強度，縮短測報歷時以及水位觀測數字化、自動化的實現等都具有積極意義，此外還有助于降低因觀測經驗缺乏和偶然原因等而導致的觀測誤差，改善大青河水文站水位測報條件。

2 儀器設備

大青河水文站所安裝的是德國產自動雷達水位計，由于雷達波穩定性高，所以觀測環境、觀測條件、惡劣氣候等因素對于測量結果影響較小，性能穩定，在工作范圍內自動雷達水位計精度有所保障，無需設立測井，操作方便。

自動雷達水位計主要從水位傳感天線進行雷達脈沖的發射以及完成水面反射回來的脈沖的接收，同時記錄全程及各個階段的時間T，再結合電磁波的傳播速度C 便可計算出測量探頭至水面的距離，并根據探頭所安裝的高程以及探頭至水面的距離進行水位的確定[1]。為了提升測流精確程度，自動雷達水位計還可以同時修正聲速溫度。大青河水文站自動雷達水位計的安裝位置在距流域左岸起點25 m 處，直徑6.0 cm的鋼管為支架，混凝土灌注于內，儀器則安裝于6.5 m 的高度，以直徑×長度為0.3 cm×300 cm 的鍍鋅鋼管作為橫臂。大青河水文站自動雷達水位計主要技術參數詳見表1，雷達水位計自安裝運行以來并未出現過故障，無論汛期和冬季都正常運行。

表1 自動雷達水位計主要技術參數

3 比測結果分析與評定

3.1 比測結果誤差計算

大青河水文站自動雷達水位計安裝于基本水尺斷面及試運行后從未出現過任何故障，數據傳輸也從未間斷，為保證分析過程及結果的科學性與合理性，選取大青河水文站雷達探頭著流情況良好且人工觀測記載與雷達水位觀測一一對應的數據進行比測分析。本次對其2014 年6 月10 日8 時～2015 年2月10 日8 時的水位觀測數據進行比對，這一比對期包括豐水期、枯水期、冰期，且觀測期間河面并未封凍，嚴格按照《水位觀測標準》（GB/T50138-2010）及測驗任務書要求每5 min 進行一次水位的采集，對于水位變化數據隨即傳送至遙測終端，如水位不發生變化，則每1 h 傳送一次數據，漲水及退水等過程必須增加觀測次數。經過8 個月的觀測與對比，共采集到6637 組觀測數據，摘錄到比測數據523 組，中高水位（水位＞1084.52 m）500 次，低水位（水位≤1084.52m）23 次，比測過程中水位最高達1086.10 m，最低為1082.34 m，變幅為1.85 m。根據《水位觀測標準》（GB/T50138-2010）的規定，自動雷達水位計比測應按水位變動幅度劃分測段進行，且各段的比測次數至少30 次，水位比測數據95%置信水平綜合不確定值應為3.5 cm，系統誤差應為±1 cm，而對于波浪起伏突出的近海區域，綜合不確定值可以放寬至5.0 cm。比測合格水位變動幅度以內，自動水位計仍處于工作狀態。根據ISO《導則》，水位比測數據的不確定度[2]按下式計算：

其中：

式中：Sg為統計值標準差；Xi為每次所觀測的雷達水位（m）為每次人工觀測水位值的平均值（m）。

結合式（1）可以求得標準差為：

95%的置信水平的不確定度綜合值為：

結合式（2）求得系統誤差為：

結合以上計算結果，95%置信水平的綜合不確定程度為2.29 cm≤3 cm，系統誤差為0.4 cm，均符合《水位觀測標準》的水文規范要求。中高水位段比測中95%置信水平的綜合不確定程度為2.29 cm，雖然符合規范要求，但是取值仍然偏大，可能的原因主要有：2014 年共發生7 場洪水，導致水位幅度劇烈變動；流域河道內漂浮物過多，纏繞測尺，嚴重影響比測的準確程度；數次洪水的發生均未在工作時間內，洪水引起基本測尺斷面漫灘，水位觀測視線模糊，加大觀測誤差。

3.2 比測結果誤差分析

中高水位段和低水位段比測誤差的統計詳見表2 和表3，由表中數據可知，95%置信水平的綜合不確定程度完全符合規范要求，不確定程度超過3 cm 的測次出現次數不少，最大水位的絕對誤差盡達7.5 cm，充分表明，在斷面河勢突變、惡劣氣候及觀測環境改變等情形下，必須通過人工觀測方式加以補測[3]，確保自動雷達水位計水位觀測數據的完整與可靠。

表2 中高水位段誤差的統計

表3 低水位段誤差的統計

4 結論及建議

自動雷達水位計觀測精度高，數據傳輸速度快，結構封閉，裝卸簡便，通過對大青河水文站2014 年6 月10 日8 時～2015年2 月10 日8 時水位觀測數據及計算得出，水位比側綜合不確定度和系統誤差的值均符合《水位觀測標準》（GB/T50138-2010）所要求的95%置信水平的隨機不確定度與系統誤差要求，充分表明自動雷達水位計替代人工水位觀測完全可行。根據自動雷達水位計在大青河水文站的安裝、觀測及使用情況來看，雷達水位計作為一種新型的水位觀測儀器，正常運行且探頭著流的條件下觀測精度即可滿足水位觀測規范要求。如遇斷面河勢突變、惡劣氣候及觀測環境改變等情形，河槽便會左右搖擺致使自動雷達水位計探頭脫流，對于這種情形導致斷面河床水位超97.55 m 時，必須將自動雷達水位計水位觀測與人工水位觀測結合使用，在自動雷達水位計脫流或故障時通過人工方式加以補測，保證水位觀測數據的完整與可靠。