上阿圖什干渠人工和自動觀測水位資料對比分析

克力奇別克·沙爾胡力

（新疆克孜勒蘇水文勘測局，新疆 阿圖什 845350）

0 引言

恰其嘎水文站測驗斷面位于阿圖什市上阿圖什鎮拉依勒克村，是恰克馬克河出山口水量控制站，水文站以上河長127 km，集水面積3795 km2。上游150 m 處為恰克馬克河分水閘。測驗斷面分為四個斷面。其中上阿圖什干渠為梯形人工渠道，斷面規則、平滑，水位流量關系比較穩定，是單一曲線。為了減少觀測數據人工誤差，提高觀測數據精度，2019年5月在上阿圖什干渠測驗斷面上布設了雷達水位計，對水位進行自動觀測，6月正式投入使用。

為驗證自動觀測數據是否滿足觀測要求，精度是否達到觀測標準，對上阿圖什干渠水位人工觀測數據與雷達水位計自動觀測數據進行對比分析，驗證水位自動觀測數據的可行性。

1 測驗斷面概況

1.1 上阿圖什干渠測驗斷面概況

恰其嘎水文站測驗斷面位于阿圖什市上阿圖什鎮拉依勒克村，是恰克馬克河出山口水量控制站，水文站以上河長127 km，集水面積3795 km2。上游150 m 處為恰克馬克河分水閘。測驗斷面分為四個斷面。上阿圖什干渠測驗斷面位于恰克馬克河渠首以下150 m 處，為四個測驗斷面之一，為梯形人工渠道，長約12.5 km，總容量為7 m3。主要觀測項目包括：水位、流量等，為阿圖什市上阿圖什鎮提供農業灌溉水。

一般情況下，上阿圖什干渠（上阿圖什干渠下游有向南支流放水的渠道）和阿扎克干渠3月～11月有水，為農業灌溉使用。據克州水利局提供的資料說明：在枯水期和平水期，或當河道來水12 m3/s＜Q＜100 m3/s 時，克州阿圖什市恰克馬克灌區用水占75%，喀什疏附縣拜什克然鄉用水占25%；當河道來水Q＞100 m3/s 時，下泄洪水由下游兩河道各承擔50%。因而水量主要集中在渠道，渠道水位流量關系好，提高了水文測驗精度。為了減少觀測數據人工誤差，提高觀測數據精度，2019年5月在上阿圖什干渠測驗斷面上布設了雷達水位計，對水位進行自動觀測，6月正式投入使用。

1.2 水文測驗情況

上阿圖什干渠斷面測驗情況如下。

（1）水位：水位用傾斜式式水尺及雷達水位計自動觀測，平水期一般每日8 時（10 時）、20 時觀測兩次，汛期視水情變化進行加測；

（2）流量：由于測流斷面為人工渠道斷面，水位流量關系比較穩定，為單一曲線，為此，采用流速儀法進行人工測流。根據測站水文特性的一般規律，為了保證測驗精度的最低次數的限制數，每年至少測流12 次，便可滿足測驗整編要求；

（3）泥沙：泥沙采用采樣桶進行取樣，由于上游水閘分水放水流量情況不固定，取樣垂線不固定。全年用水面一點法施測，全年單樣含沙量取樣次數379 次，懸移質輸沙率測次為10 次，單沙垂線數一般為3～6 條。泥沙處理均采用過濾烘干法處理。

3 水文測驗資料整編及分析

3.1 水文資料整編概況

3.1.1 上阿圖什干渠斷面資料整編情況

（1）水位：在汛期觀測多次且不等時距、或水位變幅較大的采用面積包圍法計算日平均水位，平水期一般用算術平均法計算日平均水位。另外，現使用雷達水位計進行水位觀測，將對自動觀測數據與人工觀測數據進行對比分析，驗證觀測數據可行性。

（2）流量：由于測流斷面為人工渠道斷面，水位流量關系比較穩定，采用流速儀法進行人工測流，流量采用單一曲線法推求，最后四個斷面流量合并計算流量成果。

3.2 自動觀測和人工觀測資料對比分析

3.2.1 對比誤差計算方法

上阿圖什干渠斷面人工觀測和雷達水位計自動觀測數據對比誤差用以下公式：

式中：E為相對誤差；L為水位人工觀測值；為水位雷達水位計自動觀測值。

上阿圖什干渠6月10 日～8月31 日人工及雷達水位計自動觀測水位數據共166 組，相對誤差大于過0.03 的數據有6 組，占總數的3.6%，小于等于0.03 的數據有160 組，占總數的96.4%。

3.2.2 自動觀測和人工觀測數據對比結果

因上阿圖什干渠斷面雷達水位計2019年6月安裝調試完畢，并正式投入使用，所以這次對比分析只用2019年6月10日～8月31 日早晨8：00 和晚上20：00 的數據，共83 d，332 組水位數據進行對比分析。

上阿圖什干渠斷面水位人工觀測數據整編后6月份最高水位為8.27 m，最低水位為7.81 m，水位變幅為0.46 m。雷達水位計自動觀測數據最高水位為8.24 m，最低水位為7.81 m，水位變幅為0.43 m。7月份人工觀測最高水位為8.28 m，最低水位為7.48 m（渠干），水位變幅為0.80 m，雷達水位計自動觀測數據最高水位為8.30 m，最低水位為7.48 m（渠干），水位變幅為0.82 m。8月份人工觀測最高水位為8.23 m，最低水位為7.48 m（渠干），水位變幅為0.75 m，雷達水位計自動觀測數據最高水位為8.25 m，最低水位為7.48 m（渠干），水位變幅為0.77 m。

根據水位觀測測驗規范要求，每日水位人工觀測兩次，采用算數平均法，而雷達水位計每5 分鐘觀測一次水位，并采用面積包圍法計算每日平均水位，因自動觀測和人工觀測水位數據日平均水位計算方法不一致，無法對比逐日平均水位。

3.2.3 自動觀測和人工觀測數據計算分析及評定

根據《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010），比測結果應符合置信水平95%的綜合不確定度應為3 cm，系統誤差應為±1 cm；波浪問題突出的近海地區水位站，綜合不確定度可放寬至5 cm。

1）系統誤差定度：

式中：P為人共觀測數據；PY為自動觀測數據；N為觀測對比次數。

2）隨機不確定度：

3）綜合不確定度：

比測結果見表1。

表1 上阿圖什干渠比測結果誤差計算表

從比測結果可以看出，雷達水位計的觀測數值和人工觀測數值均符合水位觀測規范要求，綜合不確定度最大值0.6914小于3 cm；系統誤差最大值0.0081 在±1 cm 范圍內。

3.2.4 自動觀測和人工觀測數據逐時過程線對比分析

根據《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）6.2 自計水位計的比測中第6.2.1 條規定：比測可按水位分幅、分階段分別進行，每階段比測次數應在30 次以上。本次比測分別分析選用上阿圖什干渠2019年6月10 日～8月31 日，早晨8 點和晚上20 點雷達水位計采集數據和人工觀測水位數據進行對比。

根據選用數據，得出水位逐時過程線對比圖和線性相關關系對比圖（見圖1～圖7）。

圖1 上阿圖什干渠自動觀測和人工觀測水位過程線對比（6月份8 點）

圖2 上阿圖什干渠自動觀測和人工觀測水位過程線對比（6月份20 點）

圖3 上阿圖什干渠自動觀測和人工觀測水位過程線對比（7月份8 點）

圖4 上阿圖什干渠自動觀測和人工觀測水位過程線對比（7月份20 點）

圖5 上阿圖什干渠自動觀測和人工觀測水位過程線對比（8月份8 點）

圖6 上阿圖什干渠自動觀測和人工觀測水位過程線對比（8月份20 點）

圖7 上阿圖什干渠自動觀測和人工觀測水位線性相關系圖

根據圖7 可知，上阿圖什干渠測驗斷面雷達水位計觀測數值和人工觀測數值線性關系良好。

4 結論

（1）上阿圖什干渠測驗斷面雷達水位計在2019年6月10 日～8月31 日對比觀測期間收集觀測對比數據332 組，根據分析，準確度能滿足《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）6.2自計水位計的比測中第6.2.1 條規定，準確度符合置信水平95%的誤差要求。

（2）雷達水位計的觀測數值和人工觀測數值均符合水位觀測規范要求，綜合不確定度最大值0.6914 小于3 cm；系統誤差最大值0.0081 在±1 cm 范圍內。

（3）雷達水位計的觀測數值和人工觀測數值相對誤差大于0.03 的數據有6 組，占總數的3.6%，小于等于0.03 的數據有160 組，占總數的96.4%，符合《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）6.2 自計水位計的比測中第6.2.1 條規定。

（4）雷達水位計的觀測數值和人工觀測數據逐時過程線趨勢基本一致，對比過程中產生的誤差。人工在不同高度、不同方位觀測到的水位也會產生視覺上的誤差，雖然兩者觀測的目標物體相同，但它們是兩種不同的水位觀測模式和觀測機制，兩者自身都存在規范認可的誤差范圍。

（5）雷達水位計結構緊湊，性能穩定，工作可靠，能夠實現水位的自動存儲與傳輸，觀測精度按現有規范完全滿足精度要求。可代替人工觀測水位數據。在日后的工作中要加強雷達水位計保養和維護，使之在水文現代化進程中發揮更好的作用。