狀頭（四）水文站雷達水位計與人工觀測水位對比分析

廖 莎

（陜西省水文水資源勘測局,陜西 西安 710068）

0 引言

狀頭（四）站位于蒲城縣永豐鎮蔡村洛河橋邊，東經 109°50'，北緯 35°00'，流域面積 25 645 km2，距河口里程130 km。1933年設立，狀頭（四）站為北洛河下游控制站，國家重要水文站。主要任務是收集北洛河下游段水文特征，掌握北洛河水量、水質、沙量變化規律。為開發利用北洛河水利資源提供科學依據，為北洛河下游及三門峽庫區防汛提供雨水情報、預報，為洛惠渠灌溉管理計劃用水服務。

1 水文特性

狀頭（四）站距河口里程130 km。多年平均降雨量為555 mm，森林覆蓋率25.3%，屬暖溫帶大陸性半干旱季風氣候，年平均氣溫13.3 ℃。

狀頭（四）站調查最大洪峰流量10 700 m3/s（1855-7-29），實測最高洪水位 377.15 m（1994-9-1，人工觀測），最大洪峰流量6 280 m3/s（1994-9-1水位推求，也是建站以來最大流量），實測最大流量 6 140 m3/s（1994-9-1，相應水位 377.12 m，浮標），實測最大含沙量1 190 kg/m3（1950-8-31，相應流量 365 m3/s，積點法），多年平均徑流量 8.32×108m3，多年輸沙量9 380×104t，多年平均降水量478 mm，多年平均蒸發量1 643 mm。

2 測驗河段概況

該站測驗河段比較順直，下游約210 m處有一“C”形彎道，左岸上游340 m處有大浴河匯入。卵石、沙質河床，左岸為沙土臺階，右岸為河卵石組成陡坡，河床沖淤變化較大，斷面控制差。基本水尺斷面上游100 m處有西禹大橋兩座（一座舊橋，已廢棄；一座為新橋，正在使用）、中高水有阻水現象。洪水主要來源于交口河站以上干流，洪峰多為單式峰，峰形尖瘦。水位-流量關系多呈繩套曲線。中、低水中泓位置在起點距125 m左右，高水在105 m左右。中、低水受上游大峪河匯入產生異流影響，流速橫向分布偏左岸；受縱斷面凹形影響，流速縱向不穩定。

測驗斷面設有上、中、下3個測驗斷面，基本水尺斷面兼浮標中斷面及流速儀測流斷面，上、下浮標斷面間距180 m，上浮標斷面兼上比降斷面，下比降斷面距基本斷面110 m，基本斷面架設有開口式吊箱鉛魚纜道，用于高、中、低水流量、泥沙的測驗，基本尺斷面上游100 m處公路大橋用于特殊水情時浮標法測流。

距基本水尺斷面起點105 m處建雷達水位塔1座，安裝有雷達波水位計1套，是本次使用的自記水位計。

3 儀器設備

3.1 自記水位計設備

狀頭水文站雷達水位監測系統主要由雷達水位計探頭，水位遙測終端，安裝支架，供電系統，傳輸系統及配件組成。雷達水位計其水位是儀器測得的雷達波往返于傳感器到水面之間的時間，乘以光速得到距離，再用傳感器安裝高程減去其所測至水面的距離即得水位。水位計安裝經過專業技術人員測試，安裝穩固，滿足測驗技術要求。

3.2 人工觀測水位設備

人工水位觀測，主要是利用該站設立的直立式水尺觀測水位。觀測人員直接在水尺上讀取水尺讀數計算水位，在水位記錄表中填記數據。人工觀測水位的時間及觀測次數主要是依據《測驗任務書》及《水位觀測標準》執行，以完全滿足掌握水位變化過程為原則。觀測時間采用石英鐘觀測計時，誤差精度在±0.5 min/日內，完全滿足規范對時差的要求，分析中不再考慮比測的時間誤差。

4 比測分析緣由及資料選用

4.1 水位比測分析的緣由

由于自記水位計與人工觀測水位的設施設備在實際運行中觀測方法及外界環境因素復雜多變，都可能給水位觀測帶來一定的誤差。對比分析正是為了消除水尺零點高程測量的不確定系統誤差、水尺刻畫的不確定系統誤差、水尺觀讀的隨機誤差以及雷達水位計安裝的不穩定性、零點高程及有關參數設置后外界因素隨后的變化影響，水位測量值的不確定性。因此，為了消除自記水位計與人工觀測數據之間的誤差，為采用自動監測設備監測水位奠定基礎。需通過分析自動監測水位的系統不確定度及隨機不確定度來確定自記水位設備的合格性。

4.2 水位比測分析的資料選用

2019年該站從8～9月實行的人工與自記同步比測觀測工作，從全年資料運行來看，自記水位計記錄運行基本正常。為滿足資料分析及水位觀測標準要求，本次分析分別從全年資料中選用了具有代表性的8、9月份水位對比觀測資料，進行人工基本水尺水位觀測數據與雷達水位計水位觀測數據對比分析。

5 水位比測分析的依據

（1）依據 GB/T 50138-2010《水位觀測標準》，比測結果需符合置信水平95%的綜合不確定度應為3 cm，系統誤差應為±1 cm。

（2）依據SL 61-1015《水文自動測報系統技術規范》第5.3.2.4條b）水位計及本站安裝的水位計精度參數：水位監測傳感器分辨率為0.1 cm或1.0 cm的水位計，水位變幅大于10 m時，量程95%的測點允許誤差不大于全量程的±0.3%。選用的水位計準確度、靈敏度、回差、重復性誤差應滿足GB/T 27993-2011的要求。水位計測量準確度符合水位計準確度等級允許誤差的規定（95%置信度）。則認為自記水位計符合該規范要求，該水位計試用合格。

（3）依據SL 61-1015《水文自動測報系統技術規范》第5.3.2.5條之規定，水位計的系統可靠性和設備可靠性也必須滿足：

1）系統數據收集的月平均暢通率應達到98%以上，數據處理作業的完成率應大于95%，數據存儲的差錯率不高于0.01%；

2）系統通過網絡傳輸數據的暢通率宜達到99%以上。

6 評定方法

根據規范E.0.6采用自動監測設備監測水位時，其不確定度應按下列方法估算：

6.1 系統不確定度

式中Pyi—自記監測水位；Pi—人工校測水位；N—校測次數。

結果為2%。

6.2 隨機不確定度

結果為8.3%。

6.3 綜合不確定度

結果為8.5 cm。

7 分析評定

（1）依據GB/T 50138-2010《水位觀測標準》通過比測計算分析，比測結果置信水平95%的綜合不確定度為8.5 cm＞5 cm，系統誤差為-2.0 cm＞±1 cm。

（2）依據《水文自動測報系統技術規范》第5.3.2.4條b）本站水位計及本站安裝的水位計水位監測傳感器分辨率為1.0 cm，水位變幅13 m時，量程98.6%的測點允許誤差大于全量程的±0.3%。不滿足95%的測點允許誤差不大于全量程±0.3%的要求。通過數據比對計算，認為自記水位計不符合規范該項要求，認為該水位計需繼續進行比測。

（3）依據SL 61-1015《水文自動測報系統技術規范》第5.3.2.5條之規定，水位計的系統可靠性和設備可靠性滿足以下要求：

1）系統數據收集的月平均暢通率達到了99%以上，數據處理作業的完成率達到98.4%，數據存儲的差錯率小于0.01%；

2）系統通過網絡傳輸數據的暢通率達到99.5%以上。

從比測結果可以看出，自記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，綜合不確定度的最大值為8.5 cm＞5 cm；系統誤差最大值2 cm大于規范規定的±1 cm誤差范圍，不符合置信水平95%的誤差要求。通過計算分析，狀頭（四）站雷達水位計需繼續進行比測分析。

8 結論

通過該站選用的8月、9月雷達自記水位計資料與人工觀測水位對比（水位變幅361.30 ～362.94 m，比測次數321次）資料分析，該站的系統誤差和隨機誤差均不滿足規范對雷達水位計的使用要求。說明本站使用的雷達水位計，觀測精度不符合規范要求。該站的雷達水位計需繼續進行比測分析。