制材廠水文站雷達水位計替代人工觀測可行性分析

丁 濤

（新疆維吾爾自治區昌吉水文勘測局,新疆 昌吉 831100）

1 頭屯河制材廠站基本概況

頭屯河制材廠水文站是一座位于新疆烏魯木齊縣小渠子鄉謝家溝村的國家基本水文站,初始建造日期為1957 年5 月,該站海拔高度為1430 m。頭屯河的發源地位于天山東段的北坡,其徑流主要來源于大氣降水、中低山帶季節性的積雪融水、地下水和高山冰川的融水。整個流域的平均高程是2774 m,河長則是49 km,集水面積達840 km2。雖然洪峰持續時間較短,但最長洪峰歷時大約8.5 天,而最短持續時間則只有2.5 天。在一年當中,水流和泥沙的運動呈現出明顯的集中現象,特別是在夏季月份（5 月～8 月）,這種現象更加明顯。水流和泥沙的高峰期基本上是相同的,而且河道的斷面相對穩定,水位和流量之間的關系也多呈現出單一曲線。

2 雷達水位計的架設和人工觀測方法

在制材廠（五）站所使用的水位計是SEBA PULS20 型雷達水位計,這是一種專業的水文儀器,它使用電磁波進行水位測量,其精度高、性能穩定、維護簡單。電磁波的傳播速度不受溫度、濕度、氣壓、雨雪和風沙等環境影響[1]。

按照水位（流量）的劃分,三個不同水位的范圍被確定為三個測段,每個測段需進行超過30 次的測量,以確定水位的變化情況。為了確保比較數據的時間一致性和比較數據序列的連貫性,我們使用人工觀測水位和雷達水位計同步記錄的水位進行對比分析。

制材廠（五）站采用搪瓷直立水尺作為人工觀測的方式。從5 月1 日～9 月10 日,每天凌晨八點、晚上八點以及測流期間,我們會進行人工觀測水位。在洪水期以及水位急速變化的時期,我們會加強人工觀測,以確保測點所記錄的水位變化過程是完整的。這樣做可以保證水位信息的準確性和及時性,為水利工作提供有效的數據支持。

3 比測的目標和主要依據

依據《水位觀測規范》（GB/T 50138-2010）規定,若要進行新安裝自記水位計或更換儀器類型,必須先進行比測。只有通過比測合格審核,才能放心地啟用儀器。雷達水位計的實現將代替人工觀測水位數據,從而減輕測站人員的工作量。這一舉措使得水文測站實現了信息化和自動化,讓測站人員的人力得以充分解放出來。

4 比測數據的選用

在多次嚴謹的現場調試和確認之后,制材廠（五）決定于2022 年5 月1 日～9 月10 日展開雷達水位計記錄水位與人工觀測水位比測比測數據的收集工作。在這個過程中,制材廠（五）工作人員會付出更多的努力,以確保數據的精準性和可靠性。

具體測量數據共有366 對：水位低于1432.55 m 時水少,水少數據有310 對,占84.7%。水位為1432.55 m～1433.05 m,中水數據為54 對,占高水的14.8%,當水位高于1432.55 m 時,高水數據為2。對比為0.5%,所選數據符合《水位觀察規范》（GB/T 50138-2010）中“6.2.2 比測量”的要求。并且可以根據水位的寬度和每個特定測量的數量在多個測量段中單獨進行30 多次。

5 分析收集測量數據的相關性

通過對比分析366 對數據,建立了兩組數據之間的相關關系,并進行相關分析。結合相關關系圖,可以發現水位數據的分布呈現出一種帶狀密集趨勢,且相關系數R值為0.9913,見圖1,這表明雷達水位計所記錄的水位與人工觀測水位具有高度相關性,同時雷達水位計所記錄的水位的“三性”也符合技術規范的要求。

圖1 制材廠站雷達水位計與人工觀測水位相關關系圖

2022 年制材廠雷達水位計和人工觀測水位之間的相關關系可以從圖1 中得知。通過比較人工觀測水位和雷達水位計記錄的水位數據,將水位數據點繪成水位過程線。

對水位變化進行分析,判斷是否連續變化,峰谷相應是否合理,并檢測是否出現過突變情況。分析數據得知,在5 月～9 月期間,兩組水位數據的變化是連續的,水位過程線的峰形也是一致的,沒有出現陡漲或陡落的情況。同時,它們的漲落變化趨勢是完全一致的。相關的水位過程線見圖2。

圖2 制材廠雷達水位計與人工觀測水位過程線圖

6 分析比測數據的測量誤差

6.1 統計法

《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）中的附錄E.0.6規定,當采用自動監測設備監測水位時,必須按照以下方式來估算不確定度。

（1）按以下方式計算系統不確定性：

式中：Pyi為自動水位監測；Pi為人工測量水位；N為測量次數。

（2）應按以下方式計算隨機不確定性：

（3）綜合不確定度的計算公式：

（4）計算系統誤差的公式：

式中：Pyi為自動水位監測；Pi為人工測量水位；N 為測量次數。

按頻率計算劃分：水位低于1432.55 m,流速小于22.7 m3/s,水位介于1432.55 m～1433.05 m,流速為22.7 m3/s～62.7 m3/s。水位高于1433.05 m,流速大于62.7 m3/s,將比測數據分為低水、中水、高水,并計算數據的系統不確定度、隨機不確定度和綜合不確定度。

根據《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010 6.2.3）的要求,綜合水文站95%的綜合不確定性水平為3 cm,系統誤差應為±1 cm。制材廠水文站的雷達水位計比測數據系統綜合不確定度為3 cm,其中不確定度包括隨機不確定度為3 cm 和系統誤差為0.19 cm,而總不確定度為0.1940 cm 符合技術規范要求。制材廠水文站雷達水位計比測系統精度是符合規范的,它的綜合不確定度是3 cm,包括隨機不確定度和系統誤差。此外,該系統的不確定度為0.1940 cm,符合技術規范的要求。

6.2 平均值分析

2022 年5 月1 日～9 月10 日,制材廠（五）開始進行雷達水位計記錄數據和人工觀測數據的收集工作。在這段時間里,制材廠（五）站工作人員用心搜集每一份數據,以確保數據的準確性和可靠性。每天通常會進行兩次水位觀測,時間分別為早上八點和晚上八點。觀測完畢后,會及時記錄下當天的水位,然后計算出日均水位。根據統計計算,人工觀測和自記儀器所得的旬平均水位和月平均水位誤差相等；而在人工觀測和自記儀器所得的水位數據中,相互的誤差達到了零。

6.3 突出點和虛假信息分析

經過比較人工觀測水位與自動記錄水位,共計366 組數據,發現其中有28 組數據誤差異常,最大誤差高達0.16 m。水位誤差的原因復雜多樣,其主要原因為在水流較大的時候,水面波浪十分猛烈,而我們使用的雷達記錄水位是瞬時值,這導致了自動記錄水位和人為觀測水位的誤差疊加[2-3]。在進行水位不確定度計算時,我們進行了訂正處理以確保計算結果的準確性。

6.4 測量誤差分析

根據對366 組水位數據進行的分析,可以得出以下結論：在低水區間段中,有21 次數據的誤差為±3 cm,有49 次數據的誤差為±2 cm,有110 次數據的誤差為±1 cm,有130 次數據的誤差為0 cm。在中水區間段的測量數據中,誤差范圍在±3 cm的僅出現了1次,而±2 cm的誤差則出現了7次,±1 cm 的誤差更是出現了19 次。完全準確的測量結果（誤差為0 cm）則出現了27 次。根據分析結果顯示,雷達水位計記錄的數據可以替代人工觀測數據。其中,高水數據極少,僅有2 次。而在高水數據中誤差在±3 cm 以內的次數也為2 次,且100%的數據誤差在±3 cm 以內。低水和中水則最大誤差都是3 cm,但是在低水區間段的數據和中水低水區間段的數據誤差等于±3 cm 的數據占比較少,分別為6.8%和1.8%。

7 結論與建議

7.1 結論

（1）經過對數據的分析統計,以及對水位過程線、誤差和相關性的分析,可以明確得知,5 月1 日～9 月10 日之間的兩組數據,其水位變化過程是連續的、水位過程線峰形相似,沒有發現任何突變現象,同時也顯示出漲落趨勢基本一致。雷達水位計所記錄的水位數據誤差較小,雷達水位計和人工觀測水位之間的相關性極佳,系統不確定度為0.1940 cm,加上隨機不確定度3 cm 后綜合誤差為3 cm,完全符合《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）中6.2.3 的規定。這個結論足以表明數據的可靠性。

（2）從本次數據分析的結果來看,可以得出SEBA PULS雷達水位計在正常工作職責下具備非常優秀的觀測精度,這種精度可以滿足規范技術的要求,制材廠（五）站可以采用雷達水位計記錄數據替代人工觀測,實現自動化生產和管理,向高效、高質、高效益的目標邁進。

7.2 建議

（1）定期維護雷達水位計RTU 并更新補充完善程序,在未來的水文測驗中,應該及時記錄中級水位和高級水位的水文數據,不斷豐富和完善分析方法,以形成一個全面的方案。這樣做可以更好地分析和理解水位變化情況,從而做出更準確的預測和決策。

（2）在記錄水位時,建議使用雷達水位計,并定期進行人工同步校驗以確保數據的準確性。對雷達水位計進行定期的維修和保養,并及時修復發現的故障,以確保水文測站能夠常規性地使用雷達水位計進行水文觀測,并在雷達故障時采用人工觀測進行比較分析,從而確保水文數據的連續性和準確性。