则克台水文站雷达水位计与人工观测水位的综合比测分析_周良川.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 078则克台水文站雷达水位计与人工观测水位的综合比测分析周良川(新疆伊犁水文勘测局，新疆 伊宁 835000)摘要则克台水文站断面不同时期水位变幅较大，为提高测站水位观测的及时性和准确性，引入雷达水位计实现测站断面水位自动观测，为对其水位观测精度进行验证，结合人工观测方式进行同步分析。结果表明:按照水位观测标准(GB/T50138 2010)规范要求，则克台水文站雷达水位计与人工水位观测的比测综合误差均可满足测验误差要求，可用于测站断面水位的连续、自动观测，研究成果对于伊犁地区水文测站自动测报技术奠定基础。关键词雷达水位计;比测综合误差;测验精度验证;则克台水文站;新疆伊犁地区中图分类号P335+1文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0229 03收稿日期2022 08 19作者简介周良川(1990 )，男，新疆新源人，工程师，主要从事水文水资源方面工作。随着水文现代化测验技术的快速发展，雷达水位计已在国内许多水文测站中得到应用1。雷达水位计可实现断面水位自动、连续观测，可极大提升水文测验断面测报的时效性2。但由于河道水位变幅较快，且中高水时由于河流水面表面流速过快，其对雷达水位计的观测影响较为明显3。为保证河流水文测验断面水位观测的准确性，满足水位观测标准(GB/T50138 2010)规范要求，需要结合人工水位观测方式对雷达水位计的水位观测精度进行对比观测4。近些年来，国内许多地区水文测站已开展过雷达水位计的比测分析4 10，但这些比测大都进行单一误差指标的分析，而进行综合比测分析的研究还较少。按照水位观测标准(GB/T50138 2010)规范要求，需要结合不确定度、标准差等误差指标进行综合分析，从而得到其综合系统误差。为提高水文测站自动测报技术，伊犁地区水文站近些年来均已安装雷达水位计，提高了测报时效性，为对雷达水位计的观测精度进行分析，从 2019 年以来结合人工比测方式进行高、中、低水时期的比测，本文结合伊犁地区则克台水文站比测分析数据，对其比测综合误差进行分析，从而为伊犁地区水文测站自动测报技术奠定基础。1测站概况则克台水文站新疆伊犁地区巩乃斯河干流主要控制水文站，砾石和细沙是则克台水文站测验断面河床组成，左右岸分别为沙土和人工水泥护坡。站点水文测验为常规测验要素。测站所在流域洪水主要为积雪融化型和暴雨型洪水，洪水历时较长，水位上涨速率相对较为平缓，流域积雪型洪水一般主要集中在 4 5 月，暴雨型洪水主要集中在 6 8 月，时段雨强和场次降雨量决定其暴雨型洪水的洪量。则克台水文站基本水尺断面上游右岸距离 40 m 的地方有支流汇入，当暴雨洪水较大时，该支流汇水过程较快，使得克台水文站水位涨率较高。克台水文站测验断面受上游水电站运行影响较为明显，水位受电站运行调度影响变化较大。2雷达水位计的测流原理雷达水位计的测流原理在于通过反射和接收雷达波，通过分析其反射和接收的距离对其水位进行测算，水位测算方程为:H=CT/2(1)其中 H 为水面到雷达水位计之间的距离(m);C 为光速(m/s);T 为雷达波发射和接收到水面反射的时间(s)。雷达天线到水面的距离测出后，水面高程可按照雷达天线高程进行计算得到。3雷达水位计优点(1)采用一条化设计所有测量部件，由于为非接触式测量因此无机械磨损且不受水体密度等物理属性的影响，具有使用周期长，维护难度低的特点;(2)雷达波水位测量电磁波不需要传输媒介，受外部干扰影响程度低;(3)可以对水面进行连续自动观测，测量范围广且技术相对较为成熟和稳定;(4)雷达水位计关键部位采用抗腐蚀性强的高质量材料，能够适应不同恶劣环境下的正常使用;(5)利用太阳能进行供电具有功耗低的特点，可使用各种复杂地理环境，对河流流态无影响，维护安装更为方便。(6)可利用自身携带软件进行参数设定，并对天线虚假回波进行自动标识，将外部干扰进行排除。4雷达水位计安装技术要求雷达水位计立杆需要与被测河段断面保持垂直安装，雷达水位计和被测物体之间不能再存在遮挡物，否则雷达波发射率会受到影响，测量精度产生偏差。9222023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3雷达水位计发射波束的半径必须小于水位计中心距离水体岸边的距离，否则测量精度会受到影响。必须牢固安装雷达水位计的悬臂支架，可在悬臂支架上安装保护雷达水位计的小铁箱，小铁箱内放置雷达水位计的探头进行牢固固定，雷达水位计喇叭口从铁箱口伸出并与水面垂直。可将悬臂设置为旋转或轴拉式，从而方便雷达水位计的维修和检测。雷达水位计的主要技术指标如表 1 所示。表 1雷达水位计技术指标技术参数测量范围测量精度测量温度频率范围信号输出电源取值35 40m55m 40 70256Hz4 25mA/HATDC12V5综合比测方法5 1综合误差评定分别结合则克台水文站高、中、低三个水位级下进行雷达水位计和人工水位观测的平行观测分析。对比观测时间按照水位观测标准(GB/T50138 2010)规范要求设定为每间隔 5min 进行一次平行观测，遥测终端随即对水位数据进行接收，若水位变幅较小，则每间隔 1h 进行一次数据观测，在涨落过程中必须对其观测次数进行相应增加。通过比测分析，在克台水文站共采集到 7500 组平行观测数据，比测摘录数据为 665 次，中高、低水位观测次数分别为 600 次和65 次，水位变幅在 1 5m 范围内。自动雷达水位计按照水位观测标准(GB/T50138 2010)规范要求进行不同水位变幅进行分段，不同测次在各分段内需要满足不少于 30 次，不确定度按照 95%的置信水平应为 2 9 cm，综合系统误差偏离度小于 1 cm，水位比测的不确定度评定方程为:U0 95=2Sg(2)式中:Sg为标准差统计值;Xi为雷达水位计每次观测水位值(m);Xi为水位比测均值(m)。标准差统计值计算方程为:Sg=ni=1(xi Xi)2n 1(3)在标准差统计值计算的基础上，对其比测综合系统误差进行计算:Sj=ni=1(xi Xi)2n 1(4)式中:Sj为综合系统误差;n 为比测次数。5 2比测分析步骤(1)数据合理性检查，将比测时间内人工观测水位和雷达水位计观测水位在同一张图中进行水位过程线的点绘，分析两个水位过程线是否一致，若出现不一致对比测数据系列进行合理性检查，若出现不合理数据则需要结合人工观测水位对雷达水位计观测水位进行修正。(2)比测误差分析。将雷达水位计观测水位数据和人工观测水位进行误差分析，分析 95%置信度区间内的误差分布，从而分析比测精度。(3)比测结果分析。分别对中高水、低水期不同误差出现的次数进行统计，并对不同比对误差的分布进行统计。6综合比测结果6 1中高水比测误差分析结合则克台水文站中高水位比测观测期 600 次观测数据，对其不同分段误差内的次数进行统计，并对其误差分布进行分析，结果如表 2 所示。表 2则克台水文站中高水位误差分析结果比测时间水位变幅/m观测次数最大误差/m2015 06 2015 081 756000 25误差为 20 cm 的次数误差为 15 cm 的次数误差为 10 cm 的次数误差为 8 cm 的次数51066误差为 6 cm 的次数误差为 5 cm 的次数误差为 2 cm 的次数误差为 0 cm 的次数34275294误差为 20 cm 的权重误差为 15 cm 的权重误差为 10 cm 的权重误差为 8 cm 的权重0 050 090 110 02误差为 6 cm 的权重误差为 5 cm 的权重误差为 2 cm 的权重误差为 0 cm 的权重0 030 020 350 57通过对则克台水文站中高比测水位观测次数的综合不确定度进行计算，其综合不确定度为 0 028 9 m，按照水位观测标准(GB/T50138 2010)规范要求其综合不确定度计算值达到 95%置信水平的允许误差范围。从其误差分布可看出，误差为 6cm 出现的比测次数最低，为 3 次，误差最大值为 0 25 m，均 可 满 足水 位 观 测 标 准(GB/T50138 2010)规范的误差允许规范要求，表明则克台水文站在中高水位时其雷达水位计可满足要求。在测验断面形态变化较为明显的时候，需要结合人工观测方式进行水位补测，从而保证人工观测水位和雷达水位具有一致性。6 2低水比测误差分析结合则克台水文站低水位比测观测期 65 次观测数据，对其不同分段误差内的次数进行统计，并对其误差分布进行分析，结果如表 3 所示。从则克台水文站低水位误差分析结果可看出，低水位最大比测误差要低于中高水位比测误差最大值，这主要是因为在中高水位期雷达水位计受水面波动影响要高于其低水期的影响，因此低水位最大比测误差要相对较低。通过对低水位比测期综合不确定度进行计算，其综合不确定度为 0 0251，满足水位观测标准(GB/T50138 2010)规范要求达到95%的置信水平。从各分段误差分布可看出，误差为 12cm 和误差为 8 cm 其次数均为 1 次，为各段误差最低值。从各误差分布权重可看出，低水位期雷达水位计和人工观测水位计总体误差分布在 1 cm 以内，雷达水位计在低水位观测精度也可满足水位观测标准(GB/T50138 2010)规范032第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月的误差允许要求。表 2则克台水文站低水位误差分析结果比测时间水位变幅/m观测次数最大误差/m2015 06 2015 080 15650 20误差为 20cm 的次数误差为 18cm 的次数误差为 16cm 的次数误差为 14cm 的次数1223误差为 12cm 的次数误差为 10cm 的次数误差为 8cm 的次数误差为 6cm 的次数1213误差为 4cm 的次数误差为 2cm 的次数误差为 1cm 的次数误差为 0cm 的次数461025误差为 20cm 的权重误差为 18cm 的权重误差为 16cm 的权重误差为 14cm 的权重0 020 050 050 07误差为 12cm 的权重误差为 10cm 的权重误差为 8cm 的权重误差为 6cm 的权重0 020 050 020 07误差为 4cm 的权重误差为 2cm 的权重误差为 1cm 的权秉误差为 0cm 的权重0 090 110 130 326 3月尺度比测误差分析对不同月份下则克台水文站雷达水位计和人工观测水位计进行月尺度比测误差统计分析，分析结果如表 3 所示。表 3则克台水文站月尺度比测误差分析结果月份月最大误差/m85%置信区间误差/m95%置信区间误差/m6 80 250 050 089 120 170 040 061 30 090 020 044 50 130 030 05从各月份比测误差分析结果可看出，则克台水文站比测月最大误差出现在 6 8 月份，6 8 月为则克台水文站中高水位期，其水面波动对雷达水位计的水位观测有所影响，因此其月最大误差值最高，为 0 25 m，随着水位的降低，其各时段月最大误差总体也呈现递减变化。从其 85%的 95%的置信水平区间误差可看出，其和各月最大误差分布具有一致性，95%置信水平下其误差总体要大于 85%置信水平下的误差值。6 4误差关系曲线按照水位观测标准 GBT50138 2010 比测试验要求，对克台水文站雷达水位计比测误差曲线进行不同指标检验，如表 4 所示。从则克台水文站比测误差曲线检验结果可看出，雷达水位计的比测误差曲线符号检验、适线检验以及偏离数值检验均可满足水位观测标准 GBT50138 2010 比测误差允许规范要求，检验结果均为合格。雷达水位计可进行克台水文站测水位常规观测，需要每隔一段时间采用人工观测方式对雷达水位计水位观测数据进行校核，从而保证数据观测的连续性。表 4则克台水文站比测误差曲线检验结果检验方式符号检验适线检验偏离数值检验显著水平0 410 170 29误差允许范围(m)0 0 5 1 92 1 75计算结果0 475 3 225 0 005检验结果合格合格合格7结语(1)中高水位时，则克台水文站比测综合不确定度为0 028 9 m，按照水位观测标准(GB/T50138 2010)规范要求其综合不确定度计算值达到 95%置信水平的允许误差范围，可满足中高水位克台水文站在水位观测精度要求。在测验断面形态变化较为明显的时候，需要结合人工观测方式进行水位补测，从而保证人工观测水位和雷达水位具有一致性。(2)在中高水位期雷达水位计受水面波动影响要高于其低水期的影响，因此低水位最大比测误差要相对较低，低水位期雷达水位计和人工观测水位计总体误差分布在 1 cm以内。(3)雷达水位计可进行克台水文站测水位常规观测，但需要每隔一段时间采用人工观测方式对雷达水位计水位观测数据进行校核，从而保证数据观测的连续性。参考文献 1安兆利 自计水位计与人工水尺观测比测分析J 地下水2022 44(03):244 246 2马燕芝 五圣宫水文站雷达水位计与人工观测水位比测分析J 地下水 2022 44(02):205 206 3张甲栋 高滩水文站雷达水位计与人工观测水位比测分析J陕西水利 2021(05):84 85+88 4克力奇别克沙尔胡力 上阿图什干渠人工和自动观测水位资料对比分析J 陕西水利 2021(03):47 49 5寇力 雷达记录水位与人工观测水位比测分析J 陕西水利2020(11):50 51+54 6时青，孙万义，封常周 雷达水位计监测数据在资料整编中的应用J 山东水利 2020(09):31 33 7钟超 自动雷达水位计在大青河水文站的比测分析与应用探讨J 陕西水利 2019(01):119 120+125 8田宇 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