自动雷达水位计在大青河水文站的比测分析与应用探讨

钟 超

（新疆阿勒泰水文勘测局，新疆 阿勒泰 836500）

1 比测分析与应用

1.1 测站概况

大青河水系位于海河流域的中部，平均比降3.9‰，流域面积4823 km2，流域西北高东南低，平均海拔1565 m～1302 m 之间，流域形状近似扇形，流域上游主要是土石山区，河谷窄而深，植被良好；中游主要是黄土塬区，古坡陡立，植被条件较差。流域气候主要是暖温带大陆性半湿润季风气候，夏季炎热而冬季严寒，降水集中且强度大、历时长。年平均气温为11.8℃，7 月～9 月的降水占全年降水总量的65%，暴雨洪水类型主要为陡涨陡落，大青河水文站年均降水量594 mm，年均径流量0.627 亿m3，大青河水文站是大青河流域的重要控制站，其正式的水文要素观测时间开始于1999 年1 月1 日，建站以来，最大流量实测值为523 m3/s，最大含沙量实测值为584 kg/m3。

大青河水文站房在流域左岸，左岸岸基下游80 m 位置的高速公路桥嵌入河道而后顺流延伸30 m，对流域断面水文要素观测存在较大影响。流域左岸岸基之上的河道呈大弯形状，观测河段河道则基本顺直，落差大且流速急，河床则主要由砂砾石、卵石和红砂岩构成，性状较稳定；左岸岸顶与水面的距离15.5 m，上部结构主要是黄土和砂卵石，下部结构主要是红砂岩，距离水面3.0 m，分层较多，质地复杂，由于水流的侵蚀、日晒和冰冻等原因，塌岸常有发生，对水文要素观测和水沙测验存在不利影响。

1.2 比测分析与应用的目的

随着当前国内水文现代化建设步伐的不断加快，水位自动化观测技术应用日益广泛，为了提升水文观测的自动化水平，确保观测精度，缩短测报历时，大青河水文站也安装了自动雷达水位计并逐渐成为水文站主要的水位观测仪器。大青河水文站水位陡涨陡落，且洪水期内测量水位、水情、泥沙及流量等的工作量将倍增，水位观测的时间间隔不能短于6 min，而诸如暴风雨、波浪剧烈起伏、含沙量提高、漂浮物增多等情况都将增大水位观测的难度和误差。德国产自动雷达水位计的雷达波由于受到观测环境、观测条件、恶劣气候等因素的影响较小，性能较稳定而适用范围非常广，精度也较高，同时还具有水位观测数据远程传输和自动化处理功能。通过水位观测数据比测、资料的积累和成果的分析，可以提升大青河水文站自动雷达水位计的应用效果，从而使自动雷达水位计成为大青河水文站主要的水位观测仪器，这对于降低水文站水位观测工作强度，缩短测报历时以及水位观测数字化、自动化的实现等都具有积极意义，此外还有助于降低因观测经验缺乏和偶然原因等而导致的观测误差，改善大青河水文站水位测报条件。

2 仪器设备

大青河水文站所安装的是德国产自动雷达水位计，由于雷达波稳定性高，所以观测环境、观测条件、恶劣气候等因素对于测量结果影响较小，性能稳定，在工作范围内自动雷达水位计精度有所保障，无需设立测井，操作方便。

自动雷达水位计主要从水位传感天线进行雷达脉冲的发射以及完成水面反射回来的脉冲的接收，同时记录全程及各个阶段的时间T，再结合电磁波的传播速度C 便可计算出测量探头至水面的距离，并根据探头所安装的高程以及探头至水面的距离进行水位的确定[1]。为了提升测流精确程度，自动雷达水位计还可以同时修正声速温度。大青河水文站自动雷达水位计的安装位置在距流域左岸起点25 m 处，直径6.0 cm的钢管为支架，混凝土灌注于内，仪器则安装于6.5 m 的高度，以直径×长度为0.3 cm×300 cm 的镀锌钢管作为横臂。大青河水文站自动雷达水位计主要技术参数详见表1，雷达水位计自安装运行以来并未出现过故障，无论汛期和冬季都正常运行。

表1 自动雷达水位计主要技术参数

3 比测结果分析与评定

3.1 比测结果误差计算

大青河水文站自动雷达水位计安装于基本水尺断面及试运行后从未出现过任何故障，数据传输也从未间断，为保证分析过程及结果的科学性与合理性，选取大青河水文站雷达探头着流情况良好且人工观测记载与雷达水位观测一一对应的数据进行比测分析。本次对其2014 年6 月10 日8 时～2015 年2月10 日8 时的水位观测数据进行比对，这一比对期包括丰水期、枯水期、冰期，且观测期间河面并未封冻，严格按照《水位观测标准》（GB/T50138-2010）及测验任务书要求每5 min 进行一次水位的采集，对于水位变化数据随即传送至遥测终端，如水位不发生变化，则每1 h 传送一次数据，涨水及退水等过程必须增加观测次数。经过8 个月的观测与对比，共采集到6637 组观测数据，摘录到比测数据523 组，中高水位（水位＞1084.52 m）500 次，低水位（水位≤1084.52m）23 次，比测过程中水位最高达1086.10 m，最低为1082.34 m，变幅为1.85 m。根据《水位观测标准》（GB/T50138-2010）的规定，自动雷达水位计比测应按水位变动幅度划分测段进行，且各段的比测次数至少30 次，水位比测数据95%置信水平综合不确定值应为3.5 cm，系统误差应为±1 cm，而对于波浪起伏突出的近海区域，综合不确定值可以放宽至5.0 cm。比测合格水位变动幅度以内，自动水位计仍处于工作状态。根据ISO《导则》，水位比测数据的不确定度[2]按下式计算：

其中：

式中：Sg为统计值标准差；Xi为每次所观测的雷达水位（m）为每次人工观测水位值的平均值（m）。

结合式（1）可以求得标准差为：

95%的置信水平的不确定度综合值为：

结合式（2）求得系统误差为：

结合以上计算结果，95%置信水平的综合不确定程度为2.29 cm≤3 cm，系统误差为0.4 cm，均符合《水位观测标准》的水文规范要求。中高水位段比测中95%置信水平的综合不确定程度为2.29 cm，虽然符合规范要求，但是取值仍然偏大，可能的原因主要有：2014 年共发生7 场洪水，导致水位幅度剧烈变动；流域河道内漂浮物过多，缠绕测尺，严重影响比测的准确程度；数次洪水的发生均未在工作时间内，洪水引起基本测尺断面漫滩，水位观测视线模糊，加大观测误差。

3.2 比测结果误差分析

中高水位段和低水位段比测误差的统计详见表2 和表3，由表中数据可知，95%置信水平的综合不确定程度完全符合规范要求，不确定程度超过3 cm 的测次出现次数不少，最大水位的绝对误差尽达7.5 cm，充分表明，在断面河势突变、恶劣气候及观测环境改变等情形下，必须通过人工观测方式加以补测[3]，确保自动雷达水位计水位观测数据的完整与可靠。

表2 中高水位段误差的统计

表3 低水位段误差的统计

4 结论及建议

自动雷达水位计观测精度高，数据传输速度快，结构封闭，装卸简便，通过对大青河水文站2014 年6 月10 日8 时～2015年2 月10 日8 时水位观测数据及计算得出，水位比侧综合不确定度和系统误差的值均符合《水位观测标准》（GB/T50138-2010）所要求的95%置信水平的随机不确定度与系统误差要求，充分表明自动雷达水位计替代人工水位观测完全可行。根据自动雷达水位计在大青河水文站的安装、观测及使用情况来看，雷达水位计作为一种新型的水位观测仪器，正常运行且探头着流的条件下观测精度即可满足水位观测规范要求。如遇断面河势突变、恶劣气候及观测环境改变等情形，河槽便会左右摇摆致使自动雷达水位计探头脱流，对于这种情形导致断面河床水位超97.55 m 时，必须将自动雷达水位计水位观测与人工水位观测结合使用，在自动雷达水位计脱流或故障时通过人工方式加以补测，保证水位观测数据的完整与可靠。