状头（四）水文站雷达水位计与人工观测水位对比分析

廖 莎

（陕西省水文水资源勘测局,陕西 西安 710068）

0 引言

状头（四）站位于蒲城县永丰镇蔡村洛河桥边，东经 109°50'，北纬 35°00'，流域面积 25 645 km2，距河口里程130 km。1933年设立，状头（四）站为北洛河下游控制站，国家重要水文站。主要任务是收集北洛河下游段水文特征，掌握北洛河水量、水质、沙量变化规律。为开发利用北洛河水利资源提供科学依据，为北洛河下游及三门峡库区防汛提供雨水情报、预报，为洛惠渠灌溉管理计划用水服务。

1 水文特性

状头（四）站距河口里程130 km。多年平均降雨量为555 mm，森林覆盖率25.3%，属暖温带大陆性半干旱季风气候，年平均气温13.3 ℃。

状头（四）站调查最大洪峰流量10 700 m3/s（1855-7-29），实测最高洪水位 377.15 m（1994-9-1，人工观测），最大洪峰流量6 280 m3/s（1994-9-1水位推求，也是建站以来最大流量），实测最大流量 6 140 m3/s（1994-9-1，相应水位 377.12 m，浮标），实测最大含沙量1 190 kg/m3（1950-8-31，相应流量 365 m3/s，积点法），多年平均径流量 8.32×108m3，多年输沙量9 380×104t，多年平均降水量478 mm，多年平均蒸发量1 643 mm。

2 测验河段概况

该站测验河段比较顺直，下游约210 m处有一“C”形弯道，左岸上游340 m处有大浴河汇入。卵石、沙质河床，左岸为沙土台阶，右岸为河卵石组成陡坡，河床冲淤变化较大，断面控制差。基本水尺断面上游100 m处有西禹大桥两座（一座旧桥，已废弃；一座为新桥，正在使用）、中高水有阻水现象。洪水主要来源于交口河站以上干流，洪峰多为单式峰，峰形尖瘦。水位-流量关系多呈绳套曲线。中、低水中泓位置在起点距125 m左右，高水在105 m左右。中、低水受上游大峪河汇入产生异流影响，流速横向分布偏左岸；受纵断面凹形影响，流速纵向不稳定。

测验断面设有上、中、下3个测验断面，基本水尺断面兼浮标中断面及流速仪测流断面，上、下浮标断面间距180 m，上浮标断面兼上比降断面，下比降断面距基本断面110 m，基本断面架设有开口式吊箱铅鱼缆道，用于高、中、低水流量、泥沙的测验，基本尺断面上游100 m处公路大桥用于特殊水情时浮标法测流。

距基本水尺断面起点105 m处建雷达水位塔1座，安装有雷达波水位计1套，是本次使用的自记水位计。

3 仪器设备

3.1 自记水位计设备

状头水文站雷达水位监测系统主要由雷达水位计探头，水位遥测终端，安装支架，供电系统，传输系统及配件组成。雷达水位计其水位是仪器测得的雷达波往返于传感器到水面之间的时间，乘以光速得到距离，再用传感器安装高程减去其所测至水面的距离即得水位。水位计安装经过专业技术人员测试，安装稳固，满足测验技术要求。

3.2 人工观测水位设备

人工水位观测，主要是利用该站设立的直立式水尺观测水位。观测人员直接在水尺上读取水尺读数计算水位，在水位记录表中填记数据。人工观测水位的时间及观测次数主要是依据《测验任务书》及《水位观测标准》执行，以完全满足掌握水位变化过程为原则。观测时间采用石英钟观测计时，误差精度在±0.5 min/日内，完全满足规范对时差的要求，分析中不再考虑比测的时间误差。

4 比测分析缘由及资料选用

4.1 水位比测分析的缘由

由于自记水位计与人工观测水位的设施设备在实际运行中观测方法及外界环境因素复杂多变，都可能给水位观测带来一定的误差。对比分析正是为了消除水尺零点高程测量的不确定系统误差、水尺刻画的不确定系统误差、水尺观读的随机误差以及雷达水位计安装的不稳定性、零点高程及有关参数设置后外界因素随后的变化影响，水位测量值的不确定性。因此，为了消除自记水位计与人工观测数据之间的误差，为采用自动监测设备监测水位奠定基础。需通过分析自动监测水位的系统不确定度及随机不确定度来确定自记水位设备的合格性。

4.2 水位比测分析的资料选用

2019年该站从8～9月实行的人工与自记同步比测观测工作，从全年资料运行来看，自记水位计记录运行基本正常。为满足资料分析及水位观测标准要求，本次分析分别从全年资料中选用了具有代表性的8、9月份水位对比观测资料，进行人工基本水尺水位观测数据与雷达水位计水位观测数据对比分析。

5 水位比测分析的依据

（1）依据 GB/T 50138-2010《水位观测标准》，比测结果需符合置信水平95%的综合不确定度应为3 cm，系统误差应为±1 cm。

（2）依据SL 61-1015《水文自动测报系统技术规范》第5.3.2.4条b）水位计及本站安装的水位计精度参数：水位监测传感器分辨率为0.1 cm或1.0 cm的水位计，水位变幅大于10 m时，量程95%的测点允许误差不大于全量程的±0.3%。选用的水位计准确度、灵敏度、回差、重复性误差应满足GB/T 27993-2011的要求。水位计测量准确度符合水位计准确度等级允许误差的规定（95%置信度）。则认为自记水位计符合该规范要求，该水位计试用合格。

（3）依据SL 61-1015《水文自动测报系统技术规范》第5.3.2.5条之规定，水位计的系统可靠性和设备可靠性也必须满足：

1）系统数据收集的月平均畅通率应达到98%以上，数据处理作业的完成率应大于95%，数据存储的差错率不高于0.01%；

2）系统通过网络传输数据的畅通率宜达到99%以上。

6 评定方法

根据规范E.0.6采用自动监测设备监测水位时，其不确定度应按下列方法估算：

6.1 系统不确定度

式中Pyi—自记监测水位；Pi—人工校测水位；N—校测次数。

结果为2%。

6.2 随机不确定度

结果为8.3%。

6.3 综合不确定度

结果为8.5 cm。

7 分析评定

（1）依据GB/T 50138-2010《水位观测标准》通过比测计算分析，比测结果置信水平95%的综合不确定度为8.5 cm＞5 cm，系统误差为-2.0 cm＞±1 cm。

（2）依据《水文自动测报系统技术规范》第5.3.2.4条b）本站水位计及本站安装的水位计水位监测传感器分辨率为1.0 cm，水位变幅13 m时，量程98.6%的测点允许误差大于全量程的±0.3%。不满足95%的测点允许误差不大于全量程±0.3%的要求。通过数据比对计算，认为自记水位计不符合规范该项要求，认为该水位计需继续进行比测。

（3）依据SL 61-1015《水文自动测报系统技术规范》第5.3.2.5条之规定，水位计的系统可靠性和设备可靠性满足以下要求：

1）系统数据收集的月平均畅通率达到了99%以上，数据处理作业的完成率达到98.4%，数据存储的差错率小于0.01%；

2）系统通过网络传输数据的畅通率达到99.5%以上。

从比测结果可以看出，自记水位计的观测数值和人工观测数值均符合水位观测规范要求，综合不确定度的最大值为8.5 cm＞5 cm；系统误差最大值2 cm大于规范规定的±1 cm误差范围，不符合置信水平95%的误差要求。通过计算分析，状头（四）站雷达水位计需继续进行比测分析。

8 结论

通过该站选用的8月、9月雷达自记水位计资料与人工观测水位对比（水位变幅361.30 ～362.94 m，比测次数321次）资料分析，该站的系统误差和随机误差均不满足规范对雷达水位计的使用要求。说明本站使用的雷达水位计，观测精度不符合规范要求。该站的雷达水位计需继续进行比测分析。