李 曼
(陜西省商洛水文水資源勘測局 陜西 商洛 726000)
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板橋水文站雷達水位計比測分析
李曼
(陜西省商洛水文水資源勘測局陜西商洛726000)
摘要為了保證本站水位資料的觀測精度及資料系列的一致性,在水位自動測報儀器設(shè)備正式投入使用前,與原有人工方式進行了平行對比觀測,用以分析水位自動采集儀器設(shè)備工作的可靠性、準(zhǔn)確性和觀測資料的精度,為生產(chǎn)實踐提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞雷達水位計;水位觀測;對比分析
板橋水文站位于丹江上游支流板橋河上,1974年7月設(shè)立,測驗項目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā),其中水位觀測通過水尺人工觀讀記載收集。2013年陜西省中小河流水文監(jiān)測第一期項目實施,對河道水位及流量測驗設(shè)施設(shè)備進行了改造,安裝了雷達水位計,實現(xiàn)了水位自動采集傳輸,流量半自動測驗。2014年進行了水位自動采集與人工平行同步觀測,本文就水位平行同步觀測資料進行了分析,評價自動水位采集影響因素和觀測精度,以保證水位自動采集傳輸準(zhǔn)確性和一致性。
1.1流域概況
丹江屬漢江的一級支流,發(fā)源于商洛市商州區(qū)秦嶺南麓的鳳凰山東南側(cè),有東西兩源,東源從廟溝口向東南流入黑花峪,經(jīng)鐵爐子鄉(xiāng)至黑龍口與西源匯合;西源來自牧護關(guān)以東的秦嶺,向東南流經(jīng)郭家店、秦嶺鋪等地,至黑龍口與東源匯合。從黑龍口向下,丹江流向大致呈西北-東南向,流經(jīng)商州區(qū)、丹鳳縣和商南縣,于商南縣汪家店鄉(xiāng)月亮灣流入河南省。丹江在陜西境內(nèi)的河段長249.6km,從河源至省界高差1184.8m,比降為4.75‰,流域面積為7510.8km2,約占全流域面積的40%。
板橋水文站所在板橋河,為丹江一級支流,發(fā)源于商州區(qū)馬角山,流向由北向南,流程47.5km,至二龍山匯入丹江。流域面積588.2km2,河長47.5km,平均比降13.7‰,海拔730m~1300m,總落差570m。
圖1 板橋水文站以上河流分布圖
丹江流域地形地貌特點為西北高東南低的山地峽谷,多為土石組成的山丘區(qū)。流域內(nèi)森林植被較好,覆蓋率達到40%以上。丹江流域地處我國中緯度偏南地帶,北部邊緣又有秦嶺作屏障,寒流不易侵入,使丹江流域同時具有亞熱帶氣候和暖溫帶氣候的特點。由于北部有秦嶺高山阻擋,夏季東南及南部的暖濕氣流常會帶來大量的水汽,加上地勢起伏懸殊,相對高差大,受地形抬升作用,常常形成局部暴雨。河道洪水多由降雨形成,暴雨時由于山體坡度大,匯流快,很快形成洪峰。暴雨停后,河道流量迅速減少,常形成尖瘦型的洪水過程,充分體現(xiàn)了河源段山區(qū)性洪水暴漲暴落的特點。來沙為上游降雨侵蝕與河床沖刷,特大暴雨時有泥石流發(fā)生。
圖2 板橋水文站測驗河段地形圖
圖3 自動水位測報系統(tǒng)組成示意圖
圖4 自動(原始)與人工觀測水位過程線圖
圖5 自動(修正)與人工觀測水位過程線圖
1.2水文站概況
板橋水文站位于陜西省商州區(qū)板橋鄉(xiāng)兩岔河村,地處東經(jīng)109°57′01″,北緯33°57′43″,是丹江干流源頭站,距商洛市15km,北約15km為洛南縣的四皓嶺,僅以黃沙嶺相隔,站房后緊靠西合鐵路。控制流域面積493km2,距離板橋河口2.0km。
板橋水文站為國家基本水文站和省級重要水文站,屬丹江上游區(qū)域代表站,設(shè)站目的主要是為防汛抗旱、水庫水電站建設(shè)運行、水資源開發(fā)利用服務(wù),測驗項目有水位、流量、泥沙、降水及蒸發(fā)。該站多年平均降雨量為729.0mm,年際間變化較大,降雨季節(jié)變化明顯,夏季6月~8月的降雨量約占年降雨量的40%~60%,汛期5月~10月的降雨量約占年降雨量的80%~90%。多年平均徑流量為8752×104m3,輸沙量為9.63×105t,歷史調(diào)查最大流量為1957 年7月16日發(fā)生的1030m3/s,實測最大流量為1988年8月14日發(fā)生的588 m3/s,最小流量為1979年6月16日實測的0.025 m3/s。
該站測驗河段基本順直,左岸為人工河堤,右岸為石山坡,高水時漫溢堤頂,左岸形成漫灘,河床為沙礫石組成,沖淤變化較大。低水位水流不順直,基本水尺斷面上游200m有大荊河匯入,基本水尺斷面下游約2km為二龍山水庫庫區(qū),浮標(biāo)、比降斷面重合,上、下斷面間距120m,基本水尺斷面兼流速儀和浮標(biāo)測流斷面。
2013年前,板橋水文站測驗項目均以人工方式進行觀測和測驗。2013年建設(shè)安裝了自動雨量、水位測報和半自動流量測驗設(shè)施設(shè)備,其中雨量自動監(jiān)測設(shè)備建設(shè)在測站氣象場內(nèi),通過有線連接RTU(遠程終端控制系統(tǒng))。自動水位監(jiān)測設(shè)施設(shè)備建于測驗河段左岸,所在位置和基本斷面重合。
板橋水文站以上河流分布及測驗河段情況見圖1、圖2。
1.3水位觀測設(shè)施設(shè)備概況
(1)人工水位觀測設(shè)施
人工水位觀測設(shè)施以直立式水尺為主,借下河道路局部設(shè)斜坡水尺?;舅邤嗝妗⑸媳冉岛拖卤冉?個斷面共設(shè)18支直立式水尺和3組斜坡水尺,人工觀讀水尺讀數(shù)推求水位。
圖6 水位誤差頻率曲線圖
表1 2014年5月至9月誤差和頻率分析統(tǒng)計表
(2)自動水位測報設(shè)施設(shè)備
測站自動水位測報系統(tǒng)主要設(shè)施設(shè)備由基座、水位計支架、智能終端(RTU)、通信設(shè)備、供電電源(太陽能板)及避雷針等部分組成(見圖3),其中核心設(shè)備為雷達水位計和RTU。板橋水文站雷達水位計為微碼特公司生產(chǎn),RTU為北京微碼特SMARTDATA-1000型產(chǎn)品。
雷達水位計采用雷達波測量到水面的距離,實際上是一臺雷達測距儀。雷達波測量不受溫度、濕度、風(fēng)速、降雨等環(huán)境因素影響。雷達水位計以非接觸方式測量水位,亦不受水體影響,是水位測量最理想的設(shè)備。水位數(shù)據(jù)采集后進入RTU,再通過GPRS/GSM信道發(fā)送至測站辦公室及商洛水情分中心,經(jīng)接收處理進入查詢處理終端機及分中心數(shù)據(jù)庫。
2.1平行對比觀測
2014年板橋水文站開展雷達水位計與人工水位平行對比觀測。為了保證分析成果的代表性,需要高、中、低水時均有一定數(shù)量的對比觀測數(shù)據(jù),因此,對比平行觀測安排在2014年主汛期進行。但由于該站2014年7月12日漲水,河道沖於變化大,主流偏離雷達水位計探頭監(jiān)測范圍,無自動水位觀測數(shù)據(jù)。2014年9 月12日主流回歸雷達水位計探頭監(jiān)測范圍,開始進行平行對比觀測。平行對比觀測期限為2014年9月12日至10月13日。
雷達水位計觀測頻次按24段制,即每1小時觀測1次,每天24次,并在水位變幅較大時,按照水位觀測規(guī)范,按6min及其倍數(shù)加密觀測次數(shù),以能控制水位變化過程。
2.2資料采用
由于人工水位觀測頻次按按12段制,水位變幅較大時按加密觀測。為了使分析數(shù)據(jù)一致,資料采用遵循凡人工觀測有資料的水位測次,對應(yīng)的雷達水位計測次資料均采用。
3.1分析方法步驟
(1)資料整理及合理性檢查
①根據(jù)數(shù)據(jù)資料采用原則,按照時間對應(yīng),整理雷達水位計和人工觀測水位數(shù)據(jù),在同一張圖上,點繪自動及人工水位過程線(見圖4)。
②分析水位漲落是否一致,如果不一致,檢查分析原因,分析對比數(shù)據(jù)序列是否滿足對比分析要求。經(jīng)檢查,9月15日至9月18日自動觀測水位有8次比人工觀測水位偏大6.16m左右,明顯不合理,因此根據(jù)人工水位進行了修正(見圖5)。
(2)資料數(shù)據(jù)分析
①以人工站觀測時間的人工水位數(shù)據(jù)與水位計自動觀測水位數(shù)據(jù),計算同時間兩者水位誤差。
②對水位誤差進行頻率計算,分析85% 和95%對應(yīng)的誤差(見圖6)。
3.2對比觀測結(jié)果分析
英語分詞倒裝構(gòu)式的認知語法分析 ……………………………………………………… 莫啟揚 文 旭(2.11)
(1)同步單次自動與人工水位對比
通過自動水位原始數(shù)據(jù)和人工觀測數(shù)據(jù)以及同步水位比測數(shù)據(jù),人工和自動監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差較大發(fā)生在9月11日落水階段,從對比數(shù)據(jù)上,最大誤差為0.12m,自動水位小于人工水位。
(2)月平均自動與人工水位對比
根據(jù)時段自動及人工水位對比觀測資料,分別計算2014年5月至9月平均水位,計算其誤差,結(jié)果見下表。
(3)數(shù)據(jù)采集分析
根據(jù)數(shù)據(jù)分析,自動站數(shù)據(jù)采集除發(fā)生水位變幅外,采集數(shù)據(jù)為1h,水位采集還有奇異值出現(xiàn),如9月17日15時至9 月18日9時,開始發(fā)生較正常水位高6.16m左右水位8次,且無任何規(guī)律。
(4)數(shù)據(jù)接收分析
(1)通過對比數(shù)據(jù)分析,板橋水文站人工水位和自動水位變化趨勢一致,總體誤差變化不大,滿足《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50138.2010)規(guī)定要求。
(2)較大洪水過后受河床沖淤,易受河道變化、主槽變化影響,雷達水位計探頭籠罩受限,出現(xiàn)水位誤差較大,不能完全依靠自動水位計。
(3)特大、特小跳躍值系干擾造成,須剔除。
(4)雷達水位計儀器本身精度可靠,儀器可以投入生產(chǎn)實踐。
(1)對設(shè)備采集時間制式進行重新設(shè)置,按6min時間滑動采集。
(2)對特異值,系電磁波干擾所致,資料應(yīng)用時進行濾波,予以剔除。
(3)因斷面沖淤、橫比降造成較大誤差時,采用人工觀測訂正。
(4)注意定期對雷達水位計進行人工校準(zhǔn)。
通過對比分析,DCRD1000A3型雷達水位計觀測誤差滿足水位觀測標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50138.2010)的要求,自動監(jiān)測設(shè)施的投入使用,使觀測方法和信息采集傳輸由人工化向自動化、數(shù)字化轉(zhuǎn)變,提高了水文監(jiān)測的自動化水平,減輕水文職工的工作強度,縮短了測報歷時,很大程度的提高了工作效率,同時減少水位觀測的誤差,并且提高了水文觀測資料的精度和可靠性。今后可以將其作為一種常用的水位觀測設(shè)備加以利用。陜西水利
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