圪洞水文站雷達水位計比測分析

田 宇

（呂梁市水文水資源勘測分局）

1 流域與測站概況

1.1 流域概況

北川河位于呂梁山中段西翼，是黃河一級支流三川河流域的重要支流。該河發(fā)源于方山縣開府鄉(xiāng)赤堅嶺村，在大武鎮(zhèn)武回莊村出方山縣境進入離石，方山境內干流長80 km，流域面積1 302.58 km2。武回莊至離石縣城西側王家塔為東川河匯流入口，干流長14.5 km；王家塔至離石交口鎮(zhèn)為中陽南川河匯流口，出境進入柳林縣，干流長10 km；離石境內北川河干流長度24.5 km，流域面積279.88 km2。北川河從北向南，沿途有開府溝、馬坊溝、陽圪臺溝、南陽溝、圪洞溝、峪口溝、店坪溝等七大支流匯入，主河道縱坡6.4‰，糙率0.05，河床基質主要為砂和礫石，穩(wěn)定性較好。

1.2 測站概況

圪洞水文站地處方山縣圪洞鎮(zhèn)圪洞村，其地理坐標為：東經111°14′，北緯37°53′。水文站控制流域面積749 km2，主河道長度41.7 km，河道縱坡8.44‰。主要支流有開府溝、馬坊溝和馮家莊溝，流域形狀系數(shù)0.431。該水文站1957年1月由黃河水利委員會在峪口鎮(zhèn)南村設立，命名峪口水文站；1960年4月，上遷20 km至如今的圪洞鎮(zhèn)，改名為圪洞水文站。1965年4月，黃委會將該站移交山西省水文總站觀測與管理。

圪洞水文站為變質巖土石山林灌區(qū)的區(qū)域性代表站，主要任務：觀測研究變質巖土石山區(qū)降水、徑流與泥沙關系，分析其變化規(guī)律；收集各水文要素，為水利工程設計的水文計算提供可靠參數(shù)；為下游橫泉水庫以及沿岸村鎮(zhèn)與居民，及時提供雨情、水情、土壤墑情信息，保護人民群眾的生命財產安全。該水文站既是當?shù)胤姥纯购?、水利建設和水資源管理的“耳目”、“前哨”與“尖兵”，也是當?shù)亟洕鐣l(fā)展的重要公益性基礎事業(yè)單位。

2 開展雷達水位計比測目的

隨著水文觀測現(xiàn)代化建設步伐的加快，實現(xiàn)水位觀測自動化成為必然。為了提高水文測驗的自動化水平，減輕野外觀測人員的勞動強度，保證測驗精度，2011年，我局給圪洞站配備了1臺SEBAPLUS雷達水位計。通過新型儀器自動觀測與傳統(tǒng)人工觀測方法的比測分析，可為雷達水位計的應用提供依據(jù)，從而縮短測報歷時，提高工作效率，實現(xiàn)水文測驗自動化、數(shù)字化水平；同時，可以校驗雷達水位計由于應用經驗不足而帶來的觀測誤差，從而提高觀測精度，保證測驗資料準確可靠。

3 雷達水位計的工作原理及特點

3.1 雷達水位計簡介

雷達水位計的傳感器，是利用脈沖雷達波測距原理進行水位測量的。由于雷達波的傳播速度基本不受溫度、濕度、氣壓、雨雪天氣、風沙天氣等環(huán)境條件影響，性能相當穩(wěn)定，使得雷達水位計在其正常工作范圍內具有相當高的精度，且不需要太多的日常維護。目前，雷達水位計在歐美等發(fā)達國家水文觀測中得到了廣泛應用，大有逐漸取代超聲波水位計之勢。SEBAPLUS雷達水位傳感器，是由德國SEBA公司生產的一種新型非接觸水位測量儀器，可用于有污泥、浮木、落葉、污水、鹽水等水域的水位測量。該儀器結構簡單，體積較小，可以安裝在橋上，不受氣溫、濕度影響，能耗很少，測量間隔短，無死角，安裝空間小。測量系統(tǒng)的基本結構是一個單獨的傳感器，可以配備數(shù)據(jù)存儲裝置MDS-Dipper，也可以配備遠距離數(shù)據(jù)傳送裝置（GSM網(wǎng)，固定網(wǎng)），是一種高精度的水位測量儀器。

3.2 雷達水位計工作原理

當雷達水位計的傳感器發(fā)射微波脈沖信號后，被測量水面會反射信號而被傳感器接收，并傳送到綜合評價系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)處理。由于脈沖的運行和離水面的距離直接相關，因此，可計算出傳播距離，進而計算出水域水位。

3.3 雷達水位計技術指標

（1）測量范圍：0-20 m，30 m，70 m；

（2）測量精度：±3 mm；

（3）分辨力：1 mm；

（4）適用溫度范圍：-40℃-70℃；

（5）輸出電流：4-20 mA模擬輸出或0，4，… 2V電壓輸出；

（6）額定功耗：22.4 mA；

（7）發(fā)射角度：5°；

（8）使用電源 ：12VDC電 池或 220VAC/12-24VDC。

3.4 雷達水位計優(yōu)點和缺點

優(yōu)點：一是雷達水位計的傳感器測量屬非接觸型測量，與水質無關，不需要水位井，測量成果精度高；二是無人較長時間值守，減輕勞動強度；三是無機械磨損，壽命長，儀器安裝維護簡單，測量成本低；四是測量過程對水流無影響，可連續(xù)在線采集數(shù)據(jù)進行信號傳輸。

缺點：在封凍期需要破冰測量。

4 資料的選取及分析依據(jù)

4.1 資料的選取

為了確保分析成果的科學性和合理性，我們將人工觀測記載和雷達水位觀測結果數(shù)據(jù)一一進行對比分析。根據(jù)圪洞站汛期水勢情況，我們選取2017年7月23日0時至8月1日16時的洪水過程時段。

人工觀測次數(shù)嚴格按照《水位觀測標準》（GB/T50138-2010）要求，除每日0時、4時、8時、12時、16時、20時必須進行定點觀測外，還進行了加測。雷達水位計探頭安裝高程，采用萊卡TS06全站儀測得。

比測前對自記水位計的水位進行校測，同時校測了人工觀測水尺的零點高程，以保證對比觀測的條件統(tǒng)一標準。

4.2 分析統(tǒng)計依據(jù)

嚴格按照《水位觀測標準》第6.2.2比測要求，按水位變幅分幾個測段分別進行，每段比測數(shù)應在30次以上。比測結果應符合下列規(guī)定：一般水位站，置信水平95%的綜合不確定度應為3 cm，系統(tǒng)誤差應為±1 cm。

5 分析計算及結果

5.1 計算方法

5.1.1 系統(tǒng)不確定度

按下式計算：

式中：Pyi——自動監(jiān)測水位，m；

Pi——人工校測水位，m；

N——校測次數(shù)。

5.1.2 隨機不確定度

按下式計算：

5.1.3 綜合不確定度

按下式計算：

5.2 分析計算結果

圪洞站本次水位比測次數(shù)為108次，觀測數(shù)據(jù)見表1，分析計算結果見表2。

表2 圪洞站不確定度計算結果表

置信水平95%的綜合不確定度小于3 cm，故比測合格，雷達水位計可使用。

6 結論與建議

從本次對比觀測分析結果看，自記水位設備運轉正常，在探頭著流的情況下，系統(tǒng)誤差和綜合不確定度均符合水位觀測規(guī)范，滿足防汛和水文資料整編要求。如果測流斷面的河勢發(fā)生大的變化，河槽左右擺動，容易使雷達水位計探頭脫流。因此，對斷面河床不穩(wěn)定的測流站，建議采用雷達水位計與人工水位觀測相結合的方式進行水位觀測。人工觀測主要用于在自記水位計脫流或設備出現(xiàn)故障時進行的補測。

表1 圪洞站自記水位與人工觀測水位比對表

續(xù)表1 圪洞站自記水位與人工觀測水位比對表

建議加強水文信息化專業(yè)人才的培養(yǎng)和水文自動化系統(tǒng)管理維護隊伍建設，為水文自動化運行管理提供可靠技術支撐。