上阿圖什干渠人工和自動觀測水位資料對比分析

克力奇別克·沙爾胡力

（新疆克孜勒蘇水文勘測局，新疆 阿圖什 845350）

0 引言

恰其嘎水文站測驗斷面位于阿圖什市上阿圖什鎮(zhèn)拉依勒克村，是恰克馬克河出山口水量控制站，水文站以上河長127 km，集水面積3795 km2。上游150 m 處為恰克馬克河分水閘。測驗斷面分為四個斷面。其中上阿圖什干渠為梯形人工渠道，斷面規(guī)則、平滑，水位流量關(guān)系比較穩(wěn)定，是單一曲線。為了減少觀測數(shù)據(jù)人工誤差，提高觀測數(shù)據(jù)精度，2019年5月在上阿圖什干渠測驗斷面上布設(shè)了雷達(dá)水位計，對水位進(jìn)行自動觀測，6月正式投入使用。

為驗證自動觀測數(shù)據(jù)是否滿足觀測要求，精度是否達(dá)到觀測標(biāo)準(zhǔn)，對上阿圖什干渠水位人工觀測數(shù)據(jù)與雷達(dá)水位計自動觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗證水位自動觀測數(shù)據(jù)的可行性。

1 測驗斷面概況

1.1 上阿圖什干渠測驗斷面概況

恰其嘎水文站測驗斷面位于阿圖什市上阿圖什鎮(zhèn)拉依勒克村，是恰克馬克河出山口水量控制站，水文站以上河長127 km，集水面積3795 km2。上游150 m 處為恰克馬克河分水閘。測驗斷面分為四個斷面。上阿圖什干渠測驗斷面位于恰克馬克河渠首以下150 m 處，為四個測驗斷面之一，為梯形人工渠道，長約12.5 km，總?cè)萘繛? m3。主要觀測項目包括：水位、流量等，為阿圖什市上阿圖什鎮(zhèn)提供農(nóng)業(yè)灌溉水。

一般情況下，上阿圖什干渠（上阿圖什干渠下游有向南支流放水的渠道）和阿扎克干渠3月～11月有水，為農(nóng)業(yè)灌溉使用。據(jù)克州水利局提供的資料說明：在枯水期和平水期，或當(dāng)河道來水12 m3/s＜Q＜100 m3/s 時，克州阿圖什市恰克馬克灌區(qū)用水占75%，喀什疏附縣拜什克然鄉(xiāng)用水占25%；當(dāng)河道來水Q＞100 m3/s 時，下泄洪水由下游兩河道各承擔(dān)50%。因而水量主要集中在渠道，渠道水位流量關(guān)系好，提高了水文測驗精度。為了減少觀測數(shù)據(jù)人工誤差，提高觀測數(shù)據(jù)精度，2019年5月在上阿圖什干渠測驗斷面上布設(shè)了雷達(dá)水位計，對水位進(jìn)行自動觀測，6月正式投入使用。

1.2 水文測驗情況

上阿圖什干渠斷面測驗情況如下。

（1）水位：水位用傾斜式式水尺及雷達(dá)水位計自動觀測，平水期一般每日8 時（10 時）、20 時觀測兩次，汛期視水情變化進(jìn)行加測；

（2）流量：由于測流斷面為人工渠道斷面，水位流量關(guān)系比較穩(wěn)定，為單一曲線，為此，采用流速儀法進(jìn)行人工測流。根據(jù)測站水文特性的一般規(guī)律，為了保證測驗精度的最低次數(shù)的限制數(shù)，每年至少測流12 次，便可滿足測驗整編要求；

（3）泥沙：泥沙采用采樣桶進(jìn)行取樣，由于上游水閘分水放水流量情況不固定，取樣垂線不固定。全年用水面一點法施測，全年單樣含沙量取樣次數(shù)379 次，懸移質(zhì)輸沙率測次為10 次，單沙垂線數(shù)一般為3～6 條。泥沙處理均采用過濾烘干法處理。

3 水文測驗資料整編及分析

3.1 水文資料整編概況

3.1.1 上阿圖什干渠斷面資料整編情況

（1）水位：在汛期觀測多次且不等時距、或水位變幅較大的采用面積包圍法計算日平均水位，平水期一般用算術(shù)平均法計算日平均水位。另外，現(xiàn)使用雷達(dá)水位計進(jìn)行水位觀測，將對自動觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗證觀測數(shù)據(jù)可行性。

（2）流量：由于測流斷面為人工渠道斷面，水位流量關(guān)系比較穩(wěn)定，采用流速儀法進(jìn)行人工測流，流量采用單一曲線法推求，最后四個斷面流量合并計算流量成果。

3.2 自動觀測和人工觀測資料對比分析

3.2.1 對比誤差計算方法

上阿圖什干渠斷面人工觀測和雷達(dá)水位計自動觀測數(shù)據(jù)對比誤差用以下公式：

式中：E為相對誤差；L為水位人工觀測值；為水位雷達(dá)水位計自動觀測值。

上阿圖什干渠6月10 日～8月31 日人工及雷達(dá)水位計自動觀測水位數(shù)據(jù)共166 組，相對誤差大于過0.03 的數(shù)據(jù)有6 組，占總數(shù)的3.6%，小于等于0.03 的數(shù)據(jù)有160 組，占總數(shù)的96.4%。

3.2.2 自動觀測和人工觀測數(shù)據(jù)對比結(jié)果

因上阿圖什干渠斷面雷達(dá)水位計2019年6月安裝調(diào)試完畢，并正式投入使用，所以這次對比分析只用2019年6月10日～8月31 日早晨8：00 和晚上20：00 的數(shù)據(jù)，共83 d，332 組水位數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

上阿圖什干渠斷面水位人工觀測數(shù)據(jù)整編后6月份最高水位為8.27 m，最低水位為7.81 m，水位變幅為0.46 m。雷達(dá)水位計自動觀測數(shù)據(jù)最高水位為8.24 m，最低水位為7.81 m，水位變幅為0.43 m。7月份人工觀測最高水位為8.28 m，最低水位為7.48 m（渠干），水位變幅為0.80 m，雷達(dá)水位計自動觀測數(shù)據(jù)最高水位為8.30 m，最低水位為7.48 m（渠干），水位變幅為0.82 m。8月份人工觀測最高水位為8.23 m，最低水位為7.48 m（渠干），水位變幅為0.75 m，雷達(dá)水位計自動觀測數(shù)據(jù)最高水位為8.25 m，最低水位為7.48 m（渠干），水位變幅為0.77 m。

根據(jù)水位觀測測驗規(guī)范要求，每日水位人工觀測兩次，采用算數(shù)平均法，而雷達(dá)水位計每5 分鐘觀測一次水位，并采用面積包圍法計算每日平均水位，因自動觀測和人工觀測水位數(shù)據(jù)日平均水位計算方法不一致，無法對比逐日平均水位。

3.2.3 自動觀測和人工觀測數(shù)據(jù)計算分析及評定

根據(jù)《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010），比測結(jié)果應(yīng)符合置信水平95%的綜合不確定度應(yīng)為3 cm，系統(tǒng)誤差應(yīng)為±1 cm；波浪問題突出的近海地區(qū)水位站，綜合不確定度可放寬至5 cm。

1）系統(tǒng)誤差定度：

式中：P為人共觀測數(shù)據(jù)；PY為自動觀測數(shù)據(jù)；N為觀測對比次數(shù)。

2）隨機(jī)不確定度：

3）綜合不確定度：

比測結(jié)果見表1。

表1 上阿圖什干渠比測結(jié)果誤差計算表

從比測結(jié)果可以看出，雷達(dá)水位計的觀測數(shù)值和人工觀測數(shù)值均符合水位觀測規(guī)范要求，綜合不確定度最大值0.6914小于3 cm；系統(tǒng)誤差最大值0.0081 在±1 cm 范圍內(nèi)。

3.2.4 自動觀測和人工觀測數(shù)據(jù)逐時過程線對比分析

根據(jù)《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）6.2 自計水位計的比測中第6.2.1 條規(guī)定：比測可按水位分幅、分階段分別進(jìn)行，每階段比測次數(shù)應(yīng)在30 次以上。本次比測分別分析選用上阿圖什干渠2019年6月10 日～8月31 日，早晨8 點和晚上20 點雷達(dá)水位計采集數(shù)據(jù)和人工觀測水位數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

根據(jù)選用數(shù)據(jù)，得出水位逐時過程線對比圖和線性相關(guān)關(guān)系對比圖（見圖1～圖7）。

圖1 上阿圖什干渠自動觀測和人工觀測水位過程線對比（6月份8 點）

圖2 上阿圖什干渠自動觀測和人工觀測水位過程線對比（6月份20 點）

圖3 上阿圖什干渠自動觀測和人工觀測水位過程線對比（7月份8 點）

圖4 上阿圖什干渠自動觀測和人工觀測水位過程線對比（7月份20 點）

圖5 上阿圖什干渠自動觀測和人工觀測水位過程線對比（8月份8 點）

圖6 上阿圖什干渠自動觀測和人工觀測水位過程線對比（8月份20 點）

圖7 上阿圖什干渠自動觀測和人工觀測水位線性相關(guān)系圖

根據(jù)圖7 可知，上阿圖什干渠測驗斷面雷達(dá)水位計觀測數(shù)值和人工觀測數(shù)值線性關(guān)系良好。

4 結(jié)論

（1）上阿圖什干渠測驗斷面雷達(dá)水位計在2019年6月10 日～8月31 日對比觀測期間收集觀測對比數(shù)據(jù)332 組，根據(jù)分析，準(zhǔn)確度能滿足《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）6.2自計水位計的比測中第6.2.1 條規(guī)定，準(zhǔn)確度符合置信水平95%的誤差要求。

（2）雷達(dá)水位計的觀測數(shù)值和人工觀測數(shù)值均符合水位觀測規(guī)范要求，綜合不確定度最大值0.6914 小于3 cm；系統(tǒng)誤差最大值0.0081 在±1 cm 范圍內(nèi)。

（3）雷達(dá)水位計的觀測數(shù)值和人工觀測數(shù)值相對誤差大于0.03 的數(shù)據(jù)有6 組，占總數(shù)的3.6%，小于等于0.03 的數(shù)據(jù)有160 組，占總數(shù)的96.4%，符合《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）6.2 自計水位計的比測中第6.2.1 條規(guī)定。

（4）雷達(dá)水位計的觀測數(shù)值和人工觀測數(shù)據(jù)逐時過程線趨勢基本一致，對比過程中產(chǎn)生的誤差。人工在不同高度、不同方位觀測到的水位也會產(chǎn)生視覺上的誤差，雖然兩者觀測的目標(biāo)物體相同，但它們是兩種不同的水位觀測模式和觀測機(jī)制，兩者自身都存在規(guī)范認(rèn)可的誤差范圍。

（5）雷達(dá)水位計結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，工作可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)水位的自動存儲與傳輸，觀測精度按現(xiàn)有規(guī)范完全滿足精度要求。可代替人工觀測水位數(shù)據(jù)。在日后的工作中要加強(qiáng)雷達(dá)水位計保養(yǎng)和維護(hù)，使之在水文現(xiàn)代化進(jìn)程中發(fā)揮更好的作用。