雷達自記水位計在趙城水文站的應用

孫花龍

摘? 要：文章主要基于趙城水文站在使用雷達自記水位計的過程當中，針對雷達自記水位計的組成，工作原理，自記水位數(shù)據(jù)應用于水文資料整編，自記數(shù)據(jù)出現(xiàn)的特殊情況及應對措施進行了分析概括;并對其存在的測驗誤差進行了分析總結(jié)，通過人工與自記水位數(shù)據(jù)的對比分析，驗證了雷達自記水位計可以應用于趙城水文站水位測驗。

關(guān)鍵詞：趙城水文站;雷達自記水位計;自記水位數(shù)據(jù)整編

中圖分類號：S914文獻標志碼：C

隨著水位測驗逐漸由人工向自動化轉(zhuǎn)變，趙城水文站在水位測驗自動化方面進行了多次實踐，目前已實現(xiàn)由雷達自記水位計替代人工進行水位監(jiān)測。趙城水文站位于臨汾市洪洞縣汾河中下游，現(xiàn)配備有雷達波自記水位計及雷達波在線測流設備等現(xiàn)代化水文測驗設施，本文主要針對雷達波自記水位計在趙城水文站水位測驗及整編方面的應用進行了分析論證，為雷達自記水位計應用于趙城水文站水位測驗提供了依據(jù)。

1 測站基本概況

趙城水文站始建于1995年，由山西省水文總站設立;1996年領(lǐng)導機關(guān)更名為山西省水文水資源勘測局，2020年領(lǐng)導機關(guān)恢復為山西省水文總站。由上游石灘水文站（1951年5月設立）下遷至此，位于汾河干流中下游，洪洞縣趙城鎮(zhèn)西街村，站房位于汾河左岸;地理坐標東經(jīng)111°41′，北緯36°27′。測驗任務主要有降水、蒸發(fā)、水位、流量、水質(zhì)、含沙量、水溫、冰情、墑情等項目。

趙城水文站是按照直線原則規(guī)劃的基本水文站，也是國家重點水文站，主要收集義棠至趙城區(qū)間暴雨、徑流及泥沙資料。流域內(nèi)有靜升河、玉成溝、交口河、段純河、仁義河、姚村河、對竹河、南澗河、辛置河、團柏河10大支流匯入，集水面積28676km2，距入河口229km，控制河長484km，流域平均縱坡1.7‰。

測驗河段順直，河床由砂礫石、細沙組成，兩岸均筑有石堤，右岸堤壩外為耕地?；录s300m，基上約800m，各有一彎道，基上90m有一組座公路橋，高水時流向基本順直，中低水受彎道，及橋墩影響有斜流，沖淤變化不大。設站以來實測最大洪峰流量1130m3/s，發(fā)生在1996年8月8日， 相應最高洪水位476.31m，最大斷面平均含沙量136kg/m3。雷達自記水位計觀測平臺位于基本斷面左岸起點距42.0m，基本斷面以下16.0m處，雷達自記水位計基準高程為481.58m。

通過對趙城水文站1995～2017年的23年徑流系列資料分析，采用年特征值法確定高、中、低水位級。統(tǒng)計1995～2017年各年的瞬時最高水位、日平均水位、最低水位。采用皮爾遜Ⅲ型曲線，對三種水位分別進行頻率計算。應用的公式如下：

Pm=mn+1（m=1，2，3，…n）;X-=1n∑ni=1xi;

cv=∑ni=1（ki-1）2n-1;ki=xix-;

cs=∑ni=1（ki-1）3（n-3）c3v

當頻率P=10%，cscv=2.5，高水位Z>=474.50m;當頻率P=50%，cscv=2.5，中水位Z>=473.87m;當頻率P=90%，cv=2.5，cscv=2.5，低水位Z>=473.00m。

2 雷達自記水位計的應用

2.1 雷達自記水位計的組成

趙城水文站雷達自記水位計主要有雷達水位計平臺，水位計臺由儀器平臺、懸臂、鋼管支架及基礎(chǔ)組成;儀器平臺主要由供電設備、雷達水位傳感器、數(shù)據(jù)采集終端（RTU）、GSM/GPRS通信傳輸設備、防雷設備等配件組成。通過以上設備實現(xiàn)水位信息的自動采集、傳輸與儲存，隨時掌握河流的水位變化情況。

2.2 雷達自記水位計的工作原理

雷達自記水位計是利用時差原理計算到水面的距離。設備傳輸固定頻率的脈沖，然后接受并建立回波圖形。雷達自記水位計記錄脈沖波經(jīng)歷的時間，而電磁波的傳輸速度為常數(shù)，算出水面到雷達水位計的雷達天線的距離，即可測出水位。

關(guān)系式為：h=12×v×t

式中，v為電磁波的傳播速度，m/s;

t為雷達波往返水面的時間;

h為雷達水位傳感器至水面的距離。

雷達自記水位計中設置有探頭基準高程H，通過雷達自記水位計可以測到水面到雷達傳感器的距離h，那么水位為Z=H-h，即可得到水位數(shù)據(jù)。

2.3 雷達自記水位數(shù)據(jù)使用依據(jù)

本次通過水位變幅分幾個測段進行人工與自記進行比測，對同步時間下相應數(shù)據(jù)進行對照分析，按照《水位觀測標準》（GBJI38-90）規(guī)定，水位比測結(jié)果應符合：置信水平95%的綜合不確定度不應超過3cm，系統(tǒng)誤差不應超過1%。《水文測驗手冊》對自記水位計比測結(jié)果的要求是：75%以上測次偶然誤差不超過±2cm，系統(tǒng)誤差不超過±1cm。本次比測隨機不確定度采用符合置信水平95%的綜合不確定度小于等于±3cm;系統(tǒng)誤差不超過±1cm，作為允許誤差指標。

系統(tǒng)不確定度計算：

Xy″=∑Ni=1Pyi-PiN

式中，Pyi為自動監(jiān)測水位; Pi為人工校測水位;N為校測次數(shù)。

隨機不確定度計算：

Xy′=2∑Ni=1Pyi-Pi-X″y2N-1

綜合不確定度計算：

XZ=Xy′2+Xy″2

2.4 雷達自記水位數(shù)據(jù)的應用

2.4.1 人工與自記數(shù)據(jù)的對照分析

通過一系列人工與自記測驗數(shù)據(jù)進行分析，首先對雷達自記異常數(shù)據(jù)進行剔除，其次根據(jù)自記水位與校核水位系統(tǒng)偏差，對自記水位數(shù)據(jù)進行訂正，訂正后，自記水位與人工水位數(shù)據(jù)變化過程基本吻合（見圖1），且能反應水位變化的完整過程，其綜合不確定度為0.029m<0.03m。結(jié)果符合規(guī)范要求的允許誤差標準，符合GB/T 50138-2010《水位觀測標準》標準中的相關(guān)規(guī)定，能達到水位整編規(guī)范要求，故雷達自記水位數(shù)據(jù)能參與水位資料整編。

2.4.2 鋸齒狀水位數(shù)據(jù)的處理

由于該站縱坡比降大，基下30m處有跌坎，水面波浪大、河道漂浮物等因素影響導致自記水位數(shù)據(jù)會出現(xiàn)鋸齒狀變化過程（圖2），故需要對自記數(shù)據(jù)進行人工干預處理，以滿足整編要求。

該站雷達自記水位計主要有數(shù)據(jù)量大、鋸齒狀數(shù)據(jù)變化過程，為了精簡水位數(shù)據(jù)，消除水位數(shù)據(jù)鋸齒變化過程，本站采用數(shù)據(jù)平滑軟件對水位變化過程進行了抽析、平滑（見圖3），達到了水位整編規(guī)范要求。

2.5 誤差分析

由于雷達自記水位計在使用過程中，受眾多因素會產(chǎn)生誤差，通過對1029次人工與自記水位測驗數(shù)據(jù)的分析，對產(chǎn)生誤差的原因進行了總結(jié)。

2.5.1 受風浪、探頭基準高程設置等原因的影響造成系統(tǒng)誤差;

2.5.2 人工與自記觀讀時間同步誤差導致的測驗誤差;

2.5.3 雷達自記水位計安裝位置在基下16.0m處，不同水位級斷面的變化不一致引起的誤差。

2.5.4 受漂浮物影響導致的人工與自記觀測誤差。

3 特殊情況應對措施

3.1 根據(jù)GB/T 50138-2010《水位觀測標準》，該站采用自記水位計的校測定期進行，每日8：00時進行人工觀測水尺進行校測，水位漲落發(fā)生較大變化時，視情況而定增加人工校測段制;當儀器不穩(wěn)定或出現(xiàn)故障時，立即恢復人工觀測;每次校測時，對校測時間、校測水位值及自記水位值進行記錄，分析是否對水位初始值進行重新設定。

3.2 本次比測數(shù)據(jù)中，水位處于低、中水位級，根據(jù)GB/T 50138-2010《水位觀測標準》，自記水位過程呈鋸齒狀時，采用中心線平滑方法進行處理，以滿足整編要求。當水位變化達到高水位級時，將繼續(xù)進行人工與自記水位數(shù)據(jù)的同步觀測比較，以便進行數(shù)據(jù)分析，是否符合規(guī)范要求。

3.3 該站基本斷面寬為206.0m，測驗河段順直，砂礫石河床，兩岸均筑有石堤，右岸堤壩外為耕地。高水時流向基本順直，中低水受彎道，及橋墩影響有斜流，沖淤變化不大。當出現(xiàn)歷時低水位或者分槽時，我站也進行了特殊情況的水位數(shù)據(jù)比測分析，自記水位數(shù)據(jù)能達到整編規(guī)范要求。

3.4 距趙城站上游10km處有郭莊泉出流，由于上游泉水影響，河道未出現(xiàn)冰情現(xiàn)象;當遇到施測流量及含沙量的水位時，會根據(jù)時間先后順序插入相應水位測次，以滿足整編規(guī)范要求。

4 結(jié)論

通過趙城水文站人工和自記數(shù)據(jù)的比測分析，雷達自記水位計的各項指標均滿足生產(chǎn)要求，水位測驗精度符合《水位觀測標準》、《水文測驗實用手冊》、《水文資料整編規(guī)范》的規(guī)定要求，并且操作方便，與人工觀測水位相比精度高、抗干擾能力強，因此趙城水文站雷達自記水位計可應用于水位資料收集，自記水位數(shù)據(jù)亦可應用到水文資料整編。但鑒于趙城水文站測站特性，在雷達自記水位計使用過程當中，應特別注意水位出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)、鋸齒狀變化過程需要人工干預進行特殊處理，以滿足相應規(guī)范要求。

參考文獻：

[1]水位觀測標準，中華人民共和國國家標準，2010，25-26，66-69.

[2]水文測驗手冊，中國水利水電出版社，2013，157-158，176-178.

[3]水文資料整編規(guī)范，中華人民共和國國家標準，2013，20.

Application of radar self-recording water level gauge in Zhaocheng Hydrological Station

SUN Hualong

（Linfen Hydrology and Water Resources Survey Station， Linfen 041000， Shandong China）

Abstract：Based on the process of using radar self-recording water level gauge in Zhaocheng Hydrological Station， this paper analyzes and summarizes the composition and working principle of radar self-recording water level gauge， the application of self-recording water level data in hydrological data compilation， and the special cases of self-recording data and corresponding measures. By comparing and analyzing the water level data of manual and self-recording， it is verified that the radar self-recording water level gauge can be applied to the water level test of Zhaocheng Hydrological Station.

Keywords：Zhaocheng Hydrological Station; Radar self-recording water level gauge; Recording water level data