五圣宮水文站雷達(dá)水位計(jì)與人工觀測(cè)水位比測(cè)分析

馬燕芝

(新疆昌吉水文勘測(cè)局，新疆 昌吉 831100)

1 五圣宮水文站概況

五圣宮水文站為國(guó)家基本三類(lèi)水文站，位于吉木薩爾縣泉子街鎮(zhèn)公圣村，地理位置：東經(jīng)89°15′、北緯43°44′。測(cè)驗(yàn)斷面以上集水面積172 km2，河長(zhǎng)24.1 km，測(cè)站海撥高程1 347 m，多年平均徑流量0.670 6×108m3，流域來(lái)水量主要以冰川融雪和降水補(bǔ)給為主。五圣宮站為流量測(cè)驗(yàn)三類(lèi)精度水文站，根據(jù)頻率計(jì)算劃分水位級(jí),當(dāng)流量小于6.60 m3/s時(shí)為低水，流量在6.60～24.7 m3/s時(shí)為中水，流量大于24.7 m3/s時(shí)為高水。

雷達(dá)水位計(jì)設(shè)立位置在測(cè)驗(yàn)斷面位置下游2 m處。斷面順直段長(zhǎng)度大約為120 m。斷面沖淤變化不大，有泥沙項(xiàng)目，歷史最大流量136 m3/s。測(cè)流斷面設(shè)有搪瓷水尺4根，雷達(dá)水位計(jì)固定在起點(diǎn)距9.0 m處，由懸臂支架固定，距離水面大約3 m。

2 測(cè)站水文儀器設(shè)備安裝和人工觀測(cè)方式

五圣宮水文站使用的雷達(dá)水位計(jì)是德國(guó)SEBA PULS雷達(dá)水位計(jì)，是一種利用電磁波進(jìn)行水位測(cè)量專(zhuān)業(yè)水文儀器，由于電磁波的傳播速度不受溫度、濕度、氣壓、雨雪和風(fēng)沙等環(huán)境因素的影響，使得雷達(dá)水位計(jì)精度高、性能穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)單[1]。雷達(dá)水位計(jì)的計(jì)算方式由廠家設(shè)定，時(shí)間和水位高程由工作人員設(shè)定或調(diào)整，水位數(shù)據(jù)每6分鐘傳輸一次。水位計(jì)架設(shè)在測(cè)驗(yàn)河道左岸，雷達(dá)探頭安裝在支架伸出的臂桿上，位于起點(diǎn)距9.0 m處。水文站的人工水位觀測(cè)主要依靠設(shè)立的直立式水尺觀測(cè)水位，水文觀測(cè)人員一般直接讀取水尺讀數(shù)，然后計(jì)算水位并在記錄表中填記數(shù)據(jù)，一般在每日8 h、20 h進(jìn)行。

3 比測(cè)目的及依據(jù)

為提高水文測(cè)驗(yàn)科技含量和自動(dòng)化水平，適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)水文資料的需求，降低野外測(cè)驗(yàn)人員的工作強(qiáng)度，水位自動(dòng)化監(jiān)測(cè)一直在不斷推進(jìn)。雷達(dá)水位計(jì)作為一種自動(dòng)化程度較高的水文測(cè)量?jī)x器，其在運(yùn)行過(guò)程中與人工觀測(cè)設(shè)施設(shè)備一樣，由于觀測(cè)方法及外界環(huán)境因素復(fù)雜多變，都可能出現(xiàn)一定的誤差。因此，為消除雷達(dá)水位計(jì)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的誤差，保證自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)水位的準(zhǔn)確性，根據(jù)GB/T50138-2010《水位觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定，新安裝的自記水位計(jì)或改變儀器類(lèi)型時(shí)，應(yīng)進(jìn)行比測(cè)，比測(cè)合格后，方可正式使用[2]。

4 比測(cè)資料選取

五圣宮水文站在2019年配備了1臺(tái)SEBAPULS雷達(dá)水位計(jì)，該儀器投入使用前，儀器檢驗(yàn)合格，并與于2019年6月進(jìn)行了安裝，2020年4月開(kāi)始比測(cè)工作，但因時(shí)有故障，于6月1日將儀器拆下維修，后因疫情影響，9月14日進(jìn)行正式比測(cè)。為保證五圣宮站水位比測(cè)資料水位變化的一致性和時(shí)間的一致性，雷達(dá)水位計(jì)架設(shè)在測(cè)驗(yàn)河道左岸，雷達(dá)探頭和基本水尺都布設(shè)在同一斷面處，都位于起點(diǎn)距9.0m處。雷達(dá)水位計(jì)和人工觀測(cè)基本水尺的比測(cè)水位數(shù)據(jù)計(jì)劃從4月1日開(kāi)始，9月30日結(jié)束后因雷達(dá)水位計(jì)出現(xiàn)故障，在調(diào)試等待維修部件，至9月13日正常工作，截至10月18日共收集72組比測(cè)水位數(shù)據(jù)。

通過(guò)對(duì)72組比測(cè)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其中20組水位數(shù)據(jù)相對(duì)偏差不符合GB/T50138-2010《水位觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定，一般水位站置信水平95%綜合不確定度應(yīng)為3 cm，系統(tǒng)誤差應(yīng)為±1 cm。是因?yàn)槔走_(dá)水位計(jì)受風(fēng)或樹(shù)枝擺動(dòng)影響導(dǎo)致水位數(shù)據(jù)不合理情況。將20組偽數(shù)據(jù)剔除后，52組比測(cè)水位數(shù)據(jù)均滿足相對(duì)偏差規(guī)范要求，可作為本次相關(guān)分析的水位數(shù)據(jù)系列，水位變幅從10.60～10.50 m。經(jīng)實(shí)測(cè)流量資料分析，2020年實(shí)測(cè)最大洪峰流量為49.7 m3/s(6月28日)，根據(jù)五圣宮站流量級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，2020年實(shí)測(cè)最大洪峰流量為高水，但因設(shè)備故障，無(wú)法正常觀測(cè)，故比測(cè)水位無(wú)中高水，比測(cè)水位數(shù)據(jù)僅為低水水位。

5 比測(cè)資料相關(guān)性分析

比測(cè)方法采用人工觀測(cè)基本水尺水位與雷達(dá)水位計(jì)同步采集的52組水位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，建立兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)行線性分析。

根據(jù)同時(shí)段人工觀測(cè)水位數(shù)據(jù)與雷達(dá)水位計(jì)水位數(shù)據(jù)，點(diǎn)繪水位過(guò)程線，經(jīng)分析，9月13日至10月19日期間兩組水位數(shù)據(jù)變化連續(xù)、水位過(guò)程線峰形一致、無(wú)陡漲陡落現(xiàn)象，水位過(guò)程線見(jiàn)圖1。從圖2可以看出，五圣宮站雷達(dá)水位計(jì)與人工觀測(cè)水位相關(guān)系數(shù)較好，R值為1.033 8，符合規(guī)范要求，雷達(dá)水位計(jì)可在站使用。

圖1 五圣宮站雷達(dá)水位計(jì)與人工觀測(cè)水位過(guò)程線圖

圖2 五圣宮站雷達(dá)水位計(jì)與人工觀測(cè)水位相關(guān)關(guān)系圖

6 比測(cè)誤差分析

6.1 雷達(dá)水位不確定度計(jì)算

自記水位計(jì)安裝在新斷面，每日人工只觀測(cè)8 h，20 h水位，且儀器維修好已經(jīng)是9月中旬，每日水位變化不大，故沒(méi)記錄人工最高，最低水位。2020年資料整編仍采集老斷面數(shù)據(jù)。根據(jù)《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50138-2010中附錄E.0.6采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)水位時(shí)，其不確定度應(yīng)按下列方法估算[3]：

1)系統(tǒng)不確定度應(yīng)按公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Pyi為自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位；Pi為人工校測(cè)水位；N為校測(cè)次數(shù)。

2)隨機(jī)確定度應(yīng)按公式(2)計(jì)算：

(2)

3)綜合不確定度按公式(3)計(jì)算：

(3)

按照五圣宮水文站水位級(jí)劃分依據(jù)，分別對(duì)搜集的比測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行低水、中水、高水排序分類(lèi)，并對(duì)分組數(shù)據(jù)的系統(tǒng)不確定度、隨機(jī)不確定度、綜合不確定度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不確定度計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

6.2 誤差結(jié)果分析

(1)根據(jù)《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50138-2010 6.2.3規(guī)定，一般水文站的置信水平95%的綜合不確定度為3 cm,系統(tǒng)誤差應(yīng)為±1.52 cm。經(jīng)計(jì)算五圣宮水文站雷達(dá)水位計(jì)比測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)不確定度為0.023 8 cm、隨機(jī)不確定度為3 cm，綜合不確定度為3 cm，系統(tǒng)誤差1.52 cm，符合規(guī)范要求。

(2)雷達(dá)水位計(jì)接收設(shè)備在遇到有風(fēng)時(shí)會(huì)有小幅度的晃動(dòng)，雖然不大，但也能產(chǎn)生2～4 cm的上下擺動(dòng)。且多數(shù)出現(xiàn)在早上8點(diǎn)，分析可能由于早上山風(fēng)導(dǎo)致儀器輕微晃動(dòng)所致，同時(shí)儀器本身也可能有一定器差。在使用時(shí)要保證電源供應(yīng)正常，因雷達(dá)水位計(jì)靠近左岸，要注意可能出現(xiàn)的漂浮物并避免樹(shù)枝晃動(dòng)碰撞水位計(jì)，在出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷等情況下要及時(shí)反映并維修。

(3)比測(cè)時(shí)段為汛后，水位變化不大，但有時(shí)出現(xiàn)4～5 cm的誤差，主要原因是儀器維修后需要輸入啟用高程，在進(jìn)一步的調(diào)整水位和時(shí)間參數(shù)時(shí)會(huì)導(dǎo)致有些數(shù)據(jù)誤差較大，導(dǎo)致成為偽數(shù)據(jù)。

7 結(jié)論與建議

7.1 結(jié)論

從本次比測(cè)分析結(jié)果可知，9月13日-10月23日期間兩組水位數(shù)據(jù)變化連續(xù)、水位過(guò)程線峰形一致、無(wú)陡漲陡落現(xiàn)象。兩組水位比測(cè)數(shù)據(jù)的單個(gè)測(cè)點(diǎn)偏差范圍在-0.02～0.02，系統(tǒng)誤差為-0.00，符合規(guī)范要求，雷達(dá)水位計(jì)可在站使用。相關(guān)分析R值為1.033 8，相關(guān)顯著性高。SEBA雷達(dá)水位計(jì)在設(shè)備工作正常的情況下，觀測(cè)精度可滿足規(guī)范要求。測(cè)站可采用雷達(dá)水位計(jì)替代人工觀測(cè)水位。

7.2 建議

(1)在今后實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)通過(guò)調(diào)試?yán)走_(dá)水位計(jì)RTU和軟件數(shù)據(jù)，消除因波浪影響產(chǎn)生的峰谷誤差，更好的完成水位觀測(cè)任務(wù)。同時(shí)在今后的測(cè)驗(yàn)中應(yīng)盡量收集中、高水比測(cè)資料，完善分析方案。

(2)建議在使用雷達(dá)水位計(jì)記錄水位時(shí)，人工觀測(cè)同步校對(duì)。在汛前汛后對(duì)儀器進(jìn)行維修保養(yǎng)，在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)保養(yǎng)維修。測(cè)站應(yīng)將雷達(dá)水位計(jì)作為常規(guī)性水文觀測(cè)設(shè)備，如遇雷達(dá)水位計(jì)故障，為保證水文觀測(cè)序列的連續(xù)性，應(yīng)及時(shí)恢復(fù)人工觀測(cè)，并將觀測(cè)結(jié)果與雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較與校核，確保水文觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和正確性。