李海露
(安徽省安慶水文水資源局,安徽 安慶)
樅陽閘水文站閘下游水尺斷面不同階段水位變幅過大,且低水位時水位測驗難度大,人工觀測水位數(shù)據(jù)結(jié)果無法滿足測報時效性需求,為優(yōu)化測站水位觀測精準(zhǔn)度,引入雷達(dá)水位計。作為自動化、智能化程度較高的水文測量儀器,雷達(dá)水位計受測量方法、測量章程以及外界因素等多重因素影響,可能出現(xiàn)一定誤差。筆者將結(jié)合樅陽閘水文站實況,將雷達(dá)水位計和人工觀測二者所產(chǎn)出數(shù)據(jù)比測分析,以此驗證雷達(dá)水位計是否真正適用于水文資料作業(yè)。
樅陽閘水文站位于安徽桐城市鱘魚鎮(zhèn),屬于國家重要水文站,測驗項目主要包括水位、流量、降水量、墑情、水質(zhì)等。該站距城區(qū)中心約2 000 m,據(jù)測驗斷面約600 m,到站內(nèi)各個觀測場地均能在10 min 內(nèi)抵達(dá),交通十分便捷。
流量測驗河段較順直,兩岸有堤防控制高水位。閘下游基本水尺斷面距閘門約150 m 處,閘下游配備有人工觀測水尺一組。
樅陽閘上游山區(qū)地形較為險峻與陡峭,上游集水面積為3 340 km2,降水量相對集中,暴雨洪水季節(jié),長江同時處于高水位期,樅陽閘出流受長江水位影響。通常情況下,汛期白兔湖水位上漲,非汛期長江水位不影響樅陽閘出流時,開閘泄出汛期囤蓄于湖泊的洪水,白兔湖水位緩慢下降。過閘流量受上、下游水位及工程調(diào)度的綜合影響。此河段河床為純粘土組成,較穩(wěn)定。
樅陽閘水文站所安裝的雷達(dá)水位計被固定在下游水位房水泥步道上,儀器測量范圍約為0.8~40 m,分辨力可精確在0.1 cm 內(nèi)。因其脈沖式的天線樣式,強(qiáng)悍的產(chǎn)品功耗工作電流≤10 mA、靜態(tài)值守電流≤1 mA,優(yōu)質(zhì)的RS485 數(shù)字信號輸出媒介以及在-20℃~55 ℃內(nèi)都適用的工作性能。在安裝時需要確保雷達(dá)水位計立桿與被測河段斷面保持垂直關(guān)系,消除雷達(dá)水位計與被測物體間的遮擋物,避免雷達(dá)波發(fā)射率受到干擾,導(dǎo)致測量精確度下降。同時,雷達(dá)水位計的發(fā)射波束半徑不可超出水位計中心距離水體岸邊的距離,并固定好懸臂支架,通過安裝鐵箱,并在內(nèi)部放置雷達(dá)水位計探頭,防止設(shè)備受到外力破壞。自順利完成安裝之后,運行至今,都并未發(fā)現(xiàn)明顯故障問題,即使是在面對汛期等惡劣環(huán)境背景下,此雷達(dá)水位計也能處于正常有序的運行狀態(tài)中,實用性十分顯著。同時,此水位計還具有抵抗外界干擾,不僅順利地通過了兩天兩夜的鹽霧腐蝕性能試驗,而且還通過了《華東水文儀器檢測中心》的細(xì)致化校準(zhǔn)檢測,有著十分突出的使用優(yōu)勢。
該雷達(dá)水位計測流原理主要是憑借反射以及接收雷達(dá)波實際產(chǎn)出距離,來對水位實現(xiàn)細(xì)致測量的,具體的水位測量數(shù)據(jù)產(chǎn)出,可嚴(yán)格依據(jù)下述水位測算方程加以計算,公式(1)如下:
式中:H 表示水面至雷達(dá)水位計之間的相對距離,單位為m;C 表示具體光速,單位為m/s;T 則表示雷達(dá)波發(fā)射以及接收到水面所需要用到的具體時間,單位為s[1]。
為保障分析結(jié)果更為合理,樅陽閘水文站將雷達(dá)探頭的安裝位置有意識布置在全年水位平穩(wěn)處,以此優(yōu)化人工觀測水位與雷達(dá)觀測水位數(shù)據(jù)一一對比的線性格局。本次分析對比工程主要選用2023 年4 月至6 月的人工水位觀測數(shù)據(jù)以及雷達(dá)水位計水位觀測數(shù)據(jù)實現(xiàn)對比分析,資料嚴(yán)格依據(jù)水位觀測標(biāo)準(zhǔn)之中的章程規(guī)定以及測量任務(wù)書要求,計劃每8 h、20 h都要實現(xiàn)定點觀測。最后,漲、退水過程期間也要自覺優(yōu)化頂層設(shè)計,有意識增加觀測次數(shù),以此保障資料來源更為真實可靠。
基于《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,計劃在對雷達(dá)水位計比測過程中,4 月到6 月人工觀測水位次數(shù)可達(dá)到188 余次,水位數(shù)據(jù)產(chǎn)出結(jié)果的比測也要保障置信水平超過95%,綜合不確定性低于2.90 cm,系統(tǒng)誤差嚴(yán)格把控在1 cm 左右。
步驟如下:
(1) 數(shù)據(jù)科學(xué)性分析,具體要將比測時間范圍內(nèi)雷達(dá)水位計觀測水位數(shù)據(jù)以及人工觀測水位數(shù)據(jù)在同一張圖紙中實現(xiàn)水位過程線細(xì)致點會以此直觀分析兩個水位過程線是否趨于一致,如若發(fā)現(xiàn)過程線并不一致,要及時對比測數(shù)據(jù)系列實現(xiàn)細(xì)致性檢查。如若精準(zhǔn)定位數(shù)據(jù)不合理之處,則要立即結(jié)合雷達(dá)水位計觀測水位以及人工觀測水位實現(xiàn)合理修正。
(2) 比測資料相關(guān)性分析,需要結(jié)合水位資料以及有效數(shù)據(jù),基于收集到的水位觀測信息,繪制雷達(dá)水位計與人工觀測水位過程線,根據(jù)實際研究發(fā)現(xiàn),兩種觀測方式下的水位變化趨勢無明顯差異,且不存在較大偏離,變動趨勢基本符合我國編制的水利水電建設(shè)工程驗收規(guī)程中的相關(guān)規(guī)定。之后還要借助系統(tǒng)軟件對觀測數(shù)據(jù)實施線性擬合,確定雷達(dá)水位計與人工觀測水位相關(guān)性是否優(yōu)良。
(3) 比測誤差合理性分析。積極推進(jìn)人工觀測水位以及雷達(dá)水位計觀測的水位數(shù)據(jù)實現(xiàn)誤差分析比。
(4) 比測結(jié)果分析總結(jié)。基于統(tǒng)籌視角,對不同誤差出現(xiàn)次數(shù)實現(xiàn)總結(jié),并及時對不同比對誤差的分布加以統(tǒng)計[2]。具體流程見圖1。
圖1 比測工序流程示意
4.1.1 雷達(dá)水位計的觀測誤差
在樅陽閘水文站水位人工觀測運行期間,測量人員可能因為主觀意識以及波浪等不可控因素影響,致使讀數(shù)代表性弱,時間不準(zhǔn)等問題出現(xiàn),從而出現(xiàn)較大的觀測誤差。為有效減少誤差出現(xiàn),測量人員應(yīng)隨時校對觀測的時鐘,觀測水位時,身體應(yīng)蹲下,使視線盡量與水面平行,避免產(chǎn)生折光;有波浪時,可利用水面的暫時平靜進(jìn)行觀讀或取峰頂峰谷水位的平均值;當(dāng)水尺水位受阻水影響時,應(yīng)盡可能先排除阻水因素,再進(jìn)行觀測。采取多次觀讀,憑借平均值的有機(jī)求取,科學(xué)控制測量誤差。具體的計算公式如下:
依據(jù)上文所提及步驟及具體計算公式,雷達(dá)水位計以及人工觀測值誤差生成數(shù)據(jù)統(tǒng)計,詳情見表1。
表1 案例水文站水位段誤差詳情數(shù)據(jù)統(tǒng)計
式中:di表示比測產(chǎn)出偏差;xci表示自動化雷達(dá)水位觀測具體數(shù)值;xsi表示人工水位的實際觀測數(shù)值;d 表示比測偏差的平均值;s(di)y則代表基于比測變差視角下的實際標(biāo)準(zhǔn)差。
為進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)值精準(zhǔn)度,可將水位觀測的取值為x0,隨機(jī)誤差設(shè)置為Δ,系統(tǒng)誤差設(shè)置為ε,在此時,人工水位觀測值即為水位觀測取值+Δs+εc,雷達(dá)水位觀測值則為水位觀測取值+Δc+εc。此外,為避免出現(xiàn)人為操作失誤引發(fā)的測量誤差,還需要規(guī)范好技術(shù)人員的測量行為,保證工作人員具備豐富的知識儲備與實踐經(jīng)驗,能夠有效應(yīng)對突發(fā)事故,保持良好的安全意識與崗位意識,并積極學(xué)習(xí)先進(jìn)的技術(shù)手段,為水文站的正常運營提供科學(xué)依據(jù)。
4.1.2 基于不確定度的雷達(dá)水位
2023 年4-6 月,樅陽閘水文站閘下游最高水位為11.33 m,最低水位為6.88 m,變幅為4.45 m。為進(jìn)一步優(yōu)化比測成效,需嚴(yán)格依據(jù)《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定,以自動化監(jiān)測設(shè)備的介入,實現(xiàn)監(jiān)測水位作業(yè)落實。在此需特別注意,想要科學(xué)完善統(tǒng)計數(shù)據(jù)總結(jié),還需要積極對系統(tǒng)之中的不確定性,隨機(jī)性以及綜合不穩(wěn)定度展開計算分析[3]。具體的估算步驟可嚴(yán)格依據(jù)下述公式加以落實:
式中:X"y表示為系統(tǒng)的不確定、不穩(wěn)定度;Pyi表示水位自動化觀測產(chǎn)出數(shù)值;Pi表示為水位的人工實際觀測數(shù)值;N 表示為觀測實際介入次數(shù);X'y表示為隨機(jī)型較高的不平穩(wěn)性;XZ則表示基于統(tǒng)籌視角下的不穩(wěn)定度具體數(shù)據(jù)。
基于相關(guān)性分析視角,以同一時刻的雷達(dá)水位計監(jiān)測的水位數(shù)值為縱向坐標(biāo),人工觀測水位數(shù)值為橫向坐標(biāo),建立關(guān)聯(lián)程度較高的相關(guān)分析圖,具體見圖2。
圖2 雷達(dá)水位與人工水位相關(guān)圖
再基于過程線對比這一視角來看,整體的水位過程是連續(xù)不間斷且漸變的一種漲落態(tài)勢,在4 月至6月之間,水位偏差最小為0 cm,最大為2 cm,整體的偏差,都在誤差范圍之內(nèi)。
最后立足于誤差結(jié)果分析這一層面上來看,立足于上百次的人工水位觀測數(shù)據(jù)以及雷達(dá)水位計水位觀測對比數(shù)據(jù),在充分利用《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》之中的估算公式,對系統(tǒng)不確定性,隨機(jī)不穩(wěn)定性,綜合不確定性展開計算后,不難發(fā)現(xiàn),滿足規(guī)程要求,符合水位觀測標(biāo)準(zhǔn)需求。
(1) 本站所使用的雷達(dá)水位計結(jié)構(gòu)嚴(yán)密、封閉緊湊,在裝卸、維護(hù)以及快捷觀測方面有著十分顯著的介入成效。通過對樅陽閘水文站2023 年4-6 月水位比測,綜合不確定性的及系統(tǒng)誤差的統(tǒng)計,其比測綜合不確定度的系統(tǒng)誤差都保持在可允許誤差范圍內(nèi),實用性較強(qiáng)[4]。
(2) 雷達(dá)水位計在設(shè)備運行期間的觀測精度可完全滿足規(guī)范需求,水位觀測作業(yè)落實期間可直接使用雷達(dá)水位計實現(xiàn)數(shù)據(jù)觀測。但需額外注意,考慮到在面對情況較為復(fù)雜的水位變幅情況時,雷達(dá)水位計的數(shù)據(jù)可能會產(chǎn)生一定偏差,為此,觀測人員需秉持著具體問題具體分析原則,在發(fā)現(xiàn)整體的測量斷面情況較為復(fù)雜時,積極借助雷達(dá)水位計和人工水位測量有機(jī)結(jié)合的手段,實現(xiàn)細(xì)致水位測量,以此保障水文觀測數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)。
(3) 立足于可持續(xù)發(fā)展視角來看,要自覺強(qiáng)化水文智能化專業(yè)人才培訓(xùn)以及水文雷達(dá)水位計養(yǎng)護(hù)隊伍的建設(shè)。在河流汛前、后使用期間,主動對儀器實現(xiàn)維護(hù),并憑借自動化程度較高測站水文系統(tǒng)的管理運行,盡可能延長雷達(dá)水位計現(xiàn)實使用壽命。
綜上所述,依據(jù)本文比測結(jié)果,樅陽閘水文站依據(jù)雷達(dá)水位計所產(chǎn)出的水位觀測資料精準(zhǔn)度可順利滿足《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》要求,由此可推斷,本測站的雷達(dá)水位計水位觀測資料產(chǎn)出數(shù)據(jù)可完全替代人工觀測落實,并直接運用于統(tǒng)籌水文資料整編領(lǐng)域之中,在未來,此測站要自覺將自動化程度較高的雷達(dá)水位計作為常規(guī)性水文觀測設(shè)備,快速且高效推進(jìn)數(shù)據(jù)檢查及監(jiān)測作業(yè)落實。