秦 濤

雷達(dá)水位計(jì)在上海世博園內(nèi)的應(yīng)用與比測分析

秦 濤

為了保障上海世博會期間園區(qū)的防汛安全，加強(qiáng)對世博園的水情監(jiān)測，根據(jù)上海市防汛辦的要求，上海市水文總站于2010年4月10日新建臨時自動測報站“白蓮涇站”，世博會結(jié)束后還將搬遷至別處繼續(xù)服役。該站位于白蓮涇與黃浦江交匯處，鄰近世博園白蓮涇入口，所測水位為黃浦江水位。

“白蓮涇站”因其所處地理位置的特殊性，與建立普通自動測報站的要求上有著很大的不同。既要保證測站所測水位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠且不受水質(zhì)、氣溫等因素影響，又要滿足世博園區(qū)內(nèi)的整體景觀效果。傳統(tǒng)的浮子水位計(jì)雖然能滿足數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的要求，但是其水位計(jì)井筒建造體積巨大，顯然不能滿足世博園區(qū)的景觀要求。經(jīng)上海市水文總站相關(guān)專家討論，最終研究決定在該站采用德國E+H公司生產(chǎn)的FM R250型雷達(dá)水位計(jì)。

一、白蓮涇站情況概述

白蓮涇站供電方式采用42W單晶硅太陽能電池板，通信方式采用GPRS數(shù)字移動終端，數(shù)據(jù)采集儀采用南瑞ACS-300M M型數(shù)據(jù)采集器。其主要監(jiān)測內(nèi)容為雨量和水位，每5m i n采集并發(fā)送一次水情信息。該站的雨量計(jì)采用的是南京水利水文自動化研究所生產(chǎn)的JDZ05-1型翻斗式雨量計(jì)，雷達(dá)水位計(jì)采用的是FM R250型雷達(dá)水位計(jì)。該雷達(dá)水位計(jì)輸出信號為4-20 m A帶H ART協(xié)議；功率消耗最小60m W，最大900m W；工作頻率約為26GH z超寬頻系統(tǒng)；測量范圍最小0.5m，最多可達(dá)70m；測量誤差范圍為±5 m m；工作溫度在攝氏－40℃～80℃之間。

白蓮涇站自建站起至今運(yùn)行正常，沒有出現(xiàn)任何故障，共測得數(shù)據(jù)38125組，所測得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

二、雷達(dá)水位計(jì)原理及特點(diǎn)

1.原理

雷達(dá)水位計(jì)的測量原理與超聲波水位計(jì)類似，不同的是雷達(dá)水位計(jì)使用的是雷達(dá)波,其工作原理如圖1所示。傳感器首先發(fā)射一個26 GH z的短微波脈沖（即“脈沖過程”），然后傳感器接收來自水體的反射信號，并將這些信號傳到完整的評估系統(tǒng)。脈沖信號的運(yùn)行時間直接反映了實(shí)際的水位。

2.特點(diǎn)

雷達(dá)水位計(jì)發(fā)射的26 GH z的短微波脈沖不受溫度、濕度、氣壓等環(huán)境因素或風(fēng)雪雨沙等惡劣天氣的影響，性能相當(dāng)穩(wěn)定，使得雷達(dá)水位計(jì)在其工作范圍內(nèi)具有極高的精度，其誤差范圍為±5 m m，完全達(dá)到水位觀測的精度需求。溫度適應(yīng)范圍廣，操作溫度在攝氏－40℃～80℃之間，完全滿足各種極端天氣的溫度要求。但是雷達(dá)水位計(jì)幾乎都是在國外生產(chǎn)制造，所以一般價格較高，一旦損壞需寄回國外方可修理，致使其維修周期較長。其主要特點(diǎn)有：

①非接觸測量，不受水體污染，不破壞水流結(jié)構(gòu)。

②雷達(dá)波不受溫度、濕度、氣壓影響。

圖1 工作原理圖

表1 誤差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

③不需建造測井，節(jié)省土建投資。

④法蘭或螺紋連接，安裝方便。

⑤無觸點(diǎn)開關(guān)元器件。

⑥無機(jī)械磨損，穩(wěn)定耐用。

⑦供電電源和輸出信號使用同一根兩芯線纜。

⑧可通過菜單驅(qū)動的字符顯示器在現(xiàn)場操作。

⑨價格高，一旦損壞維修周期長。

三、數(shù)據(jù)比測

因白蓮涇站為臨時站，建站時間短，且沒有相同位置水文站的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行比測，故取與其相鄰的黃浦公園水文站、蘇州河閘外站和楊思水文站所測得水位數(shù)據(jù)進(jìn)行比測。同步水位觀測對比見圖2。

本次比測從2010年7月12日到2010年8月20日,比測總時間為40d。儀器參數(shù)設(shè)置:每5m i n采集1次數(shù)據(jù)，隨采隨存。經(jīng)過1個多月的比測試驗(yàn)，共獲得數(shù)據(jù)11520組，摘錄比測數(shù)據(jù)1152組，比測期間水位從最高3.94m到最低1.61m，水位變幅達(dá)2.33m。

《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ138-90）規(guī)定：置信水平95%的綜合不確定度不應(yīng)超過3cm,系統(tǒng)誤差不應(yīng)超過±1cm。按照ISO《導(dǎo)則》的B類不確定標(biāo)準(zhǔn)：U0.95=2Sg。

其中Sg可用公式表示：

式中：Sg為標(biāo)準(zhǔn)差不確定度；

xi為各次雷達(dá)水位讀數(shù)；

n為觀測次數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)差不確定度Sg用下式計(jì)算:

則置信水平95%的綜合不確定度U0.95=2Sg=0.0254 m。

系統(tǒng)誤差Sj可用公式表示：

根據(jù)上面兩式計(jì)算，置信水平95%綜合不確定度為2.54cm≤3 cm，系統(tǒng)誤差為0.1cm≤1.0 cm，此兩項(xiàng)指標(biāo)均滿足水文規(guī)范要求。

四、數(shù)據(jù)分析

圖2 相鄰站同步水位觀測對比圖

本次比測變幅、次數(shù)、時限均滿足《河流水文觀測技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》第三篇第五章第5.2.2條規(guī)定：“比測時,將水位變幅分為幾段，每段比測數(shù)在30次以上，測次在漲落水面均勻分布，并包括水位平穩(wěn)、急劇變化等情況下比測值，長期自記水位計(jì)應(yīng)取得1個月以上連續(xù)完整的比測記錄”。雖不滿足新儀器比測的時間不得小于1個汛期的規(guī)定，但儀器正常運(yùn)行時間已達(dá)4個半月（上海地區(qū)汛期一般為4個月，因上海舉辦世博會，汛期延長至6個月）。

本次比測結(jié)果中綜合不確定度U0.95達(dá)到規(guī)范要求，但其數(shù)值偏大。統(tǒng)計(jì)時段內(nèi)誤差參見表1。

綜合不確定度偏大主要因素分析：

①黃浦江受潮汐影響水位變幅大、變化速度快。

②該處河段為通航河段，來往船只產(chǎn)生波浪等必然對其產(chǎn)生影響。

③河道內(nèi)水草、雜物等漂浮物也會影響其測量準(zhǔn)確度。

④相鄰測站同樣受潮汐、波浪影響，其所測得水位也可能存在一定測量誤差。

五、結(jié)論

FM R250型雷達(dá)水位計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠、裝卸維護(hù)簡單、觀測傳輸快捷、精度高，適合在溫差大的常年無封凍河段上使用。通過誤差分析U0.95綜合不確定度和系統(tǒng)誤差不超過規(guī)范要求的3cm和±1cm，完全滿足防汛水位的觀測要求。但其存在價格較高、維修周期長、U0.95綜合不確定度偏高、最大絕對誤差達(dá)11cm等缺點(diǎn)。

通過此次比測分析并綜合各方面特點(diǎn)，雷達(dá)水位計(jì)更適合作為浮子水位計(jì)的補(bǔ)充，在某些無法建立浮子水位測井的地方可以作為水位觀測儀器加以利用

上海市水文總站200232）