鐘 超

（新疆阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836500）

1 比測分析與應(yīng)用

1.1 測站概況

大青河水系位于海河流域的中部，平均比降3.9‰，流域面積4823 km2，流域西北高東南低，平均海拔1565 m～1302 m 之間，流域形狀近似扇形，流域上游主要是土石山區(qū)，河谷窄而深，植被良好；中游主要是黃土塬區(qū)，古坡陡立，植被條件較差。流域氣候主要是暖溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候，夏季炎熱而冬季嚴(yán)寒，降水集中且強(qiáng)度大、歷時長。年平均氣溫為11.8℃，7 月～9 月的降水占全年降水總量的65%，暴雨洪水類型主要為陡漲陡落，大青河水文站年均降水量594 mm，年均徑流量0.627 億m3，大青河水文站是大青河流域的重要控制站，其正式的水文要素觀測時間開始于1999 年1 月1 日，建站以來，最大流量實測值為523 m3/s，最大含沙量實測值為584 kg/m3。

大青河水文站房在流域左岸，左岸岸基下游80 m 位置的高速公路橋嵌入河道而后順流延伸30 m，對流域斷面水文要素觀測存在較大影響。流域左岸岸基之上的河道呈大彎形狀，觀測河段河道則基本順直，落差大且流速急，河床則主要由砂礫石、卵石和紅砂巖構(gòu)成，性狀較穩(wěn)定；左岸岸頂與水面的距離15.5 m，上部結(jié)構(gòu)主要是黃土和砂卵石，下部結(jié)構(gòu)主要是紅砂巖，距離水面3.0 m，分層較多，質(zhì)地復(fù)雜，由于水流的侵蝕、日曬和冰凍等原因，塌岸常有發(fā)生，對水文要素觀測和水沙測驗存在不利影響。

1.2 比測分析與應(yīng)用的目的

隨著當(dāng)前國內(nèi)水文現(xiàn)代化建設(shè)步伐的不斷加快，水位自動化觀測技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，為了提升水文觀測的自動化水平，確保觀測精度，縮短測報歷時，大青河水文站也安裝了自動雷達(dá)水位計并逐漸成為水文站主要的水位觀測儀器。大青河水文站水位陡漲陡落，且洪水期內(nèi)測量水位、水情、泥沙及流量等的工作量將倍增，水位觀測的時間間隔不能短于6 min，而諸如暴風(fēng)雨、波浪劇烈起伏、含沙量提高、漂浮物增多等情況都將增大水位觀測的難度和誤差。德國產(chǎn)自動雷達(dá)水位計的雷達(dá)波由于受到觀測環(huán)境、觀測條件、惡劣氣候等因素的影響較小，性能較穩(wěn)定而適用范圍非常廣，精度也較高，同時還具有水位觀測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和自動化處理功能。通過水位觀測數(shù)據(jù)比測、資料的積累和成果的分析，可以提升大青河水文站自動雷達(dá)水位計的應(yīng)用效果，從而使自動雷達(dá)水位計成為大青河水文站主要的水位觀測儀器，這對于降低水文站水位觀測工作強(qiáng)度，縮短測報歷時以及水位觀測數(shù)字化、自動化的實現(xiàn)等都具有積極意義，此外還有助于降低因觀測經(jīng)驗缺乏和偶然原因等而導(dǎo)致的觀測誤差，改善大青河水文站水位測報條件。

2 儀器設(shè)備

大青河水文站所安裝的是德國產(chǎn)自動雷達(dá)水位計，由于雷達(dá)波穩(wěn)定性高，所以觀測環(huán)境、觀測條件、惡劣氣候等因素對于測量結(jié)果影響較小，性能穩(wěn)定，在工作范圍內(nèi)自動雷達(dá)水位計精度有所保障，無需設(shè)立測井，操作方便。

自動雷達(dá)水位計主要從水位傳感天線進(jìn)行雷達(dá)脈沖的發(fā)射以及完成水面反射回來的脈沖的接收，同時記錄全程及各個階段的時間T，再結(jié)合電磁波的傳播速度C 便可計算出測量探頭至水面的距離，并根據(jù)探頭所安裝的高程以及探頭至水面的距離進(jìn)行水位的確定[1]。為了提升測流精確程度，自動雷達(dá)水位計還可以同時修正聲速溫度。大青河水文站自動雷達(dá)水位計的安裝位置在距流域左岸起點25 m 處，直徑6.0 cm的鋼管為支架，混凝土灌注于內(nèi)，儀器則安裝于6.5 m 的高度，以直徑×長度為0.3 cm×300 cm 的鍍鋅鋼管作為橫臂。大青河水文站自動雷達(dá)水位計主要技術(shù)參數(shù)詳見表1，雷達(dá)水位計自安裝運行以來并未出現(xiàn)過故障，無論汛期和冬季都正常運行。

表1 自動雷達(dá)水位計主要技術(shù)參數(shù)

3 比測結(jié)果分析與評定

3.1 比測結(jié)果誤差計算

大青河水文站自動雷達(dá)水位計安裝于基本水尺斷面及試運行后從未出現(xiàn)過任何故障，數(shù)據(jù)傳輸也從未間斷，為保證分析過程及結(jié)果的科學(xué)性與合理性，選取大青河水文站雷達(dá)探頭著流情況良好且人工觀測記載與雷達(dá)水位觀測一一對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比測分析。本次對其2014 年6 月10 日8 時～2015 年2月10 日8 時的水位觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，這一比對期包括豐水期、枯水期、冰期，且觀測期間河面并未封凍，嚴(yán)格按照《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50138-2010）及測驗任務(wù)書要求每5 min 進(jìn)行一次水位的采集，對于水位變化數(shù)據(jù)隨即傳送至遙測終端，如水位不發(fā)生變化，則每1 h 傳送一次數(shù)據(jù)，漲水及退水等過程必須增加觀測次數(shù)。經(jīng)過8 個月的觀測與對比，共采集到6637 組觀測數(shù)據(jù)，摘錄到比測數(shù)據(jù)523 組，中高水位（水位＞1084.52 m）500 次，低水位（水位≤1084.52m）23 次，比測過程中水位最高達(dá)1086.10 m，最低為1082.34 m，變幅為1.85 m。根據(jù)《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50138-2010）的規(guī)定，自動雷達(dá)水位計比測應(yīng)按水位變動幅度劃分測段進(jìn)行，且各段的比測次數(shù)至少30 次，水位比測數(shù)據(jù)95%置信水平綜合不確定值應(yīng)為3.5 cm，系統(tǒng)誤差應(yīng)為±1 cm，而對于波浪起伏突出的近海區(qū)域，綜合不確定值可以放寬至5.0 cm。比測合格水位變動幅度以內(nèi)，自動水位計仍處于工作狀態(tài)。根據(jù)ISO《導(dǎo)則》，水位比測數(shù)據(jù)的不確定度[2]按下式計算：

其中：

式中：Sg為統(tǒng)計值標(biāo)準(zhǔn)差；Xi為每次所觀測的雷達(dá)水位（m）為每次人工觀測水位值的平均值（m）。

結(jié)合式（1）可以求得標(biāo)準(zhǔn)差為：

95%的置信水平的不確定度綜合值為：

結(jié)合式（2）求得系統(tǒng)誤差為：

結(jié)合以上計算結(jié)果，95%置信水平的綜合不確定程度為2.29 cm≤3 cm，系統(tǒng)誤差為0.4 cm，均符合《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》的水文規(guī)范要求。中高水位段比測中95%置信水平的綜合不確定程度為2.29 cm，雖然符合規(guī)范要求，但是取值仍然偏大，可能的原因主要有：2014 年共發(fā)生7 場洪水，導(dǎo)致水位幅度劇烈變動；流域河道內(nèi)漂浮物過多，纏繞測尺，嚴(yán)重影響比測的準(zhǔn)確程度；數(shù)次洪水的發(fā)生均未在工作時間內(nèi)，洪水引起基本測尺斷面漫灘，水位觀測視線模糊，加大觀測誤差。

3.2 比測結(jié)果誤差分析

中高水位段和低水位段比測誤差的統(tǒng)計詳見表2 和表3，由表中數(shù)據(jù)可知，95%置信水平的綜合不確定程度完全符合規(guī)范要求，不確定程度超過3 cm 的測次出現(xiàn)次數(shù)不少，最大水位的絕對誤差盡達(dá)7.5 cm，充分表明，在斷面河勢突變、惡劣氣候及觀測環(huán)境改變等情形下，必須通過人工觀測方式加以補(bǔ)測[3]，確保自動雷達(dá)水位計水位觀測數(shù)據(jù)的完整與可靠。

表2 中高水位段誤差的統(tǒng)計

表3 低水位段誤差的統(tǒng)計

4 結(jié)論及建議

自動雷達(dá)水位計觀測精度高，數(shù)據(jù)傳輸速度快，結(jié)構(gòu)封閉，裝卸簡便，通過對大青河水文站2014 年6 月10 日8 時～2015年2 月10 日8 時水位觀測數(shù)據(jù)及計算得出，水位比側(cè)綜合不確定度和系統(tǒng)誤差的值均符合《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50138-2010）所要求的95%置信水平的隨機(jī)不確定度與系統(tǒng)誤差要求，充分表明自動雷達(dá)水位計替代人工水位觀測完全可行。根據(jù)自動雷達(dá)水位計在大青河水文站的安裝、觀測及使用情況來看，雷達(dá)水位計作為一種新型的水位觀測儀器，正常運行且探頭著流的條件下觀測精度即可滿足水位觀測規(guī)范要求。如遇斷面河勢突變、惡劣氣候及觀測環(huán)境改變等情形，河槽便會左右搖擺致使自動雷達(dá)水位計探頭脫流，對于這種情形導(dǎo)致斷面河床水位超97.55 m 時，必須將自動雷達(dá)水位計水位觀測與人工水位觀測結(jié)合使用，在自動雷達(dá)水位計脫流或故障時通過人工方式加以補(bǔ)測，保證水位觀測數(shù)據(jù)的完整與可靠。