張甲棟

（陜西省水文水資源勘測局，陜西 西安710068）

1 測站概況

高灘水文站為國家重點(diǎn)水文站，位于陜西省紫陽縣高灘鎮(zhèn)，海拔高程359 m。高灘水文站是漢江中游一級支流任河的控制站，控制集水面積3588 km2，距河口距離27 km。測驗(yàn)項(xiàng)目包括：水位、流量、泥沙、泥顆、降水、蒸發(fā)。測站擔(dān)負(fù)著向國家防總、長江委、省防總、湖北防總等單位的報(bào)汛任務(wù)，承擔(dān)著紫陽縣城及下游地區(qū)的防汛任務(wù)。

高灘水文站測驗(yàn)河段基本順直，呈“U”型河槽，河床為沙卵石組成，沖淤變化不大。斷面以上400 m處有1灣道，基上157 m處有公路大橋1座，基下230 m處有1石梁，對河床均起控制作用。測驗(yàn)河段布設(shè)有上、中、下浮標(biāo)斷面，浮標(biāo)、比降斷面重合，上下浮標(biāo)斷面間距200 m。該站實(shí)測最高水位355.97 m，最低枯水位為350.50 m。

2 雷達(dá)水位計(jì)性能

雷達(dá)自記水位計(jì)自動測量儀器測試精度高、且在水位測量過程中不需要和待測水面接觸、僅需發(fā)射和接受從水面所傳遞的雷達(dá)波便可完成水位測量，因而測量儀器不會遭受待測水體水質(zhì)、污泥、水生植物等的污染與影響。根據(jù)發(fā)達(dá)國家及國內(nèi)一些自動化程度較高測站的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，雷達(dá)自記水位計(jì)水情自動監(jiān)測采集系統(tǒng)比傳統(tǒng)的浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)具有更好的穩(wěn)定性、可靠性和更高的數(shù)據(jù)測量精度，其對水位數(shù)據(jù)測量的高精度與當(dāng)前較為流行的超聲波式水位計(jì)大致相當(dāng)。對于雷達(dá)自記水位計(jì)施測過程中所面臨的水體波動進(jìn)而影響觀測精度的問題，一般通過增加前置CPU裝置替換原有的放浪桶，以提升采集速度、增強(qiáng)信號處理及分析計(jì)算精度并通過軟件程序的應(yīng)用消除誤差。雷達(dá)自記水位計(jì)在消除水體波動誤差方面比超聲波水位計(jì)更具有優(yōu)勢，超聲波水位計(jì)在水體波動的影響下其測量精度受溫度、蒸汽、空氣流動的影響較大。

雷達(dá)水位計(jì)還具有較強(qiáng)的抵抗外界環(huán)境溫度、風(fēng)力風(fēng)向、蒸汽等干擾的能力，安裝、維護(hù)及使用過程也極為方便。該水位傳感器能實(shí)現(xiàn)24 h全天候工作，在運(yùn)用微波反射原理的情況下，有很強(qiáng)的抗干擾能力；水位觀測數(shù)值的可靠度可達(dá)5 mm；且儀器在施測過程中完全非接觸型測量，故不存在機(jī)械磨損；測量過程與結(jié)果也不受水質(zhì)因素及浮冰等漂浮物的影響；其技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 雷達(dá)水位計(jì)技術(shù)指標(biāo)

3 比測資料相關(guān)性分析

高灘水文站雷達(dá)水位計(jì)和人工觀測水位比測分析主要選擇2019年1月1日～12月31日兩種觀測方式同步觀測的750組水位資料，其中有效數(shù)據(jù)720組?；谒占降乃挥^測資料繪制高灘水文站雷達(dá)水位計(jì)和人工觀測水位過程線（見圖1），由圖1可見，該測站兩種觀測方式下水位變化趨勢較為接近且無明顯偏離，其變動趨勢完全符合《水利水電建設(shè)工程驗(yàn)收規(guī)程》（SL 223-2008）所規(guī)定的范圍［1］。

圖1 高灘水文站雷達(dá)水位計(jì)和人工觀測水位過程線

運(yùn)用OriginPro8.5.1進(jìn)行所收集的720組有效觀測數(shù)據(jù)的線性擬合，關(guān)系曲線見圖2，擬合結(jié)果表明，R2=0.9927，表明高灘水文站雷達(dá)水位計(jì)和人工觀測水位相關(guān)性較好，且雷達(dá)觀測結(jié)果精度較高。所以，雷達(dá)觀測資料可代替人工水位觀測成為該測站正式水文資料使用。

圖2 雷達(dá)水位計(jì)與人工觀測水位關(guān)系曲線

根據(jù)對2019年高灘水文站雷達(dá)水位計(jì)與人工觀測水位關(guān)系曲線的檢驗(yàn)，樣本容量720，其中正號（即雷達(dá)水位計(jì)觀測水位＞人工觀測水位）個(gè)數(shù)354個(gè)，符號檢驗(yàn)結(jié)果為0.98，顯著水平α=0.25允許1.15，檢驗(yàn)結(jié)果合格；適線檢驗(yàn)結(jié)果為免檢；偏離數(shù)值檢驗(yàn)，顯著水平α=1.10允許1.76，檢驗(yàn)結(jié)果合格。隨機(jī)不確定度、標(biāo)準(zhǔn)差和系統(tǒng)誤差均為0，檢驗(yàn)結(jié)果完全符合《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）的規(guī)定［2］，所以高灘水文站雷達(dá)水位觀測完全可以代替人工觀測。

4 比測誤差分析

4.1 劃分水位等級

按照《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015），當(dāng)年瞬時(shí)最高水位頻率取10%，為高水位，而當(dāng)年瞬時(shí)最低水平頻率取90%則對應(yīng)低水位，當(dāng)年瞬時(shí)頻率取50%則對應(yīng)中水位［3］。所以將高灘水文站2010年～2019年水情變動過程分為四個(gè)時(shí)段，水位Z≥354.8 m的高水期；354.8 m＞Z≥354.0 m的中水期；354.0 m＞Z≥352.5 m的低水期及Z＜352.5 m的枯水期。按照《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）的要求，自記水位計(jì)在比測的過程中應(yīng)當(dāng)根據(jù)水位變動幅度劃分不同測段并施測，且各段比測次數(shù)不小于30次。所以，本文在選取雷達(dá)水位計(jì)和人工同步觀測資料時(shí)應(yīng)按照大波浪、一般波浪、無波浪三種情況分別選取至少30次水位觀測資料。

4.2 雷達(dá)水位計(jì)觀測誤差

在測站水位人工觀測過程中可能因?yàn)闇y量人員個(gè)人主觀原因、壅水及波浪影響、時(shí)間不準(zhǔn)、讀數(shù)代表性差等原因而產(chǎn)生觀測誤差。為盡可能降低誤差，測量人員應(yīng)當(dāng)半蹲以使視線盡可能與待測水面齊平；若水面有波浪，則應(yīng)待水面恢復(fù)平靜后再測或讀取峰谷和峰頂水位數(shù)據(jù)并求取平均值；若阻水影響水尺水位時(shí)，應(yīng)待阻水因素排除后再測，并增加測量次數(shù)，通過求取平均值以控制測量誤差。

按照《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）觀測標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，雷達(dá)自記水位和人工觀測水位比測系統(tǒng)誤差應(yīng)不大于±1 cm、95%置信水平下綜合不確定度應(yīng)不大于3%［4］，雷達(dá)水位計(jì)量程可達(dá)30 m，而量程超出15 m后，比測綜合誤差會達(dá)到3 cm；本次比測分析中波浪問題均為石英鐘觀測計(jì)時(shí)，誤差精度控制在±0.5 min/d，符合規(guī)范要求。

式中：di為比測偏差；xci為雷達(dá)水位觀測值；xsi為人工水位觀測值；d為比測偏差均值；s（di）y為比測偏差標(biāo)準(zhǔn)差。

水位觀測真值取x0，隨機(jī)誤差為Δ，系統(tǒng)誤差為ε，則雷達(dá)水位觀測值為xc=x0+Δc+εc，人工水位觀測值為xs=x0+Δs+εs。

根據(jù)以上分析，可得：

當(dāng)系統(tǒng)誤差εs=0時(shí)，按照高水位（大波浪）、中水位（一般波浪）和低水位（無波浪）進(jìn)行雷達(dá)水位觀測系統(tǒng)誤差εc的計(jì)算，具體結(jié)果見表2。

4.3 雷達(dá)水位不確定度

按照規(guī)范GB/T 50138-2010的要求，在進(jìn)行測站水位自動觀測過程中，觀測結(jié)果的不確定程度按照以下過程進(jìn)行估算：

式中：Xy"為系統(tǒng)不確定度；Pyi為水位自動觀測值；Pi為水位人工觀測值；N為觀測次數(shù)；Xy"為隨機(jī)不確定度；Xz為綜合不確定度。

根據(jù)表2對高灘水文站雷達(dá)水位的計(jì)算結(jié)果可知，高灘水文站在低水位（無波浪）、中水位（一般波浪）、高水位（大波浪）等水位等級下雷達(dá)水位計(jì)觀測水位的不確定度、隨機(jī)不確定度、綜合不確定度、綜合誤差均符合GB/T 50138-2010規(guī)范要求。

表2 高灘水文站雷達(dá)水位計(jì)和人工水位觀測不確定度結(jié)果匯總

5 結(jié)論

本文比測分析結(jié)果表明，高灘水文站雷達(dá)水位計(jì)水位觀測資料精度符合GB/T 50138-2010規(guī)范中對水文觀測精度的要求，對雷達(dá)水位計(jì)和人工水位觀測結(jié)果推算徑流量誤差也符合規(guī)范要求，且雷達(dá)水位計(jì)在各種比測環(huán)境下性能狀態(tài)穩(wěn)定可靠。所以，本測站雷達(dá)水位計(jì)水位觀測資料完全可代替人工觀測并直接應(yīng)用于該測站水文資料整編領(lǐng)域。該測站也應(yīng)將雷達(dá)水位計(jì)作為常規(guī)性水文觀測設(shè)備，如遇雷達(dá)水位計(jì)故障，為保證水文觀測序列的連續(xù)性，應(yīng)及時(shí)恢復(fù)人工觀測，暢流期人工水位觀測應(yīng)安排在每日上午8：00進(jìn)行，并將觀測結(jié)果與雷達(dá)觀測結(jié)果進(jìn)行比較與校核，避免因雷達(dá)探頭發(fā)生故障等原因造成水位觀測數(shù)據(jù)無效或丟失。在雷達(dá)水位計(jì)出現(xiàn)故障并恢復(fù)人工觀測的情況下，應(yīng)在每次測流過程中根據(jù)人工水位觀測結(jié)果進(jìn)行雷達(dá)水位校測。與此同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)高灘水文站雷達(dá)水位計(jì)的日常養(yǎng)護(hù)，并通過陜西省中小流域水文監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行該測站雷達(dá)水位計(jì)日常運(yùn)行情況的每日檢查與監(jiān)測。