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        雷達(dá)自記水位計在趙城水文站的應(yīng)用

        2021-09-02 01:57:28孫花龍
        黑龍江水產(chǎn) 2021年4期

        孫花龍

        摘? 要:文章主要基于趙城水文站在使用雷達(dá)自記水位計的過程當(dāng)中,針對雷達(dá)自記水位計的組成,工作原理,自記水位數(shù)據(jù)應(yīng)用于水文資料整編,自記數(shù)據(jù)出現(xiàn)的特殊情況及應(yīng)對措施進(jìn)行了分析概括;并對其存在的測驗誤差進(jìn)行了分析總結(jié),通過人工與自記水位數(shù)據(jù)的對比分析,驗證了雷達(dá)自記水位計可以應(yīng)用于趙城水文站水位測驗。

        關(guān)鍵詞:趙城水文站;雷達(dá)自記水位計;自記水位數(shù)據(jù)整編

        中圖分類號:S914文獻(xiàn)標(biāo)志碼:C

        隨著水位測驗逐漸由人工向自動化轉(zhuǎn)變,趙城水文站在水位測驗自動化方面進(jìn)行了多次實踐,目前已實現(xiàn)由雷達(dá)自記水位計替代人工進(jìn)行水位監(jiān)測。趙城水文站位于臨汾市洪洞縣汾河中下游,現(xiàn)配備有雷達(dá)波自記水位計及雷達(dá)波在線測流設(shè)備等現(xiàn)代化水文測驗設(shè)施,本文主要針對雷達(dá)波自記水位計在趙城水文站水位測驗及整編方面的應(yīng)用進(jìn)行了分析論證,為雷達(dá)自記水位計應(yīng)用于趙城水文站水位測驗提供了依據(jù)。

        1 測站基本概況

        趙城水文站始建于1995年,由山西省水文總站設(shè)立;1996年領(lǐng)導(dǎo)機關(guān)更名為山西省水文水資源勘測局,2020年領(lǐng)導(dǎo)機關(guān)恢復(fù)為山西省水文總站。由上游石灘水文站(1951年5月設(shè)立)下遷至此,位于汾河干流中下游,洪洞縣趙城鎮(zhèn)西街村,站房位于汾河左岸;地理坐標(biāo)東經(jīng)111°41′,北緯36°27′。測驗任務(wù)主要有降水、蒸發(fā)、水位、流量、水質(zhì)、含沙量、水溫、冰情、墑情等項目。

        趙城水文站是按照直線原則規(guī)劃的基本水文站,也是國家重點水文站,主要收集義棠至趙城區(qū)間暴雨、徑流及泥沙資料。流域內(nèi)有靜升河、玉成溝、交口河、段純河、仁義河、姚村河、對竹河、南澗河、辛置河、團柏河10大支流匯入,集水面積28676km2,距入河口229km,控制河長484km,流域平均縱坡1.7‰。

        測驗河段順直,河床由砂礫石、細(xì)沙組成,兩岸均筑有石堤,右岸堤壩外為耕地?;录s300m,基上約800m,各有一彎道,基上90m有一組座公路橋,高水時流向基本順直,中低水受彎道,及橋墩影響有斜流,沖淤變化不大。設(shè)站以來實測最大洪峰流量1130m3/s,發(fā)生在1996年8月8日, 相應(yīng)最高洪水位476.31m,最大斷面平均含沙量136kg/m3。雷達(dá)自記水位計觀測平臺位于基本斷面左岸起點距42.0m,基本斷面以下16.0m處,雷達(dá)自記水位計基準(zhǔn)高程為481.58m。

        通過對趙城水文站1995~2017年的23年徑流系列資料分析,采用年特征值法確定高、中、低水位級。統(tǒng)計1995~2017年各年的瞬時最高水位、日平均水位、最低水位。采用皮爾遜Ⅲ型曲線,對三種水位分別進(jìn)行頻率計算。應(yīng)用的公式如下:

        Pm=mn+1(m=1,2,3,…n);X-=1n∑ni=1xi;

        cv=∑ni=1(ki-1)2n-1;ki=xix-;

        cs=∑ni=1(ki-1)3(n-3)c3v

        當(dāng)頻率P=10%,cscv=2.5,高水位Z>=474.50m;當(dāng)頻率P=50%,cscv=2.5,中水位Z>=473.87m;當(dāng)頻率P=90%,cv=2.5,cscv=2.5,低水位Z>=473.00m。

        2 雷達(dá)自記水位計的應(yīng)用

        2.1 雷達(dá)自記水位計的組成

        趙城水文站雷達(dá)自記水位計主要有雷達(dá)水位計平臺,水位計臺由儀器平臺、懸臂、鋼管支架及基礎(chǔ)組成;儀器平臺主要由供電設(shè)備、雷達(dá)水位傳感器、數(shù)據(jù)采集終端(RTU)、GSM/GPRS通信傳輸設(shè)備、防雷設(shè)備等配件組成。通過以上設(shè)備實現(xiàn)水位信息的自動采集、傳輸與儲存,隨時掌握河流的水位變化情況。

        2.2 雷達(dá)自記水位計的工作原理

        雷達(dá)自記水位計是利用時差原理計算到水面的距離。設(shè)備傳輸固定頻率的脈沖,然后接受并建立回波圖形。雷達(dá)自記水位計記錄脈沖波經(jīng)歷的時間,而電磁波的傳輸速度為常數(shù),算出水面到雷達(dá)水位計的雷達(dá)天線的距離,即可測出水位。

        關(guān)系式為:h=12×v×t

        式中,v為電磁波的傳播速度,m/s;

        t為雷達(dá)波往返水面的時間;

        h為雷達(dá)水位傳感器至水面的距離。

        雷達(dá)自記水位計中設(shè)置有探頭基準(zhǔn)高程H,通過雷達(dá)自記水位計可以測到水面到雷達(dá)傳感器的距離h,那么水位為Z=H-h,即可得到水位數(shù)據(jù)。

        2.3 雷達(dá)自記水位數(shù)據(jù)使用依據(jù)

        本次通過水位變幅分幾個測段進(jìn)行人工與自記進(jìn)行比測,對同步時間下相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對照分析,按照《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》(GBJI38-90)規(guī)定,水位比測結(jié)果應(yīng)符合: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1%?!端臏y驗手冊》對自記水位計比測結(jié)果的要求是:75%以上測次偶然誤差不超過±2cm,系統(tǒng)誤差不超過±1cm。本次比測隨機不確定度采用符合置信水平95%的綜合不確定度小于等于±3cm;系統(tǒng)誤差不超過±1cm,作為允許誤差指標(biāo)。

        系統(tǒng)不確定度計算:

        Xy″=∑Ni=1Pyi-PiN

        式中,Pyi為自動監(jiān)測水位; Pi為人工校測水位;N為校測次數(shù)。

        隨機不確定度計算:

        Xy′=2∑Ni=1Pyi-Pi-X″y2N-1

        綜合不確定度計算:

        XZ=Xy′2+Xy″2

        2.4 雷達(dá)自記水位數(shù)據(jù)的應(yīng)用

        2.4.1 人工與自記數(shù)據(jù)的對照分析

        通過一系列人工與自記測驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,首先對雷達(dá)自記異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除,其次根據(jù)自記水位與校核水位系統(tǒng)偏差,對自記水位數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正,訂正后,自記水位與人工水位數(shù)據(jù)變化過程基本吻合(見圖1),且能反應(yīng)水位變化的完整過程,其綜合不確定度為0.029m<0.03m。結(jié)果符合規(guī)范要求的允許誤差標(biāo)準(zhǔn),符合GB/T 50138-2010《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定,能達(dá)到水位整編規(guī)范要求,故雷達(dá)自記水位數(shù)據(jù)能參與水位資料整編。

        2.4.2 鋸齒狀水位數(shù)據(jù)的處理

        由于該站縱坡比降大,基下30m處有跌坎,水面波浪大、河道漂浮物等因素影響導(dǎo)致自記水位數(shù)據(jù)會出現(xiàn)鋸齒狀變化過程(圖2),故需要對自記數(shù)據(jù)進(jìn)行人工干預(yù)處理,以滿足整編要求。

        該站雷達(dá)自記水位計主要有數(shù)據(jù)量大、鋸齒狀數(shù)據(jù)變化過程,為了精簡水位數(shù)據(jù),消除水位數(shù)據(jù)鋸齒變化過程,本站采用數(shù)據(jù)平滑軟件對水位變化過程進(jìn)行了抽析、平滑(見圖3),達(dá)到了水位整編規(guī)范要求。

        2.5 誤差分析

        由于雷達(dá)自記水位計在使用過程中,受眾多因素會產(chǎn)生誤差,通過對1029次人工與自記水位測驗數(shù)據(jù)的分析,對產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行了總結(jié)。

        2.5.1 受風(fēng)浪、探頭基準(zhǔn)高程設(shè)置等原因的影響造成系統(tǒng)誤差;

        2.5.2 人工與自記觀讀時間同步誤差導(dǎo)致的測驗誤差;

        2.5.3 雷達(dá)自記水位計安裝位置在基下16.0m處,不同水位級斷面的變化不一致引起的誤差。

        2.5.4 受漂浮物影響導(dǎo)致的人工與自記觀測誤差。

        3 特殊情況應(yīng)對措施

        3.1 根據(jù)GB/T 50138-2010《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》,該站采用自記水位計的校測定期進(jìn)行,每日8:00時進(jìn)行人工觀測水尺進(jìn)行校測,水位漲落發(fā)生較大變化時,視情況而定增加人工校測段制;當(dāng)儀器不穩(wěn)定或出現(xiàn)故障時,立即恢復(fù)人工觀測;每次校測時,對校測時間、校測水位值及自記水位值進(jìn)行記錄,分析是否對水位初始值進(jìn)行重新設(shè)定。

        3.2 本次比測數(shù)據(jù)中,水位處于低、中水位級,根據(jù)GB/T 50138-2010《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》,自記水位過程呈鋸齒狀時,采用中心線平滑方法進(jìn)行處理,以滿足整編要求。當(dāng)水位變化達(dá)到高水位級時,將繼續(xù)進(jìn)行人工與自記水位數(shù)據(jù)的同步觀測比較,以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,是否符合規(guī)范要求。

        3.3 該站基本斷面寬為206.0m,測驗河段順直,砂礫石河床,兩岸均筑有石堤,右岸堤壩外為耕地。高水時流向基本順直,中低水受彎道,及橋墩影響有斜流,沖淤變化不大。當(dāng)出現(xiàn)歷時低水位或者分槽時,我站也進(jìn)行了特殊情況的水位數(shù)據(jù)比測分析,自記水位數(shù)據(jù)能達(dá)到整編規(guī)范要求。

        3.4 距趙城站上游10km處有郭莊泉出流,由于上游泉水影響,河道未出現(xiàn)冰情現(xiàn)象;當(dāng)遇到施測流量及含沙量的水位時,會根據(jù)時間先后順序插入相應(yīng)水位測次,以滿足整編規(guī)范要求。

        4 結(jié)論

        通過趙城水文站人工和自記數(shù)據(jù)的比測分析,雷達(dá)自記水位計的各項指標(biāo)均滿足生產(chǎn)要求,水位測驗精度符合《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》、《水文測驗實用手冊》、《水文資料整編規(guī)范》的規(guī)定要求,并且操作方便,與人工觀測水位相比精度高、抗干擾能力強,因此趙城水文站雷達(dá)自記水位計可應(yīng)用于水位資料收集,自記水位數(shù)據(jù)亦可應(yīng)用到水文資料整編。但鑒于趙城水文站測站特性,在雷達(dá)自記水位計使用過程當(dāng)中,應(yīng)特別注意水位出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)、鋸齒狀變化過程需要人工干預(yù)進(jìn)行特殊處理,以滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

        參考文獻(xiàn):

        [1]水位觀測標(biāo)準(zhǔn),中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn),2010,25-26,66-69.

        [2]水文測驗手冊,中國水利水電出版社,2013,157-158,176-178.

        [3]水文資料整編規(guī)范,中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn),2013,20.

        Application of radar self-recording water level gauge in Zhaocheng Hydrological Station

        SUN Hualong

        (Linfen Hydrology and Water Resources Survey Station, Linfen 041000, Shandong China)

        Abstract:Based on the process of using radar self-recording water level gauge in Zhaocheng Hydrological Station, this paper analyzes and summarizes the composition and working principle of radar self-recording water level gauge, the application of self-recording water level data in hydrological data compilation, and the special cases of self-recording data and corresponding measures. By comparing and analyzing the water level data of manual and self-recording, it is verified that the radar self-recording water level gauge can be applied to the water level test of Zhaocheng Hydrological Station.

        Keywords:Zhaocheng Hydrological Station; Radar self-recording water level gauge; Recording water level data

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