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)：

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[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