卞長浩，王國濱，李 紅

（青島市水文中心,山東 青島 266000）

近年來,隨著山東省水利廳黨組高度重視防汛水文測報(bào)工作,對(duì)中小河流水文監(jiān)測的要求不斷提高,青島市水文中心自主開發(fā)了一套水文移動(dòng)信息平臺(tái),而水位監(jiān)測則是信息平臺(tái)的重要組成部分。各種類型的水位傳感器在不同的地域和環(huán)境中廣泛應(yīng)用,目前主流的雷達(dá)水位計(jì)技術(shù)成熟,測量精度高,易安裝,而且不受環(huán)境、地理的限制,因此被許多的水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)所采用。

1 常用水位測量設(shè)備分析

目前水位傳感器主要有浮子式水位計(jì)、氣泡式壓力水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)等類型,由于工作原理不同,適合安裝使用的條件也有所不同。浮子式水位計(jì)適用于配備專用靜水測井的水位測站,要求測驗(yàn)河段岸坡穩(wěn)定,沖淤很小的河床。它技術(shù)成熟、穩(wěn)定、可靠,但該類水位測站前期的土建工程建設(shè)投資較大。氣泡式壓力水位計(jì)在使用時(shí)需要在河水中布設(shè)感壓氣管,強(qiáng)降雨時(shí)水流沖擊以及攜帶的大量顆粒物可能導(dǎo)致氣管口彎折堵塞,無法正常工作。雷達(dá)水位計(jì)是一款非接觸式設(shè)備,測量時(shí)無機(jī)械磨損,主要用于測量江河湖泊、水庫、渠道等水位,為監(jiān)測運(yùn)營單位提供實(shí)時(shí)水位信息,不受溫度梯度、水中污染物以及沉淀物的影響,技術(shù)成熟、測量精度高、使用壽命長,不需要建設(shè)任何水工設(shè)施,只需要在橋梁邊壁（迎水流一側(cè)）,支一個(gè)橫臂即可完成安裝,投資小,后期維護(hù)簡單方便。

河里吳家水文站位于萊西市南墅鎮(zhèn)河里吳家村,萊西市區(qū)西北40 km 處,為常年河道水文站,上游約2.0 km 有橡膠壩,下游約7.9 km 為北墅水庫水文站,2023 年正式開始執(zhí)行測站任務(wù)。汛期小沽河常有暴雨洪水發(fā)生,水位漲落急劇,水位變幅大,河水流速快并攜帶大量泥沙和漂浮物,對(duì)測井、壓力式水位計(jì)管道或壓阻式水位計(jì)等都具有一定的破壞性,選擇雷達(dá)水位計(jì)作為測站水位監(jiān)測設(shè)備能滿足規(guī)劃設(shè)計(jì)、防汛的需要,十分符合測站實(shí)際情況和客觀要求。

2 雷達(dá)水位計(jì)的工作原理

雷達(dá)水位計(jì)通過發(fā)射和接收電磁波的時(shí)間差來計(jì)算雷達(dá)水位計(jì)與水面之間的距離,發(fā)射和接收電磁波的時(shí)間差T與天線到水面之間的距離L成比例,如公式：

式中：C 為電磁波的傳輸速度,可認(rèn)為是光速,為定值；T為由傳感器計(jì)算求出。

由雷達(dá)水位計(jì)的天線高程H0可計(jì)算得出水面的高程H,即H=H0-L=H0-CT/2[1]。雷達(dá)水位計(jì)工作原理見圖1。

圖1 雷達(dá)水位計(jì)工作原理示意圖

3 HZ-RLS-26L-100 雷達(dá)水位計(jì)性能

該雷達(dá)水位計(jì)工作原理與通用雷達(dá)水位計(jì)的工作原理類似,傳感器內(nèi)部數(shù)據(jù)處理單元將計(jì)算出的距離值轉(zhuǎn)換成電流信號(hào),通過RS485 接口輸出,與專用的航征雷達(dá)上位機(jī)軟件HZRadar 進(jìn)行配置,并滿足《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》中用于水位自動(dòng)觀測的水位傳感器規(guī)定。能通過無線網(wǎng)絡(luò)通信將水位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到水文移動(dòng)信息平臺(tái),平臺(tái)內(nèi)可查詢某時(shí)刻水位及指定時(shí)間段內(nèi)水位過程線,便于找出水位極值和分析判斷水位變化趨勢,為防汛指揮調(diào)度提供依據(jù)。

3.1 雷達(dá)水位計(jì)性能指標(biāo)：

1）工作電壓范圍寬,功耗低,可利用太陽能供電,可以在6 VDC～30 VDC 范圍內(nèi)正常工作,最大工作電流≤7.5 mA；

2）測距精度±2 mm,分辨率1 mm；

3）量程0.25 m～45 m,盲區(qū)為0.25 m；

4）工作溫度范圍-40℃～85℃；

5）防護(hù)等級(jí)IP68；

6）天線,平面微帶陣列天線；

7）波束角10°。

3.2 技術(shù)優(yōu)勢

1）平面微帶陣列天線,采用K 波段平面微帶陣列天線,與傳統(tǒng)喇叭天線相比,具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn),產(chǎn)品一體化程度高；天線增益高,輻射能量集中,抗干擾能力強(qiáng),有利于提高測量精度和可靠性；微帶天線陣列的波束角為10°×10°,可有效降低周圍非目標(biāo)回波的干擾,如井壁、渠岸等,所測水位更準(zhǔn)確。

2）智能姿態(tài)感應(yīng)及補(bǔ)償功能,雷達(dá)水位計(jì)內(nèi)置姿態(tài)感應(yīng)傳感器,能輔助安裝調(diào)試并自動(dòng)補(bǔ)償安裝誤差,在測量過程中智能感知立桿晃動(dòng)、橋面抖動(dòng)引起的測量平臺(tái)不穩(wěn)定情況,并自動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償。

4 HZ-RLS-26L-100 雷達(dá)水位計(jì)實(shí)際應(yīng)用

4.1 安裝位置的選擇

為得到穩(wěn)定且精度高的水位值,雷達(dá)水位計(jì)盡量安裝在河道順直、河床穩(wěn)定、水流集中的河段區(qū)域,要保證雷達(dá)波全部覆蓋到水面,最好安裝在最大水深處上方,避免低水或河床淤積時(shí)雷達(dá)波覆蓋到河床或地面,保持監(jiān)測數(shù)據(jù)長期性和穩(wěn)定性。

4.2 安裝基本要求

1）采用橋式安裝,即將雷達(dá)水位計(jì)安裝在橋梁邊壁,將遙測終端、通信模塊、蓄電池等設(shè)備集成在一體化不銹鋼儀器箱內(nèi),在儀器箱附近固定太陽能板[2],架設(shè)雷達(dá)水位計(jì)的橫臂,保持和水流方向平行,使雷達(dá)水位計(jì)天線罩平面與水面處于平行狀態(tài)。雷達(dá)水位計(jì)安裝的橫滾角和垂直角必須在±3°內(nèi)。

2）橫臂應(yīng)有一定結(jié)構(gòu)剛度。雷達(dá)水位計(jì)安裝在橫臂的末端時(shí),在極端惡劣天氣條件下（比如遭遇七級(jí)以上大風(fēng)）,橫臂應(yīng)具備抵抗變形的能力,不應(yīng)該有明顯的壓彎變形現(xiàn)象,不會(huì)上下左右明顯晃動(dòng)。河里吳家水文站實(shí)際安裝經(jīng)驗(yàn)表明,橫臂采用直徑為50 mm～60 mm 左右的鋼管最佳。

3）橫臂長度以1 m～1.5 m 左右為宜,不宜過長。因?yàn)闄M臂過長,受大型車輛通過橋梁震動(dòng)影響橫臂晃動(dòng)的幅度會(huì)增大。由于電磁波的波束呈發(fā)散的圓錐體,橫臂過短則會(huì)導(dǎo)致電磁波束尚未到達(dá)水面就遇到橋體發(fā)生反射,導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。

5 水位比測分析

5.1 精度評(píng)定指標(biāo)

根據(jù)《水位觀測規(guī)范》（GB/T 50138-2010）,自動(dòng)水位觀測誤差同人工觀測誤差應(yīng)在±0.02 m 以內(nèi)。

5.2 水位比測分析

河里吳家水文站雷達(dá)水位計(jì)比測對(duì)象為人工水尺觀測水位,分析時(shí)間取2022 年9 月1 日～2022 年9 月30 日,共收集30 組數(shù)據(jù)。比測期間,最高水位111.93 m,最低水位109.65 m,水位變幅2.28 m。誤差≤±0.02 m 的占比測數(shù)據(jù)總數(shù)的96.7%[3],見表1。

表1 河里吳家站水位比測成果表

根據(jù)《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）第6.2.3條規(guī)定：一般水位站,置信水平95%的綜合不確定度為3 cm,系統(tǒng)誤差應(yīng)為±1 cm。

其中綜合不確定度的計(jì)算方法及公式詳見《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》68頁E.0.6。系統(tǒng)誤差的定義為總體均值與真值之差,即：

系統(tǒng)誤差=自記水位平均值-人工觀測水位平均值

河里吳家站雷達(dá)水位計(jì)置信水平95%的綜合不確定度為1.2 cm,系統(tǒng)誤差為0 cm,滿足規(guī)范要求,見表2。

表2 河里吳家站水位計(jì)比測誤差計(jì)算成果表

5.3 水位超差情況

比測期間出現(xiàn)1 次超差,超差主要原因是測站附近有強(qiáng)降雨,且風(fēng)力達(dá)到6 級(jí)以上,水面起伏度很大。

6 水位超差的解決方案

9 月雷達(dá)水位計(jì)監(jiān)測水位與人工觀測水位基本一致,但是部分時(shí)間與人工觀測水位差值較大,出現(xiàn)水位數(shù)據(jù)失真現(xiàn)象：水位變化過程是一個(gè)連續(xù)變化的曲線,當(dāng)汛期出現(xiàn)洪水時(shí),水面波動(dòng)大、起伏度高的時(shí)候,測量值呈現(xiàn)階躍跳變現(xiàn)象。針對(duì)水位數(shù)據(jù)失真的問題,筆者采用以下措施解決了該項(xiàng)問題。

受水的流動(dòng)性以及風(fēng)等因素影響,水面波浪明顯影響測量結(jié)果。而雷達(dá)水位計(jì)的測量結(jié)果是瞬時(shí)值或很短一個(gè)時(shí)間內(nèi)的平均值,當(dāng)測量趕上水波波峰時(shí),測量結(jié)果偏高,當(dāng)測量趕上水波波谷時(shí),測量結(jié)果偏低,水面波浪很大時(shí),測量的水位與真實(shí)水位差值較大。經(jīng)過認(rèn)真分析研究,采取系統(tǒng)數(shù)字濾波的方式進(jìn)行解決,即在一個(gè)采樣周期內(nèi),采取多組水位數(shù)據(jù),去掉極值后計(jì)算剩余數(shù)據(jù)的平均值作為最終結(jié)果。后續(xù)自動(dòng)監(jiān)測水位和人工觀測水位長期保持一致,這一方法很好地解決了測量誤差偏大的問題,保證了測量結(jié)果準(zhǔn)確性。

7 結(jié)語

此次項(xiàng)目研究結(jié)果分析表明,HZ-RLS-26L-100 雷達(dá)水位計(jì)在惡劣工作環(huán)境下能夠勝任水位測量的精度要求。橋式安裝雷達(dá)水位計(jì)監(jiān)測水位,由于測量時(shí)不直接接觸水體,使用壽命長,建設(shè)成本低,后期維護(hù)方便,具有較為廣泛的推廣應(yīng)用前景。

做好雷達(dá)水位計(jì)與人工觀測水位的比測分析工作,爭取早日投產(chǎn)應(yīng)用,讓工作原理先進(jìn)、技術(shù)成熟的儀器設(shè)備解放和提高生產(chǎn)力。