拜城水文站雷达水位计比测分析_周海龙.pdf

2023年3月收稿日期：20220910作者简介：周海龙（1986），男，工程师，主要从事水文水资源监测、水文分析计算和水文信息化相关工作。摘要：为了提高水文测验自动化水平和精准度，基于台勒外丘克河和拜城（二）水文站基本概况，采用人工观测和SEBAPLUS SENSOR20型雷达水位计2种方法同时进行观测，对2种方法的水位监测数据进行了比对分析，并对出现的误差进行了探讨，认为拜城（二）水文站可以使用雷达水位计代替人工观测水位，为该仪器的投入运用提供了科学依据。关键词：水文；雷达水位计；水位监测；拜城水文站中图分类号：TV123；P332文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）03-0098-04DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.03.026拜城水文站雷达水位计比测分析周海龙（新疆维吾尔自治区阿克苏水文勘测局，新疆阿克苏843000）为了解放人力，提高水文测验的时效性、精准性，大量的雷达水位计投入使用。为了检测其测验精度和适用性，需对其进行比测分析。1概况拜城水文站设立于1986年5月，属国家基本水文站1，2016年上迁2 km为拜城（二）水文站，距拜城县城约2 km，拜城（二）水文站距测验断面约1.5 km，是渭干河支流台勒外丘克河下游的区域代表站。测验项目有水位、流量、水温、水质等。拜城（二）水文站基本水尺断面，从左岸边至河心安装有6根搪瓷直立式水尺，P1、P2、P3、P4、P5、P6长度均为2 m，水尺严格按照 水位观测标准（GB/T 50138-2010）的规定布设2。台勒外丘克河为内陆河，水系为天山南坡诸河，集水面积1 639 km2，河长108 km，距河口30 km。拜城（二）水文站测验河段顺直，河段长度约120 m，基本水尺断面上游约400 m处和下游约200 m处各有一处弯道，基本水尺断面位于阿克苏地区拜城县北大桥下游20 m处，北大桥作为流速仪测流断面。河床由砾石细砂组成，断面局部冲淤变化不大，左右岸为人工浆砌石护岸。低水由河床控制，水面宽50 m，中水水面宽100 m，水流通畅。2比测分析2.1自记水位计主要技术参数拜城（二）水文站安装的是德国产 SEBAPLUSSENSOR20型雷达水位计（以下简称SEBA雷达水位计），位于河道右岸，安装高度 5.0 m，使用可调节仪器角度不镀锌的角铁固定于桥墩上，检修方便。SEBA雷达水位计自安装运行至今没有出现任何故障，在汛期、冬季均运行正常。SEBA 雷达水位传感器利用雷达波测量 SEBA雷达水位计的安装高程到水面的距离，实际上是一台测距仪3。SEBA雷达水位计是利用雷达脉冲通过天线发射并接收，雷达波以光速运行，运行时间可以通过电子部件被转换为水位信号，再利用水位遥测终端将雷达信号采集、传输，完成对水位的监测4。拜城水文站雷达水位监测系统由SEBA雷达水位计，安装支架，水位遥测终端一体机，太阳能电池板，传输系统及配件组成。参数设置为每5 min采集1次水位，水位变化超过预警阈值（20 cm）即发送数据至水位遥测终端。水位若无变化，则每1 h发送1次数据。若出现特殊值，可在遥测终端RTU或遥测接收软件调整水位基值，达到校正水位的目的。由于雷达波性能相当稳定，不受温度、湿度、气压、风雪雨沙等恶劣天气和环境因素的影响，SEBA雷达水位计在其工作范围内具有极高的精度且不需要建测井，安装方便。2.2人工观测为确保水位观测成果的科学性和合理性，拜城（二）水文站的SEBA 雷达水位计探头安装位置处于台勒外丘克河主流处，水流平稳。本次对比分析选择 2021年 48月人工水位观测与 SEBA雷达水位计水位观测数据进行对比分析，水位严格按照 水位观测标准（GB/T 50138-2010）E.4.10.2规定和测验任务书的要求来观测，每日2、8、14、20时必须进行海河水利982023.No.3定点观测，涨水退水过程中增加观测次数。48月人工观测资料 476份，校核水位共476次，满足数据分析要求。2.3水位（流量）级划分拜城（二）水文站属三类精度水文站，考虑河流特性、测站测洪能力及影响水位变化的各种要素，参考 河流流量测验规范（GB50179-2015）第4.4的规定，选择典型年法进行流量级划分。选取 20112020年近10 a水位资料，根据典型年汛期逐日最高水位，计算频率并绘制频率曲线，取频率P为10%、50%、90%所对应的水位为高、中、低水位，对应水位为 1 230.31、1 229.64、1 229.39 m。枯、低、中、高水位级Z划分标准分别为Z1 229.39，1 229.39Z1 229.64、1 229.64Z1 230.31、Z1 230.31。2.4资料选取水位观测标准（GB/T 50138-2010）6.2.2 规定：雷达等自记水位计比测时，可按水位变幅分几个测段分别进行，每段比测次数应不少于30次5。水位数据比测置信水平 95%的综合不确定度应为3 cm，系统误差为1 cm，在比测合格的水位变幅内，自计水位计可以使用比测资料作为正式资料。2021 年 48 月，拜城（二）水文站最高水位为1 230.65 m，最低水位为1 229.16 m，变幅为1.49 m；本次对比观测的水位区间涵盖该站高、中、低水位。本次对比观测分（1 229.39 m以下、1 229.391 229.64 m、1 229.64 m以上）3个水位级进行；同时，对比水位过程，分析其过程的一致性、连续性情况。各水位级SEBA雷达水位计与人工观测值误差统计，详见表13。表1拜城（二）水文站逐时低水位误差对照序号12193194合计平均最大最小日期2021-04-242021-04-242021-06-112021-06-12时间20：008：0020：0020：00人工水位（Pi）1 229.161 229.161 229.391 229.391 229.321 229.391 229.16雷达水位（Pyi）1 229.161 229.161 229.391 229.391 229.321 229.401 229.16Pyi-Pi0000-17-0.0881-2（Pyi-Pi-Xy）20.007 70.007 70.007 70.007 729.513 60.152 03.657 20.007 7cm表2拜城（二）水文站逐时中水位误差对照cm序号12250251合计平均最大最小日期2021-06-022021-06-302021-07-252021-08-06时间0：008：008：0012：00人工水位（Pi）1 229.401 229.401 229.631 229.641 229.48-11 229.40雷达水位（Pyi）1 229.401 229.401 229.631 229.641 229.4801 229.40Pyi-Pi0000-10-0.041-2（Pyi-Pi-Xy）20.001 60.001 60.001 60.001 657.604 30.230 020.001 6表3拜城（二）水文站逐时高水位误差对照cm序号123031合计平均最大最小日期2021-08-022021-08-032021-07-222021-07-23时间12：0012：0023：001：00人工水位（Pi）1 229.651 229.651 230.501 230.321 229.951 230.651 229.65雷达水位（Pyi）1 229.651 229.651 230.501 230.321 229.951 230.651 229.65Pyi-Pi0000-8-0.261-4（Pyi-Pi-Xy）20.000 10.000 10.000 10.000 127.869 70.900 015.933 50.000 1周海龙：拜城水文站雷达水位计比测分析992023年3月2.5比测分析根据 水位观测标准（GB/T 50138-2010）E.0.6规定，采用自动监测设备监测水位时，需要计算其系统不确定度、随机不确定度、综合不确定度。其计算公式分别为：Xy=i=1x()Pyi-PiN（1）Xy=2i=1x()Pyi-Pi-Xy2N-1（2）Xz=Xy2+Xy2（3）式中：Pyi为自动监测水位（m）；Pi为人工校测水位（m）；N为校测次数。经计算，各水位级SEBA雷达水位计与人工观测不确定度误差统计，详见表46。2.5.1相关性分析以同一时刻SEBA雷达水位计观测水位为纵坐标，以人工观测水位为横坐标，分别在低、中、高水位建立二者相关性，如图13所示。由图13可以看出，低、中、高水位相关系数分别为 0.996 2、0.993 5、0.999 4，相关度很高，故可以认为二者为同一系列。2.5.2过程线对比同步水位观测过程线，如图4所示。由图4可以看出，二者水位过程是连续的、渐变的过程，涨落趋势一致且连续。统计各月最高水位偏差最大为1 cm，出现在5月。3误差评定以及消除方法根据拜城（二）水文站2021年高水位31次、中水位251次、低水位194次共计476次人工水位观测数据与雷达水位计数据，按 水位观测标准（GB/T50138-2010）中的相关公式计算系统的不确定度、表4拜城（二）水文站低水位段误差统计表5拜城（二）水文站中水位段误差统计表6拜城（二）水文站高水位段误差统计图2拜城（二）水文站中水位段雷达水位与人工观测水位相关性图1拜城（二）水文站低水位段雷达水位与人工观测水位相关性图3拜城（二）水文站高水位段雷达水位与人工观测水位相关性1 229.401 229.351 229.301 229.251 229.201 229.151 229.701 229.651 229.601 229.551 229.501 229.451229.401229.351 230.801 230.601 230.401 230.201 230.001 229.801 229.601 229.40雷达水位/m雷达水位/m雷达水位/my=1.006 2xR2=0.999 4y=0.993 9xR2=0.993 5y=0.998 9xR2=0.996 2人工观测水位/m人工观测水位/m人工观测水位/m1 229.151 229.201 229.251 229.301 229.351 229.401 229.35 1 229.40 1 229.45 1 229.50 1 229.55 1 229.60 1 229.65 1 229.701 229.60 1 229.80 1 230.00 1 230.20 1 230.40 1 230.60 1 230.80指标水位变幅/m观测次数最大误差/cm误差=2 cm的次数误差=1 cm的次数误差=2 cm的权重/%误差=1 cm的权重/%系统不确定度随机不确定度综合不确定度指标值0.23194-231913.686.4-0.10.80.8指标水位变幅/m观测次数最大误差/cm误差=2 cm的次数误差=1 cm的次数误差=2 cm的权重/%误差=1 cm的权重/%系统不确定度随机不确定度综合不确定度指标值0.24251-273018.981.10.01.01.0指标水位变幅/m观测次数最大误差/cm误差=4 cm的次数误差=3 cm的次数误差=2 cm的次数误差=1 cm的次数误差=4 cm的权重/%误差=3 cm的权重/%误差=2 cm的权重/%误差=1 cm的权重/%系统不确定度随机不确定度综合不确定度指标值1.0031-4102414.3028.657.1-0.31.91.9海河水利1002023.No.3随机不确定度、综合不确定度，其计算结果符合规范要求的置信水平95%的综合不确定度应为3 cm、系统误差应为1 cm的水位观测标准要求。中、高水位比测过程中，综合不确定度 1.9 cm，虽达到规范要求，但其中人工观测水位 1 229.98 m、雷达观测水位 1 230.02 m，二者偏离值达到4 cm。可以确定的是，S