板橋水文站雷達(dá)水位計(jì)比測(cè)分析

李　曼

（陜西省商洛水文水資源勘測(cè)局　陜西　商洛　726000）

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板橋水文站雷達(dá)水位計(jì)比測(cè)分析

李曼

（陜西省商洛水文水資源勘測(cè)局陜西商洛726000）

摘要為了保證本站水位資料的觀測(cè)精度及資料系列的一致性，在水位自動(dòng)測(cè)報(bào)儀器設(shè)備正式投入使用前，與原有人工方式進(jìn)行了平行對(duì)比觀測(cè)，用以分析水位自動(dòng)采集儀器設(shè)備工作的可靠性、準(zhǔn)確性和觀測(cè)資料的精度，為生產(chǎn)實(shí)踐提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞雷達(dá)水位計(jì)；水位觀測(cè)；對(duì)比分析

板橋水文站位于丹江上游支流板橋河上，1974年7月設(shè)立，測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)，其中水位觀測(cè)通過(guò)水尺人工觀讀記載收集。2013年陜西省中小河流水文監(jiān)測(cè)第一期項(xiàng)目實(shí)施，對(duì)河道水位及流量測(cè)驗(yàn)設(shè)施設(shè)備進(jìn)行了改造，安裝了雷達(dá)水位計(jì)，實(shí)現(xiàn)了水位自動(dòng)采集傳輸，流量半自動(dòng)測(cè)驗(yàn)。2014年進(jìn)行了水位自動(dòng)采集與人工平行同步觀測(cè)，本文就水位平行同步觀測(cè)資料進(jìn)行了分析，評(píng)價(jià)自動(dòng)水位采集影響因素和觀測(cè)精度，以保證水位自動(dòng)采集傳輸準(zhǔn)確性和一致性。

1　基本情況

1.1流域概況

丹江屬漢江的一級(jí)支流，發(fā)源于商洛市商州區(qū)秦嶺南麓的鳳凰山東南側(cè)，有東西兩源，東源從廟溝口向東南流入黑花峪，經(jīng)鐵爐子鄉(xiāng)至黑龍口與西源匯合；西源來(lái)自牧護(hù)關(guān)以東的秦嶺，向東南流經(jīng)郭家店、秦嶺鋪等地，至黑龍口與東源匯合。從黑龍口向下，丹江流向大致呈西北－東南向，流經(jīng)商州區(qū)、丹鳳縣和商南縣，于商南縣汪家店鄉(xiāng)月亮灣流入河南省。丹江在陜西境內(nèi)的河段長(zhǎng)249.6km，從河源至省界高差1184.8m，比降為4.75‰，流域面積為7510.8km2，約占全流域面積的40%。

板橋水文站所在板橋河，為丹江一級(jí)支流，發(fā)源于商州區(qū)馬角山，流向由北向南，流程47.5km，至二龍山匯入丹江。流域面積588.2km2，河長(zhǎng)47.5km，平均比降13.7‰，海拔730m～1300m，總落差570m。

圖1　板橋水文站以上河流分布圖

丹江流域地形地貌特點(diǎn)為西北高東南低的山地峽谷，多為土石組成的山丘區(qū)。流域內(nèi)森林植被較好，覆蓋率達(dá)到40%以上。丹江流域地處我國(guó)中緯度偏南地帶，北部邊緣又有秦嶺作屏障，寒流不易侵入，使丹江流域同時(shí)具有亞熱帶氣候和暖溫帶氣候的特點(diǎn)。由于北部有秦嶺高山阻擋，夏季東南及南部的暖濕氣流常會(huì)帶來(lái)大量的水汽，加上地勢(shì)起伏懸殊，相對(duì)高差大，受地形抬升作用，常常形成局部暴雨。河道洪水多由降雨形成，暴雨時(shí)由于山體坡度大，匯流快，很快形成洪峰。暴雨停后，河道流量迅速減少，常形成尖瘦型的洪水過(guò)程，充分體現(xiàn)了河源段山區(qū)性洪水暴漲暴落的特點(diǎn)。來(lái)沙為上游降雨侵蝕與河床沖刷,特大暴雨時(shí)有泥石流發(fā)生。

圖2　板橋水文站測(cè)驗(yàn)河段地形圖

圖3　自動(dòng)水位測(cè)報(bào)系統(tǒng)組成示意圖

圖4　自動(dòng)（原始）與人工觀測(cè)水位過(guò)程線圖

圖5　自動(dòng)（修正）與人工觀測(cè)水位過(guò)程線圖

1.2水文站概況

板橋水文站位于陜西省商州區(qū)板橋鄉(xiāng)兩岔河村，地處東經(jīng)109°57′01″,北緯33°57′43″,是丹江干流源頭站，距商洛市15km,北約15km為洛南縣的四皓嶺,僅以黃沙嶺相隔，站房后緊靠西合鐵路。控制流域面積493km2，距離板橋河口2.0km。

板橋水文站為國(guó)家基本水文站和省級(jí)重要水文站，屬丹江上游區(qū)域代表站，設(shè)站目的主要是為防汛抗旱、水庫(kù)水電站建設(shè)運(yùn)行、水資源開(kāi)發(fā)利用服務(wù)，測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、泥沙、降水及蒸發(fā)。該站多年平均降雨量為729.0mm，年際間變化較大，降雨季節(jié)變化明顯，夏季6月～8月的降雨量約占年降雨量的40%～60%，汛期5月～10月的降雨量約占年降雨量的80%～90%。多年平均徑流量為8752×104m3，輸沙量為9.63×105t，歷史調(diào)查最大流量為1957 年7月16日發(fā)生的1030m3/s，實(shí)測(cè)最大流量為1988年8月14日發(fā)生的588 m3/s，最小流量為1979年6月16日實(shí)測(cè)的0.025 m3/s。

該站測(cè)驗(yàn)河段基本順直，左岸為人工河堤，右岸為石山坡，高水時(shí)漫溢堤頂，左岸形成漫灘，河床為沙礫石組成，沖淤變化較大。低水位水流不順直，基本水尺斷面上游200m有大荊河匯入，基本水尺斷面下游約2km為二龍山水庫(kù)庫(kù)區(qū)，浮標(biāo)、比降斷面重合，上、下斷面間距120m，基本水尺斷面兼流速儀和浮標(biāo)測(cè)流斷面。

2013年前，板橋水文站測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目均以人工方式進(jìn)行觀測(cè)和測(cè)驗(yàn)。2013年建設(shè)安裝了自動(dòng)雨量、水位測(cè)報(bào)和半自動(dòng)流量測(cè)驗(yàn)設(shè)施設(shè)備，其中雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備建設(shè)在測(cè)站氣象場(chǎng)內(nèi)，通過(guò)有線連接RTU(遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)）。自動(dòng)水位監(jiān)測(cè)設(shè)施設(shè)備建于測(cè)驗(yàn)河段左岸，所在位置和基本斷面重合。

板橋水文站以上河流分布及測(cè)驗(yàn)河段情況見(jiàn)圖1、圖2。

1.3水位觀測(cè)設(shè)施設(shè)備概況

（1）人工水位觀測(cè)設(shè)施

人工水位觀測(cè)設(shè)施以直立式水尺為主，借下河道路局部設(shè)斜坡水尺。基本水尺斷面、上比降和下比降3個(gè)斷面共設(shè)18支直立式水尺和3組斜坡水尺，人工觀讀水尺讀數(shù)推求水位。

圖6　水位誤差頻率曲線圖

表1　2014年5月至9月誤差和頻率分析統(tǒng)計(jì)表

（2）自動(dòng)水位測(cè)報(bào)設(shè)施設(shè)備

測(cè)站自動(dòng)水位測(cè)報(bào)系統(tǒng)主要設(shè)施設(shè)備由基座、水位計(jì)支架、智能終端（RTU）、通信設(shè)備、供電電源（太陽(yáng)能板）及避雷針等部分組成（見(jiàn)圖3），其中核心設(shè)備為雷達(dá)水位計(jì)和RTU。板橋水文站雷達(dá)水位計(jì)為微碼特公司生產(chǎn)，RTU為北京微碼特SMARTDATA-1000型產(chǎn)品。

雷達(dá)水位計(jì)采用雷達(dá)波測(cè)量到水面的距離，實(shí)際上是一臺(tái)雷達(dá)測(cè)距儀。雷達(dá)波測(cè)量不受溫度、濕度、風(fēng)速、降雨等環(huán)境因素影響。雷達(dá)水位計(jì)以非接觸方式測(cè)量水位，亦不受水體影響，是水位測(cè)量最理想的設(shè)備。水位數(shù)據(jù)采集后進(jìn)入RTU，再通過(guò)GPRS/GSM信道發(fā)送至測(cè)站辦公室及商洛水情分中心，經(jīng)接收處理進(jìn)入查詢(xún)處理終端機(jī)及分中心數(shù)據(jù)庫(kù)。

2　平行對(duì)比觀測(cè)及資料采用

2.1平行對(duì)比觀測(cè)

2014年板橋水文站開(kāi)展雷達(dá)水位計(jì)與人工水位平行對(duì)比觀測(cè)。為了保證分析成果的代表性，需要高、中、低水時(shí)均有一定數(shù)量的對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)，因此，對(duì)比平行觀測(cè)安排在2014年主汛期進(jìn)行。但由于該站2014年7月12日漲水，河道沖於變化大，主流偏離雷達(dá)水位計(jì)探頭監(jiān)測(cè)范圍，無(wú)自動(dòng)水位觀測(cè)數(shù)據(jù)。2014年9 月12日主流回歸雷達(dá)水位計(jì)探頭監(jiān)測(cè)范圍，開(kāi)始進(jìn)行平行對(duì)比觀測(cè)。平行對(duì)比觀測(cè)期限為2014年9月12日至10月13日。

雷達(dá)水位計(jì)觀測(cè)頻次按24段制，即每1小時(shí)觀測(cè)1次，每天24次，并在水位變幅較大時(shí)，按照水位觀測(cè)規(guī)范，按6min及其倍數(shù)加密觀測(cè)次數(shù)，以能控制水位變化過(guò)程。

2.2資料采用

由于人工水位觀測(cè)頻次按按12段制，水位變幅較大時(shí)按加密觀測(cè)。為了使分析數(shù)據(jù)一致，資料采用遵循凡人工觀測(cè)有資料的水位測(cè)次，對(duì)應(yīng)的雷達(dá)水位計(jì)測(cè)次資料均采用。

3　水位數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1分析方法步驟

（1）資料整理及合理性檢查

①根據(jù)數(shù)據(jù)資料采用原則，按照時(shí)間對(duì)應(yīng)，整理雷達(dá)水位計(jì)和人工觀測(cè)水位數(shù)據(jù)，在同一張圖上，點(diǎn)繪自動(dòng)及人工水位過(guò)程線（見(jiàn)圖4）。

②分析水位漲落是否一致，如果不一致，檢查分析原因，分析對(duì)比數(shù)據(jù)序列是否滿足對(duì)比分析要求。經(jīng)檢查，9月15日至9月18日自動(dòng)觀測(cè)水位有8次比人工觀測(cè)水位偏大6.16m左右，明顯不合理，因此根據(jù)人工水位進(jìn)行了修正（見(jiàn)圖5）。

（2）資料數(shù)據(jù)分析

①以人工站觀測(cè)時(shí)間的人工水位數(shù)據(jù)與水位計(jì)自動(dòng)觀測(cè)水位數(shù)據(jù)，計(jì)算同時(shí)間兩者水位誤差。

②對(duì)水位誤差進(jìn)行頻率計(jì)算，分析85% 和95%對(duì)應(yīng)的誤差（見(jiàn)圖6）。

3.2對(duì)比觀測(cè)結(jié)果分析

英語(yǔ)分詞倒裝構(gòu)式的認(rèn)知語(yǔ)法分析 ……………………………………………………… 莫啟揚(yáng) 文 旭（2.11）

（1）同步單次自動(dòng)與人工水位對(duì)比

通過(guò)自動(dòng)水位原始數(shù)據(jù)和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)以及同步水位比測(cè)數(shù)據(jù)，人工和自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大發(fā)生在9月11日落水階段，從對(duì)比數(shù)據(jù)上，最大誤差為0.12m，自動(dòng)水位小于人工水位。

（2）月平均自動(dòng)與人工水位對(duì)比

根據(jù)時(shí)段自動(dòng)及人工水位對(duì)比觀測(cè)資料，分別計(jì)算2014年5月至9月平均水位，計(jì)算其誤差，結(jié)果見(jiàn)下表。

（3）數(shù)據(jù)采集分析

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，自動(dòng)站數(shù)據(jù)采集除發(fā)生水位變幅外，采集數(shù)據(jù)為1h，水位采集還有奇異值出現(xiàn)，如9月17日15時(shí)至9 月18日9時(shí)，開(kāi)始發(fā)生較正常水位高6.16m左右水位8次，且無(wú)任何規(guī)律。

（4）數(shù)據(jù)接收分析

4　水位對(duì)比分析結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)分析，板橋水文站人工水位和自動(dòng)水位變化趨勢(shì)一致，總體誤差變化不大，滿足《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50138.2010)規(guī)定要求。

（2）較大洪水過(guò)后受河床沖淤，易受河道變化、主槽變化影響，雷達(dá)水位計(jì)探頭籠罩受限，出現(xiàn)水位誤差較大，不能完全依靠自動(dòng)水位計(jì)。

（3）特大、特小跳躍值系干擾造成，須剔除。

（4）雷達(dá)水位計(jì)儀器本身精度可靠，儀器可以投入生產(chǎn)實(shí)踐。

5　建議與對(duì)策

（1）對(duì)設(shè)備采集時(shí)間制式進(jìn)行重新設(shè)置，按6min時(shí)間滑動(dòng)采集。

（2）對(duì)特異值，系電磁波干擾所致，資料應(yīng)用時(shí)進(jìn)行濾波，予以剔除。

（3）因斷面沖淤、橫比降造成較大誤差時(shí)，采用人工觀測(cè)訂正。

（4）注意定期對(duì)雷達(dá)水位計(jì)進(jìn)行人工校準(zhǔn)。

6　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比分析，DCRD1000A3型雷達(dá)水位計(jì)觀測(cè)誤差滿足水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50138.2010）的要求，自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施的投入使用，使觀測(cè)方法和信息采集傳輸由人工化向自動(dòng)化、數(shù)字化轉(zhuǎn)變，提高了水文監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化水平，減輕水文職工的工作強(qiáng)度，縮短了測(cè)報(bào)歷時(shí)，很大程度的提高了工作效率，同時(shí)減少水位觀測(cè)的誤差，并且提高了水文觀測(cè)資料的精度和可靠性。今后可以將其作為一種常用的水位觀測(cè)設(shè)備加以利用。陜西水利

（責(zé)任編輯：暢妮）

中圖分類(lèi)號(hào)：P332.3

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