基于雷達(dá)水位計(jì)的數(shù)據(jù)分析及其不確定度計(jì)算研究
——以大城子水文站為例

張 燕

(遼寧省朝陽(yáng)水文局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

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科技成果

基于雷達(dá)水位計(jì)的數(shù)據(jù)分析及其不確定度計(jì)算研究
——以大城子水文站為例

張 燕

(遼寧省朝陽(yáng)水文局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

針對(duì)傳統(tǒng)水位測(cè)量方法的局限性、誤差分散性及其不確定性，非接觸式雷達(dá)水位計(jì)作為一種新型水位測(cè)量設(shè)備正逐步發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。文章結(jié)合雷達(dá)水位計(jì)的原理及特點(diǎn)，以大城子水文站為依托，通過(guò)雷達(dá)水位計(jì)與人工水位計(jì)的對(duì)比分析，將水文信息的采集由人工化向機(jī)械化、數(shù)字化演變，減少了人工測(cè)量的頻率。此外，在雷達(dá)水位計(jì)的使用過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，當(dāng)雷達(dá)水位計(jì)量測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行人工復(fù)測(cè)。非接觸式雷達(dá)水位計(jì)的使用能夠?yàn)轭?lèi)似水文站水文信息數(shù)據(jù)的智能化收集提供保證。

雷達(dá)水位計(jì)；水文站；應(yīng)用分析；數(shù)據(jù)比測(cè)；不確定度

水位測(cè)量是水文最基本的觀測(cè)項(xiàng)目，是水利及水電工程建設(shè)或防洪報(bào)汛必不可少的重要資料。隨著水利水文自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)和迅速發(fā)展[1]，水位觀測(cè)設(shè)備和儀器也迎來(lái)了快速發(fā)展、快速更新的困難和挑戰(zhàn)。

目前的研究主要包括：王忠武[2]等結(jié)合工程規(guī)模、施工條件以及未來(lái)的發(fā)展，探討了不同水位計(jì)的適用范圍，針對(duì)質(zhì)量要求、數(shù)據(jù)精確程度的要求，研究了成本低、占地少、功能性強(qiáng)的新型水位計(jì)；牛睿平[3]等探討了新型雷達(dá)水位計(jì)(WLH-1型)的工作機(jī)理、測(cè)量方法及精度、信號(hào)傳輸方式、整體構(gòu)造，并對(duì)樣機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究；許笠[4]等研究了水位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際工程中的優(yōu)缺點(diǎn)，并詳細(xì)分析了雷達(dá)水位計(jì)在試驗(yàn)區(qū)的應(yīng)用情況；周密[5]等針對(duì)人工測(cè)量水位的局限性與測(cè)量?jī)x器的誤差，發(fā)明了基于K波段雷達(dá)水位計(jì)，提出眾多提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和降低整體不足的建議；此外，王偉，董先勇[6]，李海防，衛(wèi)偉[7]，馬文進(jìn)，高貴成[8]，汪君，王會(huì)軍[9]等也對(duì)水文測(cè)量方面進(jìn)行了深入的研究，并取得了一定的研究成果。

然而，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水位計(jì)逐步向智能化方向發(fā)展，但通過(guò)分析研究現(xiàn)狀可知，雷達(dá)水位計(jì)的研究仍不夠全面，在水位監(jiān)測(cè)時(shí)與人工測(cè)量有一定的誤差，不能精確地測(cè)量水位情況。文章結(jié)合大城子水文站的實(shí)際情況，將雷達(dá)水位計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與人工量測(cè)數(shù)據(jù)加以比對(duì)，并對(duì)雷達(dá)水位計(jì)的誤差進(jìn)行分析研究。

1 雷達(dá)水位計(jì)工作原理及特點(diǎn)

1.1 雷達(dá)水位計(jì)工作原理

雷達(dá)水位計(jì)是利用脈沖雷達(dá)技術(shù)手段，加上節(jié)能、非接觸式的測(cè)量技術(shù)的一種地表水位液位量測(cè)的儀器。由天線發(fā)射的電磁波經(jīng)被測(cè)對(duì)象表面反射后，被天線接收，即“發(fā)射-反射-接收”的工作原理，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，計(jì)算方法為：

H=CT/2

(1)

式中：H為設(shè)備到被測(cè)物的距離；C為光速；T為時(shí)間。

確定出天線與水面的距離之后，再結(jié)合天線的已知高程計(jì)算出水面的高程。

1.2 雷達(dá)水位計(jì)的特點(diǎn)

1)設(shè)備為整體化安裝，使用時(shí)不存在磨損現(xiàn)象，核心部件采用耐腐蝕性強(qiáng)的材料，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

2)利用電磁波測(cè)量的方式，不需傳輸媒介，不受水體濃度、空氣濕度、環(huán)境溫度等外界條件的影響。

3)結(jié)構(gòu)能有效利用太陽(yáng)能，無(wú)污染，測(cè)量范圍大，精度高，維修方便，工作年限長(zhǎng)。

4)設(shè)備工作時(shí)，無(wú)需水位井即可量測(cè)所有液體水位，不會(huì)產(chǎn)生紊流現(xiàn)象，可無(wú)人值守連續(xù)在線測(cè)量。

圖1 雷達(dá)水位計(jì)基本結(jié)構(gòu)示意圖

2 流域水文站概況

2.1 流域概況

大凌河流域總面積為23549km2，全長(zhǎng)達(dá)408km，自西北向東南蜿蜒前行。由于地處內(nèi)蒙古高原向沿海平原過(guò)渡的階梯分界地帶，整體分布于遼西低山丘陵地區(qū)，地形復(fù)雜，其中山丘區(qū)面積占總流域面積的81.5%，平原區(qū)面積占總流域面積的18.5%。

大凌河流域具有典型的溫帶大陸性氣候，形成了干濕交替分布的區(qū)域性氣候帶。植被類(lèi)型屬半干旱性的溫帶落葉林帶，森林覆蓋率為33.5%。流域內(nèi)氣候季節(jié)性變化明顯，擁有充裕的光照時(shí)間，日間溫度差異性顯著，降水量低，濕熱同步。春秋時(shí)期風(fēng)力較弱，僅達(dá)到2-3級(jí)，但頻率較高；冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，風(fēng)速較大。對(duì)風(fēng)速進(jìn)行多年統(tǒng)計(jì)，取其平均值可達(dá)2-4.4m/s，最大風(fēng)速可達(dá)20m/s。

2.2 水文站概況

大城子水文站地處大凌河流域干流中游，重要性較大，被列為國(guó)家級(jí)重點(diǎn)站。其控制面積5029km2，區(qū)間面積3208km2，至河口距離302km。

大城子水文站屬大凌河上游區(qū)域代表站，其主要功能為防汛抗旱、水庫(kù)水電站建設(shè)運(yùn)行，兼顧有水資源開(kāi)發(fā)利用服務(wù)。該站降水偏少，對(duì)降雨量進(jìn)行多年統(tǒng)計(jì)，取其平均值為489.5mm，降雨季節(jié)變化明顯，易造成不同時(shí)段的干旱。夏季6—8月的降雨頻率最大，總量可達(dá)年降雨量的80%左右，多年平均相對(duì)濕度在38%-74%之間。

據(jù)歷史實(shí)測(cè)資料記載，最大洪峰出現(xiàn)時(shí)，流量達(dá)7600m3/s，最高水位達(dá)281.80m，最大流速為5.56m/s。2013年前，大城子水文站測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目均以人工方式進(jìn)行觀測(cè)和測(cè)驗(yàn)，自2013年建設(shè)安裝了雷達(dá)水位計(jì)進(jìn)行水位測(cè)報(bào)。雷達(dá)水位計(jì)監(jiān)測(cè)設(shè)施建于測(cè)驗(yàn)河段左岸，所在位置和基本斷面重合。

3 數(shù)據(jù)比測(cè)

3.1 比測(cè)資料的選取

由于氣候原因，研究區(qū)內(nèi)1—3月及11—12月出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，在此期間雷達(dá)水位計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不具有代表性。因此，在數(shù)據(jù)研究時(shí)，僅結(jié)合4—10月份期間每日 8：00、14:00、20:00 三個(gè)整時(shí)進(jìn)行雷達(dá)與人工數(shù)據(jù)的相關(guān)性研究，其中剔除由于雷達(dá)水位計(jì)不能正常工作造成的漏測(cè)、誤測(cè)等數(shù)據(jù)。

3.2 水位資料對(duì)比分析

3.2.1 相關(guān)性分析

建立雷達(dá)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)圖，如圖2所示。由origin8.0軟件實(shí)施相關(guān)性研究，最終畫(huà)出擬合曲線，分析曲線趨勢(shì)可以得出，雷達(dá)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)之間存在顯著性相關(guān)關(guān)系，軟件計(jì)算結(jié)果顯示，關(guān)系線k=1.0000，R2=0.9916。因此，雷達(dá)及人工測(cè)量出的水位呈現(xiàn)出顯著性相關(guān)關(guān)系。

3.2.2 關(guān)系線分析

由origin8.0軟件的分析可知雷達(dá)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的ρ=1，為了更好地分析兩者之間存在的線性相關(guān)關(guān)系，建立圖3 所示坐標(biāo)。研究結(jié)果顯示，兩種觀測(cè)數(shù)據(jù)存在y=x的正相關(guān)關(guān)系。對(duì)關(guān)系線分別進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)，當(dāng) 3 種檢驗(yàn)結(jié)果均接受原假設(shè)時(shí)，應(yīng)認(rèn)為原定線正確；若出現(xiàn)至少一種之上的檢驗(yàn)拒絕原假設(shè)，則結(jié)論不成立，需探討產(chǎn)生拒絕的原因，并對(duì)原定線進(jìn)行修改，重新檢驗(yàn)，直到這3種檢驗(yàn)完全合格方可結(jié)束。檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 1。

表1 關(guān)系曲線檢驗(yàn)結(jié)果

從表1的結(jié)果可知，對(duì)于正相關(guān)關(guān)系的檢驗(yàn)符合國(guó)家相關(guān)條例的規(guī)定。經(jīng)過(guò)計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)差僅達(dá)到 0.9% ，充分證明了雷達(dá)與人工觀測(cè)獲得的數(shù)據(jù)可相互替代。

因此，大城子水文站的雷達(dá)水位計(jì)應(yīng)用所獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料能較大程度上取代人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料來(lái)指導(dǎo)水文研究。

圖2 觀測(cè)水位相關(guān)性分析圖

圖3 觀測(cè)水位關(guān)系圖

4 雷達(dá)水位計(jì)系統(tǒng)誤差及不確定度計(jì)算分析

4.1 資料選取

由于雷達(dá)水位計(jì)為全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，隨著時(shí)間的推移，考慮到不確定因素的影響，會(huì)存在一定的系統(tǒng)誤差。因此，應(yīng)充分考慮多種情況下(靜風(fēng)期、微風(fēng)期、暴風(fēng)期)的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，選取在水位恒定的情況下雷達(dá)與人工同時(shí)量測(cè)的30次水位作為研究數(shù)據(jù)[10]。

4.2 不確定度計(jì)算

按照《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50138—2010)，當(dāng)運(yùn)用雷達(dá)水位計(jì)進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)時(shí)，對(duì)于不確定度的計(jì)算，應(yīng)采用如下算法，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

系統(tǒng)不確定度的計(jì)算公式：

(2)

式中：Pyi為自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位；Pi為人工觀測(cè)水位;N為觀測(cè)次數(shù)。

隨機(jī)不確定度的計(jì)算公式：

(3)

綜合不確定度的計(jì)算公式：

(4)

表2 不確定度計(jì)算結(jié)果 cm

5 結(jié) 論

通過(guò)雷達(dá)水位計(jì)與人工水位計(jì)的對(duì)比分析，雷達(dá)水位計(jì)的系統(tǒng)誤差以及不確定度均符合國(guó)家相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)合兩者之間的比測(cè)結(jié)果，可得到如下結(jié)論：大城子水文站雷達(dá)水位計(jì)的投入使用，將水文信息的采集由人工化向機(jī)械化、數(shù)字化演變，其監(jiān)測(cè)成果可取代人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行存檔整編。減少人工測(cè)量的頻率，將雷達(dá)水位計(jì)設(shè)置為大城子水文站的關(guān)鍵性監(jiān)測(cè)設(shè)備，僅在測(cè)流時(shí)以人工量測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)校核雷達(dá)水位。在雷達(dá)水位計(jì)的使用過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，當(dāng)雷達(dá)水位計(jì)量測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行人工復(fù)測(cè)。出于對(duì)氣候、地貌、經(jīng)濟(jì)等綜合考慮，建議新建水文站時(shí)首選雷達(dá)水位計(jì)。

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Research on Dachengzi Hydrological Station Data Analysis and Calculation of Uncertainty based on Radar Water Gauge

ZHANG Yan

(Liaoning Chaoyang Hydrology Bureau, Chaoyang 122000,China)

In view of the limitation of traditional water level measurement method, error dispersion and uncertainty, non-contact radar water level meter is playing a more and more important role as a new water level measuring equipment. Based on the principle and characteristics of radar level meter, in Dachengzi hydrological station on the radar water gauge compared with artificial water meter analysis, hydrology information acquisition by artificial to mechanization, digital evolution, reduces the manual measuring frequency. In addition, maintenance should be strengthened in the use of the radar water level meter, when the radar water level measurement data error is larger, should be timely artificial retest. The use of non-contact radar water level meter can guarantee the intelligent collection of hydrological information data of similar hydrological stations.

radar water level meter; hydrological station; application analysis; data comparison;uncertainty

1007-7596(2017)02-0001-03

2017-02-16

張燕(1984-)，女，遼寧朝陽(yáng)人，工程師，研究方向?yàn)樗臏y(cè)驗(yàn)、水文水資源工程等。

TP274

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