鳳州水文站雷達水位計采集水位與人工觀測水位對比分析

石牡麗，李培俠，王建宏

（陜西省寶雞水文水資源勘測局，陜西 寶雞 721006）

嘉陵江發源于寶雞市鳳縣西北東峪溝涼水泉，省內干流全長243.8 km，其中寶雞市102 km，流域面積9930 km2，其中寶雞市2472.4 km2。鳳州水文站位于流域上游，其上主要支流有場房溝、黃牛溝、三岔河、紅花溝。省內流域主要為土石山區和黃土階地區，森林植被覆蓋率低，水土流失嚴重。流域屬暖溫帶山地氣候，年平均氣溫11.4℃，降雨量主要集中在7月～9月。本站多年平均年降雨量654 mm，多年平均徑流量1.481億m3。建站以來實測最大流量992 m3/s，發生于1990年7月6日。調查最大流量1640 m3/s，發生于1981年8月21日，實測最大含沙量65.0 kg/m3。本站建有雷達水位計1套，警戒流量300 m3/s、保證流量為1000 m3/s。本站通過長期連續地監測流域內基本水文數據，不斷探索流域水流沙特性和規律，為當地防汛抗旱、水資源合理開發利用提供科學、準確的決策依據。本文選用鳳州站雷達水位計采集的數據和同期人工觀測水位數據，按水位分幅、分階段分別進行比測分析。

1 測站概況

鳳州水文站設立于1984年1月，位于鳳縣龍口鎮龍口村，集水面積688 km2。本站為嘉陵江水系嘉陵江源頭站，屬省級重要水文站。測驗項目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發、水質。管轄鳳縣、黃牛埔、河口、唐藏、紅花鋪、小五嶺、南星7處雨量站，其中報汛站6處。設站目的是收集嘉陵江流域基本水文信息，為下游各級防汛部門及水資源開發利用提供服務。

2 觀測儀器及原理

2.1 觀測儀器

鳳州水文站在基本水尺斷面安裝26 GHz脈沖型雷達水位計1臺，配備接收終端和太陽能供電系統一套。采用GPRS互為主備的通信方式傳輸水文遙測信息，設備具有“一發四收”功能，將信息分別傳到鳳州水文站、寶雞水情分中心、省水情中心和長江委水文局。此雷達水位計不受渾水、污泥、水生植物等因素的影響，安裝簡便、精度高、壽命長、免維護、測量時間內多次平均，實現消浪功能；安裝于懸臂上，不需要建井，土建費用低，標配支架可方便調平，適合北方地區。

2.2 工作原理及參數

鳳州水文站采用26GHz脈沖型雷達水位計。其工作原理為：雷達水位計發射脈沖信號，其脈沖信號以光速在空氣中傳播，遇到比測介質表面，其部分能量被反射回來，被同一天線接收；發射脈沖與接收脈沖的時間差與其傳播距離成正比，進而確定傳播距離，可以計算出水位，在保證測驗精度的前提下，實現自動采集、傳輸、存儲。26 GHz脈沖型雷達水位計主要技術指標見表1。

表1 26GHz脈沖型雷達水位計主要技術指標

3 資料分析

3.1 分析依據

根據《水位觀測標準》（GB/T50138-2010）6.2自記水位計的比測中第6.2.1條規定：新安裝的自記水位計或改變儀器類型時應進行比測。其比測綜合不確定度、系統誤差標準如下：

1）一般水位站，置信水平95%的綜合不確定度應為3 cm，系統誤差應為±1 cm。

2）機械鐘、石英鐘的走時日誤差不超過±5 min。

根據規范E.0.6采用自動監測設備監測水位時，其系統誤差及不確定度應按下列方法估算：

a.系統不確定度

式中：Pyi為自動監測水位；Pi為人工校測水位；N為校測次數。b.隨機不確定度

c.綜合不確定度

3.2 資料選用

根據《水位觀測標準》(GB/T50138-2010) 6.2自記水位計的比測中第6.2.1條規定：比測可按水位分幅、分階段分別進行，每階段比測次數應在30次以上。

本次比測分析選用2017年6月、7月、8月該站雷達水位計采集的數據和同期人工觀測水位數據。

根據2016年6月、7月、8月同步觀測的水位觀測數據，得出水位對比過程線，見圖1、圖2。

圖1 鳳州水文站平水期人工與自記水位過程對比圖

圖2 鳳州水文站洪水期人工與自記水位過程對比圖

4 計算分析與評定

根據水位觀測標準（GB/T 50138-2010）,比測結果應符合置信水平95%的綜合不確定度應為3 cm，系統誤差應為±1 cm；波浪問題在本次分析數據均為石英鐘觀測計時，誤差精度均在±0.5 min/日，滿足規范對時差的要求。平水期、洪水期比測結果誤差計算表見表1、表2（突出的近海地區水位站，綜合不確定度可放寬至5 cm）。

表1 平水期比測結果誤差計算表

表2 洪水期比測結果誤差計算表

5 結論

結果表明：平水期綜合不確定度0.0082 cm、系統誤差-0.293 cm；洪水期綜合不確定度0.07 cm、系統誤差-0.11 cm符合置信水平95%的隨機不確定度3 cm的要求，系統誤差符合±1cm的限差要求。

從雷達水位計記錄資料和人工觀測水位數據的比測分析結果可以看出，該站雷達水位計觀測精度符合水位觀測規范的要求，該水位計在各種環境條件下工作狀態穩定、可靠，可以替代人工觀測的水位數據。在以后的工作中要加強對水位計的保養和維護，使之在水文現代化進程中發揮更大的作用。