雷達(dá)記錄水位與人工觀測水位比測分析

寇 力

（阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836500）

1 流域及測站概況

位于新疆阿勒泰地區(qū)的烏倫古河流域主要由發(fā)源于阿勒泰山東南段的大青格里河、查干郭勒河等以及發(fā)源于阿爾泰山北段的布爾津河匯聚而成，最終匯入烏倫古湖，烏倫古湖是新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi)第二大淡水湖。流域遠(yuǎn)離海洋，地處歐亞大陸腹地，周圍高山環(huán)繞，既阻擋了水汽的進(jìn)入，又通過攔截水汽，使流域成為天然產(chǎn)流區(qū)，徑流出山口以下散失。流域冬季結(jié)冰封凍長達(dá)半年之久，流域內(nèi)凍土層以下地下水進(jìn)行流域水量補(bǔ)給，夏季到來氣溫上升，積雪消融匯入河槽，引發(fā)春汛。塔克什肯水文站位于青河縣塔克什肯鎮(zhèn)烏倫古河流域布爾津河水系，該水文站于1987 年以國際河流國家基本水文測站、中央報汛站的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立，主要進(jìn)行流域水位、蒸發(fā)、流量、降水、水質(zhì)等要素的日常觀測，其觀測數(shù)據(jù)資料是進(jìn)行烏倫古河流域水文水資源特征評價及水文演變規(guī)律研究的基本依據(jù)。塔克什肯水文站水位～流量關(guān)系曲線變化形式單一，斷面控制良好，河道順直。

2 測驗(yàn)設(shè)施及比測資料

2.1 測驗(yàn)設(shè)施及方法

水準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)置是進(jìn)行水位觀測的基本要求，結(jié)合流域特征，塔克什肯水文站共設(shè)置2 個基本水準(zhǔn)點(diǎn)，能滿足不同水位觀測之所需，主要配備有直立式基本水準(zhǔn)尺、水文雙軌纜車、起點(diǎn)距標(biāo)志、LS251 型流速儀、水準(zhǔn)儀、浮標(biāo)、秒表，并于2014 年在水文站基本斷面右岸設(shè)置了雷達(dá)水位計。雷達(dá)水位計為一體式測量用具，無需觸碰，通過脈沖技術(shù)原理伸入表層水位便可測得相應(yīng)的水位數(shù)據(jù)，還能克服水溫變化影響，通過前方設(shè)置的天線完成水位觀測數(shù)據(jù)的接收和反饋，確保水位觀測工作順利進(jìn)行。

塔克什肯水文站汛期水位測量采用直立式基本水準(zhǔn)尺分4 段進(jìn)行觀測，汛期水位變化劇烈的情況下，為保證各次峰谷及完整的水位變化過程均能得到測量，應(yīng)采用多段制測量模式并增加測次，擴(kuò)大測量區(qū)域，縮短測量時間，從而進(jìn)行水位變化更具體的顯示。水位變化是相對的，水位測量的結(jié)果也只是特定時間段情況的反映，為確保觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須因地制宜，根據(jù)氣候狀況、區(qū)域環(huán)境等選擇合適的測量方法[1]。

2.2 水位數(shù)據(jù)資料

選取塔克什肯水文站2017 年12 月12 日～2018 年11 月30 日雷達(dá)水位計和人工同步觀測的780 組水位數(shù)據(jù)資料進(jìn)行比測分析，其中有效數(shù)據(jù)為752 組，有效率達(dá)96.41%，包含高水位、中水位和低水位。

2.3 雷達(dá)記錄水位與人工觀測水位相關(guān)性分析

根據(jù)塔克什肯水文站水文數(shù)據(jù)資料繪制雷達(dá)水位觀測值與人工水位觀測值相關(guān)關(guān)系曲線，具體見圖1，R2=0.9880，雷達(dá)觀測水位與人工觀測水位相關(guān)性較高，雷達(dá)水位觀測值具有較高精度，也就是說塔克什肯水文站雷達(dá)水位觀測資料能代替人工觀測作為正式水文資料使用，確保工作效率的提高。水文站雷達(dá)觀測水位與人工觀測水位數(shù)據(jù)樣本容量及符號檢驗(yàn)結(jié)果也都符合《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012），說明雷達(dá)水位監(jiān)測技術(shù)和人工水位觀測技術(shù)對于水文站水位檢測同樣適用，兩種方法配合使用效果更佳。

圖1 雷達(dá)記錄水位與人工觀測水位關(guān)系曲線

3 雷達(dá)記錄水位誤差分析

3.1 水位級別劃分

按照《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）所規(guī)定的河流流量檢測級別劃分依據(jù)，以年內(nèi)瞬間最高水位頻率為依據(jù)，流量頻率達(dá)10%的階段對應(yīng)高水位；以年內(nèi)瞬間最低水位頻率為依據(jù)，流量頻率達(dá)90%對應(yīng)低水位；以每年瞬間平均水位頻率為依據(jù)，流量頻率50%對應(yīng)中水位[2]。據(jù)此進(jìn)行烏倫古河流域塔克什肯水文站水位級別劃分，見表1。

表1 塔克什肯水文站水位級別劃分

雷達(dá)水位計水位與人工觀測水位對比情況見圖2。

圖2 雷達(dá)水位計水位與人工觀測水位對比

由表1 塔克什肯水文站水位級別劃分以及雷達(dá)水位計水位與人工觀測水位對比圖可以得出觀測期內(nèi)烏倫古河流域所處的水位級別。此外，塔克什肯水文站雷達(dá)水位觀測與人工同步水位觀測結(jié)果接近且無明顯偏離，符合《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）的要求。

3.2 雷達(dá)水位計誤差分析

由于觀測人員視力等主觀原因以及天氣狀況、標(biāo)識設(shè)置、遮光因素、波浪壅水、觀測時間、讀數(shù)錯誤等客觀原因，人工觀測水位必然存在誤差，所以，實(shí)際水文測量過程中，大多會選擇雷達(dá)水位觀測技術(shù)，以減少人工觀測可能出現(xiàn)的誤差。但雷達(dá)水位觀測結(jié)果也受諸多因素影響。雷達(dá)水位計觀測會受到不定期水位計等設(shè)備檢修而造成讀數(shù)誤差甚至錯誤。此外，由于部分流域缺乏置辦雷達(dá)水位觀測設(shè)備的資金和維護(hù)管理技術(shù)人員，導(dǎo)致雷達(dá)水位觀測技術(shù)目前難以在這些流域推廣使用。雷達(dá)水位觀測設(shè)備往往只能觀測而不能計算，所以，只能作為人工水位觀測的輔助與補(bǔ)充，而無法完全取代。

按照《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）相關(guān)規(guī)定，使用雷達(dá)水位計進(jìn)行水位自動監(jiān)測時，測量誤差及不確定度應(yīng)按照以下步驟進(jìn)行估算：

（1）計算系統(tǒng)不確定度Xy"

式中：Pyi為雷達(dá)水位計自動觀測水位，m；Pi為人工觀測水位，m；N 為觀測次數(shù)。

（2）計算隨機(jī)不確定度Xy'

（3）計算綜合不確定度XZ

表2 塔克什肯測站雷達(dá)水位計水位觀測不確定度

根據(jù)烏倫古河流域塔克什肯水文觀測資料，塔克什肯測站雷達(dá)水位計水位觀測的系統(tǒng)不確定度、隨機(jī)不確定度、綜合不確定度等計算結(jié)果見表2。

根據(jù)上表結(jié)果可以看出，在無波浪、一般波浪、大波浪等水位級次下，塔克什肯水文站雷達(dá)水位計水位觀測結(jié)果的系統(tǒng)不確定度、隨機(jī)不確定度及綜合不確定度等數(shù)據(jù)精度均能達(dá)到《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）的要求，表明其水位觀測結(jié)果誤差在可接受范圍，雷達(dá)水位觀測資料完全可以作為正式資料對人工水位觀測結(jié)果起到輔助與補(bǔ)充作用，并可直接用于塔克什肯水文站水文資料的整編。

為防止雷達(dá)水位計雷達(dá)探頭出現(xiàn)故障而導(dǎo)致水位監(jiān)測資料無效或丟失，應(yīng)在暢流期每日上午8 時整進(jìn)行人工水位觀測，將觀測結(jié)果與雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較并用人工觀測水位進(jìn)行雷達(dá)觀測水位的校核，若發(fā)現(xiàn)的確是雷達(dá)水位計存在故障，則應(yīng)采用人工觀測水位法，直至雷達(dá)水位計水位觀測精度恢復(fù)。此外，還應(yīng)加強(qiáng)對雷達(dá)水位計的日常養(yǎng)護(hù)，每天進(jìn)行塔克什肯水文站雷達(dá)水位計運(yùn)行及水位監(jiān)測情況的檢查，確保測流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

通過本文的分析可知，雷達(dá)水位觀測技術(shù)及觀測結(jié)果能成為人工觀測的必要補(bǔ)充，甚至隨著雷達(dá)水位觀測技術(shù)的發(fā)展，有逐漸取代人工觀測的趨勢。雖然當(dāng)前不同流域、不同氣候條件及地理環(huán)境下所采用的水位觀測技術(shù)有所不同，但從安全性和效率性等角度考慮，雷達(dá)水位觀測技術(shù)的應(yīng)用必將取代人工觀測，這也對雷達(dá)觀測技術(shù)本身的適用性和精確性提出了更高要求。