樅陽閘水文站雷達(dá)水位計(jì)與人工觀測水位比測研究

李海露

（安徽省安慶水文水資源局，安徽 安慶）

引言

樅陽閘水文站閘下游水尺斷面不同階段水位變幅過大，且低水位時(shí)水位測驗(yàn)難度大，人工觀測水位數(shù)據(jù)結(jié)果無法滿足測報(bào)時(shí)效性需求，為優(yōu)化測站水位觀測精準(zhǔn)度，引入雷達(dá)水位計(jì)。作為自動(dòng)化、智能化程度較高的水文測量儀器，雷達(dá)水位計(jì)受測量方法、測量章程以及外界因素等多重因素影響，可能出現(xiàn)一定誤差。筆者將結(jié)合樅陽閘水文站實(shí)況，將雷達(dá)水位計(jì)和人工觀測二者所產(chǎn)出數(shù)據(jù)比測分析，以此驗(yàn)證雷達(dá)水位計(jì)是否真正適用于水文資料作業(yè)。

1 測站概況

1.1 測站區(qū)位

樅陽閘水文站位于安徽桐城市鱘魚鎮(zhèn)，屬于國家重要水文站，測驗(yàn)項(xiàng)目主要包括水位、流量、降水量、墑情、水質(zhì)等。該站距城區(qū)中心約2 000 m，據(jù)測驗(yàn)斷面約600 m，到站內(nèi)各個(gè)觀測場地均能在10 min 內(nèi)抵達(dá)，交通十分便捷。

1.2 測驗(yàn)斷面和水位設(shè)施

流量測驗(yàn)河段較順直，兩岸有堤防控制高水位。閘下游基本水尺斷面距閘門約150 m 處，閘下游配備有人工觀測水尺一組。

1.3 水文站特性與河段狀況

樅陽閘上游山區(qū)地形較為險(xiǎn)峻與陡峭，上游集水面積為3 340 km2，降水量相對(duì)集中，暴雨洪水季節(jié)，長江同時(shí)處于高水位期，樅陽閘出流受長江水位影響。通常情況下，汛期白兔湖水位上漲，非汛期長江水位不影響樅陽閘出流時(shí)，開閘泄出汛期囤蓄于湖泊的洪水，白兔湖水位緩慢下降。過閘流量受上、下游水位及工程調(diào)度的綜合影響。此河段河床為純粘土組成，較穩(wěn)定。

2 測站雷達(dá)水位計(jì)性能

樅陽閘水文站所安裝的雷達(dá)水位計(jì)被固定在下游水位房水泥步道上，儀器測量范圍約為0.8～40 m，分辨力可精確在0.1 cm 內(nèi)。因其脈沖式的天線樣式，強(qiáng)悍的產(chǎn)品功耗工作電流≤10 mA、靜態(tài)值守電流≤1 mA，優(yōu)質(zhì)的RS485 數(shù)字信號(hào)輸出媒介以及在-20℃～55 ℃內(nèi)都適用的工作性能。在安裝時(shí)需要確保雷達(dá)水位計(jì)立桿與被測河段斷面保持垂直關(guān)系，消除雷達(dá)水位計(jì)與被測物體間的遮擋物，避免雷達(dá)波發(fā)射率受到干擾，導(dǎo)致測量精確度下降。同時(shí)，雷達(dá)水位計(jì)的發(fā)射波束半徑不可超出水位計(jì)中心距離水體岸邊的距離，并固定好懸臂支架，通過安裝鐵箱，并在內(nèi)部放置雷達(dá)水位計(jì)探頭，防止設(shè)備受到外力破壞。自順利完成安裝之后，運(yùn)行至今，都并未發(fā)現(xiàn)明顯故障問題，即使是在面對(duì)汛期等惡劣環(huán)境背景下，此雷達(dá)水位計(jì)也能處于正常有序的運(yùn)行狀態(tài)中，實(shí)用性十分顯著。同時(shí)，此水位計(jì)還具有抵抗外界干擾，不僅順利地通過了兩天兩夜的鹽霧腐蝕性能試驗(yàn)，而且還通過了《華東水文儀器檢測中心》的細(xì)致化校準(zhǔn)檢測，有著十分突出的使用優(yōu)勢。

該雷達(dá)水位計(jì)測流原理主要是憑借反射以及接收雷達(dá)波實(shí)際產(chǎn)出距離，來對(duì)水位實(shí)現(xiàn)細(xì)致測量的，具體的水位測量數(shù)據(jù)產(chǎn)出，可嚴(yán)格依據(jù)下述水位測算方程加以計(jì)算，公式（1）如下：

式中：H 表示水面至雷達(dá)水位計(jì)之間的相對(duì)距離，單位為m；C 表示具體光速，單位為m/s；T 則表示雷達(dá)波發(fā)射以及接收到水面所需要用到的具體時(shí)間，單位為s[1]。

3 比測方法部署

3.1 基于人工觀測視角的數(shù)據(jù)

為保障分析結(jié)果更為合理，樅陽閘水文站將雷達(dá)探頭的安裝位置有意識(shí)布置在全年水位平穩(wěn)處，以此優(yōu)化人工觀測水位與雷達(dá)觀測水位數(shù)據(jù)一一對(duì)比的線性格局。本次分析對(duì)比工程主要選用2023 年4 月至6 月的人工水位觀測數(shù)據(jù)以及雷達(dá)水位計(jì)水位觀測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)比分析，資料嚴(yán)格依據(jù)水位觀測標(biāo)準(zhǔn)之中的章程規(guī)定以及測量任務(wù)書要求，計(jì)劃每8 h、20 h都要實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)觀測。最后，漲、退水過程期間也要自覺優(yōu)化頂層設(shè)計(jì)，有意識(shí)增加觀測次數(shù)，以此保障資料來源更為真實(shí)可靠。

3.2 基于雷達(dá)水位計(jì)視角的資料數(shù)據(jù)

基于《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，計(jì)劃在對(duì)雷達(dá)水位計(jì)比測過程中，4 月到6 月人工觀測水位次數(shù)可達(dá)到188 余次，水位數(shù)據(jù)產(chǎn)出結(jié)果的比測也要保障置信水平超過95%，綜合不確定性低于2.90 cm，系統(tǒng)誤差嚴(yán)格把控在1 cm 左右。

3.3 比測分析步驟

步驟如下：

（1） 數(shù)據(jù)科學(xué)性分析，具體要將比測時(shí)間范圍內(nèi)雷達(dá)水位計(jì)觀測水位數(shù)據(jù)以及人工觀測水位數(shù)據(jù)在同一張圖紙中實(shí)現(xiàn)水位過程線細(xì)致點(diǎn)會(huì)以此直觀分析兩個(gè)水位過程線是否趨于一致，如若發(fā)現(xiàn)過程線并不一致，要及時(shí)對(duì)比測數(shù)據(jù)系列實(shí)現(xiàn)細(xì)致性檢查。如若精準(zhǔn)定位數(shù)據(jù)不合理之處，則要立即結(jié)合雷達(dá)水位計(jì)觀測水位以及人工觀測水位實(shí)現(xiàn)合理修正。

（2） 比測資料相關(guān)性分析，需要結(jié)合水位資料以及有效數(shù)據(jù)，基于收集到的水位觀測信息，繪制雷達(dá)水位計(jì)與人工觀測水位過程線，根據(jù)實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)，兩種觀測方式下的水位變化趨勢無明顯差異，且不存在較大偏離，變動(dòng)趨勢基本符合我國編制的水利水電建設(shè)工程驗(yàn)收規(guī)程中的相關(guān)規(guī)定。之后還要借助系統(tǒng)軟件對(duì)觀測數(shù)據(jù)實(shí)施線性擬合，確定雷達(dá)水位計(jì)與人工觀測水位相關(guān)性是否優(yōu)良。

（3） 比測誤差合理性分析。積極推進(jìn)人工觀測水位以及雷達(dá)水位計(jì)觀測的水位數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)誤差分析比。

（4） 比測結(jié)果分析總結(jié)。基于統(tǒng)籌視角，對(duì)不同誤差出現(xiàn)次數(shù)實(shí)現(xiàn)總結(jié)，并及時(shí)對(duì)不同比對(duì)誤差的分布加以統(tǒng)計(jì)[2]。具體流程見圖1。

圖1 比測工序流程示意

4 基于統(tǒng)籌視角的比測分析

4.1 誤差統(tǒng)計(jì)分析

4.1.1 雷達(dá)水位計(jì)的觀測誤差

在樅陽閘水文站水位人工觀測運(yùn)行期間，測量人員可能因?yàn)橹饔^意識(shí)以及波浪等不可控因素影響，致使讀數(shù)代表性弱，時(shí)間不準(zhǔn)等問題出現(xiàn)，從而出現(xiàn)較大的觀測誤差。為有效減少誤差出現(xiàn)，測量人員應(yīng)隨時(shí)校對(duì)觀測的時(shí)鐘，觀測水位時(shí)，身體應(yīng)蹲下，使視線盡量與水面平行，避免產(chǎn)生折光；有波浪時(shí)，可利用水面的暫時(shí)平靜進(jìn)行觀讀或取峰頂峰谷水位的平均值；當(dāng)水尺水位受阻水影響時(shí)，應(yīng)盡可能先排除阻水因素，再進(jìn)行觀測。采取多次觀讀，憑借平均值的有機(jī)求取，科學(xué)控制測量誤差。具體的計(jì)算公式如下：

4.2 統(tǒng)計(jì)總結(jié)

依據(jù)上文所提及步驟及具體計(jì)算公式，雷達(dá)水位計(jì)以及人工觀測值誤差生成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，詳情見表1。

表1 案例水文站水位段誤差詳情數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

式中：di表示比測產(chǎn)出偏差；xci表示自動(dòng)化雷達(dá)水位觀測具體數(shù)值；xsi表示人工水位的實(shí)際觀測數(shù)值；d 表示比測偏差的平均值；s（di）y則代表基于比測變差視角下的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)差。

為進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)值精準(zhǔn)度，可將水位觀測的取值為x0，隨機(jī)誤差設(shè)置為Δ，系統(tǒng)誤差設(shè)置為ε，在此時(shí)，人工水位觀測值即為水位觀測取值+Δs+εc，雷達(dá)水位觀測值則為水位觀測取值+Δc+εc。此外，為避免出現(xiàn)人為操作失誤引發(fā)的測量誤差，還需要規(guī)范好技術(shù)人員的測量行為，保證工作人員具備豐富的知識(shí)儲(chǔ)備與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，能夠有效應(yīng)對(duì)突發(fā)事故，保持良好的安全意識(shí)與崗位意識(shí)，并積極學(xué)習(xí)先進(jìn)的技術(shù)手段，為水文站的正常運(yùn)營提供科學(xué)依據(jù)。

4.1.2 基于不確定度的雷達(dá)水位

2023 年4-6 月，樅陽閘水文站閘下游最高水位為11.33 m，最低水位為6.88 m，變幅為4.45 m。為進(jìn)一步優(yōu)化比測成效，需嚴(yán)格依據(jù)《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，以自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備的介入，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測水位作業(yè)落實(shí)。在此需特別注意，想要科學(xué)完善統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)總結(jié)，還需要積極對(duì)系統(tǒng)之中的不確定性，隨機(jī)性以及綜合不穩(wěn)定度展開計(jì)算分析[3]。具體的估算步驟可嚴(yán)格依據(jù)下述公式加以落實(shí)：

式中：X"y表示為系統(tǒng)的不確定、不穩(wěn)定度；Pyi表示水位自動(dòng)化觀測產(chǎn)出數(shù)值；Pi表示為水位的人工實(shí)際觀測數(shù)值；N 表示為觀測實(shí)際介入次數(shù)；X'y表示為隨機(jī)型較高的不平穩(wěn)性；XZ則表示基于統(tǒng)籌視角下的不穩(wěn)定度具體數(shù)據(jù)。

基于相關(guān)性分析視角，以同一時(shí)刻的雷達(dá)水位計(jì)監(jiān)測的水位數(shù)值為縱向坐標(biāo)，人工觀測水位數(shù)值為橫向坐標(biāo)，建立關(guān)聯(lián)程度較高的相關(guān)分析圖，具體見圖2。

圖2 雷達(dá)水位與人工水位相關(guān)圖

再基于過程線對(duì)比這一視角來看，整體的水位過程是連續(xù)不間斷且漸變的一種漲落態(tài)勢，在4 月至6月之間，水位偏差最小為0 cm，最大為2 cm，整體的偏差，都在誤差范圍之內(nèi)。

最后立足于誤差結(jié)果分析這一層面上來看，立足于上百次的人工水位觀測數(shù)據(jù)以及雷達(dá)水位計(jì)水位觀測對(duì)比數(shù)據(jù)，在充分利用《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》之中的估算公式，對(duì)系統(tǒng)不確定性，隨機(jī)不穩(wěn)定性，綜合不確定性展開計(jì)算后，不難發(fā)現(xiàn)，滿足規(guī)程要求，符合水位觀測標(biāo)準(zhǔn)需求。

5 結(jié)果總結(jié)

（1） 本站所使用的雷達(dá)水位計(jì)結(jié)構(gòu)嚴(yán)密、封閉緊湊，在裝卸、維護(hù)以及快捷觀測方面有著十分顯著的介入成效。通過對(duì)樅陽閘水文站2023 年4-6 月水位比測，綜合不確定性的及系統(tǒng)誤差的統(tǒng)計(jì)，其比測綜合不確定度的系統(tǒng)誤差都保持在可允許誤差范圍內(nèi)，實(shí)用性較強(qiáng)[4]。

（2） 雷達(dá)水位計(jì)在設(shè)備運(yùn)行期間的觀測精度可完全滿足規(guī)范需求，水位觀測作業(yè)落實(shí)期間可直接使用雷達(dá)水位計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)觀測。但需額外注意，考慮到在面對(duì)情況較為復(fù)雜的水位變幅情況時(shí)，雷達(dá)水位計(jì)的數(shù)據(jù)可能會(huì)產(chǎn)生一定偏差，為此，觀測人員需秉持著具體問題具體分析原則，在發(fā)現(xiàn)整體的測量斷面情況較為復(fù)雜時(shí)，積極借助雷達(dá)水位計(jì)和人工水位測量有機(jī)結(jié)合的手段，實(shí)現(xiàn)細(xì)致水位測量，以此保障水文觀測數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)。

（3） 立足于可持續(xù)發(fā)展視角來看，要自覺強(qiáng)化水文智能化專業(yè)人才培訓(xùn)以及水文雷達(dá)水位計(jì)養(yǎng)護(hù)隊(duì)伍的建設(shè)。在河流汛前、后使用期間，主動(dòng)對(duì)儀器實(shí)現(xiàn)維護(hù)，并憑借自動(dòng)化程度較高測站水文系統(tǒng)的管理運(yùn)行，盡可能延長雷達(dá)水位計(jì)現(xiàn)實(shí)使用壽命。

6 結(jié)論

綜上所述，依據(jù)本文比測結(jié)果，樅陽閘水文站依據(jù)雷達(dá)水位計(jì)所產(chǎn)出的水位觀測資料精準(zhǔn)度可順利滿足《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》要求，由此可推斷，本測站的雷達(dá)水位計(jì)水位觀測資料產(chǎn)出數(shù)據(jù)可完全替代人工觀測落實(shí)，并直接運(yùn)用于統(tǒng)籌水文資料整編領(lǐng)域之中，在未來，此測站要自覺將自動(dòng)化程度較高的雷達(dá)水位計(jì)作為常規(guī)性水文觀測設(shè)備，快速且高效推進(jìn)數(shù)據(jù)檢查及監(jiān)測作業(yè)落實(shí)。