樂都水文站雷達水位計應用分析

青海省水文水資源測報中心 馬桂芳

一、測站基本情況及儀器介紹

（一）測站情況

樂都水文站位于青海省海東市樂都區碾伯鎮下教場村，地理位置東經102°25′，北緯36°29′，測站編碼40400550，距河源245km，距河口129km。樂都水文站是國家重要水文站、中央報汛站，湟水中游干流控制站。

（二）對比條件介紹

人工觀測水尺和雷達水位計均位于河道右岸，基本水尺斷面共設水尺5支，水尺與雷達水位計都在基本水尺斷面。基本水尺水位非汛期采用二段制觀測,水位變化急劇或結冰、流冰、發生冰凌堆積、冰塞時增加測次并及時除冰；汛期水位無較大變化時采用四段制觀測, 水位變化較大時,采用八段制觀測，水位變化急劇時，需要隨時增加測次，保證能測得各次水位峰、谷的完整過程。

（三）儀器介紹

雷達水位計是一款非接觸式雷達液位計，采用脈沖雷達技術對水位進行測量，利用這種高效穩健的雷達技術，加上節能，非接觸式的測量技術使得雷達水位計在測量時不受溫度梯度、水中污染物以及沉淀物的環境影響，可以獲取精確的測量結果。

雷達水位計實現了每秒約16次的獨立測量，在完成一個測量周期之后將通過計算獲得的平均值作為結果輸出，通過計算平均值將波動對測量結果的影響最小化，這樣的測量結果可以堪比靜水井中測的液位值。雷達水位計極低的能耗（測量狀態：12V時最大電流為12mA）、寬廣的供電范圍以及標準化的接口使得雷達水位計能適應多種需求，量程達0.8-35m。

雷達水位計的優點：一是雷達水位計的傳感器測量屬非接觸型測量，與水質無關，可以在不需要水位井，測量成果精度高；二是可以實現較長時間無人值守，減輕勞動強度，且不需要太多的日常維護；三是易安裝，通過發射到水面的雷達脈沖信號來進行測量的，因此他可以垂直安裝在水面之上，比如：橋或其他輔助建筑上，其堅固、輕質以及防水外殼使其安裝起來非常簡便，由于有通用連接設備（萬向懸掛架），因此探頭可以很簡便的對齊，甚至在不平整的地方也很方便；遠離水面的傳感器，使得安裝更為安全；無機械磨損，壽命長，測量成本低；四是測量過程對水流無影響，可連續在線采集數據進行信號傳輸。缺點：在封凍期需要破冰測量。

二、應用分析

（一）資料選取

在比測過程時，按高、中、低水位級分三個測段分別進行，每段比測取得一個月以上連續完整的比測數據。其中高水位選用8月17日至9月17日、中水位選用7月1日至7月30日、低水位選用3月1日至3月31日，摘錄每日早8時水位同步觀測（資料見附表1），水位比測數據共94個。

（二）數據分析

1.套繪水位過程線分析

以時間為橫坐標，水位為主縱坐標，套繪自記水位計和人工觀測水位過程線，由套繪的水位過程線對自記水位計與人工同步觀測的水位趨勢一致性進行分析。以人工觀測值為真值，計算自記水位計與人工觀測水位的絕對誤差，在同一張圖上，以絕對誤差作為次縱坐標軸繪制絕對誤差柱狀圖（如圖1所示），分析絕對誤差與水位變化過程的關系。由以上的水位對比圖可以看出，樂都站雷達和人工同步觀測的高、中、低水位沒有明顯的偏離，趨勢一致。

圖1 樂都站人工水位與自記水位高水位過程線套繪及絕對誤差分析圖

2.水位的相關性分析

縱坐標以同一時刻雷達水位計的觀測水位，橫坐標為人工觀測水位建立相關分析圖(如圖2所示)，同時繪制一條y=x趨勢線。從圖2可以看出樂都站關系線的斜率為1.000，說明該站雷達水位和人工水位相關性較好。

圖2 水位相關性分析圖

3.瞬時誤差分析

比測分析采取摘錄每日8時的人工與自記水位數據，以人工觀測值為真值，絕對誤差不超過±2cm為合格，按高、中、低水位級分別進行合格率統計。（如表1所示）

表1 樂都站自記水位計絕對誤差統計表

表2 樂都站自記水位計系統誤差、綜合不確定度統計表

水位級樣本總數 ±2cm以內樣本數±2cm以外樣本數最大絕對誤差（cm） 合格率（%）

高 水（z≥ 1969.49m） 31 3 0 2 100

中 水（1969.49m＞z≥1969.17m）31 9 0 2 100

低 水（1969.17m＞z≥1968.34m）32 10 0 2 100

合計 94 22 0 2 100

4.系統誤差、綜合不確定度計算

水位級系統誤差綜合不確定度

統計分析值允許值（cm） 評價統計分析值允許值（cm） 評價

高 水（z≥ 1969.29m） -0.06 ±1合格 1.00 3 合格

中水（1969.29m＞z≥1968.58m） 0.26±1 合格 1.93 3 合格

低水（1969.58m＞z≥1969.48m） 0.16±1 合格 1.6 3 合格

（三）誤差來源分析

自記水位計監測和人工觀測水位時，由于觀測方法的不同及外部環境等一些影響因素，都可能帶來對水位觀測的誤差，這些誤差來源于各個方面。

（1）當采用人工觀測水尺時，水尺的零點高程測量的系統誤差、水尺刻畫的系統誤差和水尺觀讀的隨機誤差。

（2）觀測員在觀測水位時折光產生的誤差；比測時差引起的誤差。

（3）水面波浪引起的誤差。

（4）人工觀測水尺與自記水位計探頭不在同一起點距位置而引起的誤差。

（5）自記水位計初始水位值高程設置誤差。

三、結論與建議

儀器比測高、中、低水的合格率達到了100%。根據比測分析結果得出雷達自記水位計在樂都水文站能夠代替人工觀測，可正式使用。

在使用雷達水位計過程中，注意定期檢查設備，以保證設備的正常運行，保證資料質量高精度，增加對網頁以及服務器維護，及時對SIM卡繳費，以保證數據可以完整不間斷地上傳至服務器，當自記水位計出現故障不能正常使用時，及時恢復人工觀測，并修復自記設備。