基于開墾河水文站分析雷達水位計比測的可靠性分析

馬燕芝

（昌吉水文勘測局,新疆 昌吉 831100）

1 基本情況

開墾河水文站設于1956年10月,地理位置：東經89°51′、北緯43°36′,集水面積371 km2,河長34 km,測站高程1509 m,屬省級重要水文站和中央報汛站,發源于天山東段北坡,徑流的主要補給源為大氣降水、中低山帶的季節性積雪融水、地下水以及高山冰川融水。開墾河水文站為國家基本二類水文站,Z≤1505.12 m,Q≤3.00 m3/s時為低水。1505.13 m＜Z≤1505.70 m,3.00 m3/s＜Q≤50.0 m3/s時為中水。Z＞1505.70 m,Q＞50.0 m3/s時為高水。

2 雷達水位計可靠性比測

雷達水位計,也叫水位雷達,是利用電磁波探測目標的電子設備。其主要測量原理是從雷達水位傳感天線發射雷達脈沖,天線接收從水面反射回來的脈沖,記錄時間T,由于電磁波的傳播速度C是個常數,從而得出到水面的距離D。

開墾河（三）站雷達水位計架設在測驗河道右岸,雷達探頭安裝在支架伸出的臂桿上,位于起點距8.0 m,基本水尺斷面上游5.0 m處。使用的雷達水位計是德國SEBA PULS雷達水位計,是一種利用電磁波進行水位測量專業水文儀器,由于電磁波的傳播速度不受溫度、濕度、氣壓、雨雪和風沙等環境因素的影響,使得雷達水位計精度高、性能穩定、維護簡單等優勢。

2.1 比測時段

為保證開墾河站水位比測資料水位與時間變化的一致性,開墾河水文站雷達水位計2019年7月5日完成安裝調試使用；比測工作從2020年4月1日開始至9月30日結束,共收集比測數據382 組。

2.2 樣本數據

比測時段內,共收集到382 組水位比測數據,水位變幅從1504.87 m到1505.57 m,見表1（因篇幅有限,表1僅截取部分數據）。

表1 開墾河站雷達水位計與人工觀測比測數據

續表1

2020年實測最大洪峰流量僅為42.1 m3/s（7月13日）,對應水位為1505.62 m,平均水深為0.81 m。根據開墾河站流量級劃分標準,2020 年實測最大洪峰流量為中水,因此2020 年開墾河站沒有高水出現,本次比測水位數據僅有中水和低水水位。

根據采集的數據和水位（流量）級來看,比測數據共有382 組,其中：水位低于1505.12 m時為低水,屬于低水的數據有346 組,占總數據的90.58%,水位在1505.12 m~1505.70 m時為中水,屬于中水的數據有36 組,占總數據的9.42%。比測數據滿足《水位觀測規范》（GB/T 50138-2010）中“6.2.2比測時,可按水位變幅分幾個測段分別進行,每段比測次數在30次以上”的要求。

2.3 比測數據分析統計

根據《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）中附錄E.0.6采用自動監測設備監測水位時,其不確定度應按下列方法估算：

（1）系統不確定度應按下式計算：

式中：Pyi為自動監測水位；Pi為人工校測水位；N為校測次數。

（2）隨機確定度應按下式計算：

（3）綜合不確定度按下式計算：

按照開墾河（三）水文站水位級劃分依據,分別對搜集的比測數據進行低水、中水、高水排序分類,并對分組數據的系統不確定度、隨機不確定度、綜合不確定度進行計算,計算結果見表2。

表2 比測數據系統不確定度、隨機不確定度、綜合不確定度計算結果統計表

根據《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）6.2.3規定,一般水文站的置信水平95%的綜合不確定度為3 cm,系統誤差應為±1 cm。經計算開墾河（三）站雷達水位計比測數據系統不確定度為0.004581 cm、隨機不確定度為2 cm,綜合不確定度為2 cm,系統誤差0.02 cm,符合規范要求。

3 比測分析及誤差評定

3.1 過程線分析

根據同時段人工觀測水位數據與雷達水位計水位數據,點繪水位過程線,分析水位變化是否連續、水位峰形是否一致、有無陡漲陡落現象。

經分析,4月~9月期間兩組水位數據變化連續、水位過程線峰形一致、無陡漲陡落現象,漲落變化趨勢完全一致,水位過程線見圖1。

圖1 制材站雷達水位計與人工觀測水位過程線圖

3.2 誤差分析

從382 組水位比測數據中可以看出,低水比測數據中誤差等于±3 cm次數為13 次,誤差等于±2 cm次數為64 次,誤差等于±1 cm次數為131 次,誤差等于0 cm次數為138次；中水比測數據中誤差等于±3 cm次數為3 次,誤差等于±2 cm次數為6 次,誤差等于±1 cm次數為18 次,誤差等于0 cm次數為9 次；低水和中水的最大誤差均為3 cm,但是低水、中水誤差等于±3 cm的數據權重分別為3.4%和0.79%,占比相對較少,證明雷達水位計自記數據是較為可靠的。

3.3 相關分析

采用人工觀測基本水尺的382 個水位數據與雷達水位計同步采集的382 個水位數據進行對比分析,建立兩組數據的相關關系,進行線性分析。

從雷達水位計與人工觀測水位的相關關系圖可知,水位數據分布均較密集成一帶狀,線性函數R值為0.9926,見圖2,說明開墾河（三）站雷達水位計的自記水位與人工觀測水位相關性非常好,雷達水位計自記水位是合理可靠的。

圖2 開墾河（三）站雷達水位計與人工觀測水位相關關系圖

4 結論

通過對比測數據進行分析統計,以及過程線分析、誤差分析和相關分析可知,4月1日至9月30日期間兩組水位數據變化連續、水位過程線峰形一致、無陡漲陡落現象,漲落變化趨勢完全一致；雷達水位計自記水位數據的誤差相對較小,是合理可靠的；相關分析中線性函數的R值為0.9926,R值最高,誤差最小,雷達水位計自記水位數據與人工觀測水位數據相關顯著性較高；經計算開墾河（三）站雷達水位計比測數據系統不確定度為0.004581 cm、隨機不確定度為2 cm,綜合不確定度為2 cm,符合《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）中6.2.3的規定要求。

從本次比測結果分析來看,SEBA PULS雷達水位計在設備工作正常的情況下,觀測精度可滿足規范要求。開墾河（三）站可采用雷達水位計替代人工觀測水位。