雷達水位計監測數據在資料整編中的應用

時 青，孫萬義，封常周

（青島市水文局，山東 青島 266000）

近幾年雷達水位計已廣泛運用到青島地區各基層水文測站，在測站防汛測報方面發揮了積極的作用，但雷達水位計監測數據沒有運用在資料整編中，造成監測資源的極大浪費。

本文選擇青島市李村水文站、嶗山水庫水文站作為研究對象，進行監測數據與人工觀測水位數據比測，分析水位觀測誤差是否滿足規范要求；根據《水位觀測標準》及《水文資料整編規范》的相關要求，研究雷達水位計監測數據去偽存真的方式方法，將監測數據與整編數據庫相銜接，使雷達水位計監測數據運用到資料整編中，讓先進的儀器設備發揮應有的作用。

1 雷達水位計使用概況

青島市現有國家基本水文站13處、水位站2處，中小河流水文站19處、水位站6處。在40處水文站、水位站中，共有20處水文站、水位站安裝雷達水位計，其中國家站有5處水文站安裝使用雷達水位計，中小河流站有13處水文站、2處水位站安裝使用雷達水位計。雷達水位計具有占地少、不需土建工程、安裝簡單方便等特點，現廣泛應用于中小河流站。

2 資料比測分析

此次對比測采用李村站、嶗山水庫水文站2019年人工觀測與雷達水位資料進行分析。

2.1 資料比測分析

李村水文站雷達水位計比測對象為人工水尺觀測水位。因枯季河干，分析時間取2019年5月1日～9月1日，共收集155組數據。比測期間，最高水位9.15m，最低水位7.50m，水位變幅1.65m。誤差≤±0.02m的占比測數據總數的75.5%，誤差≥±0.05m的占比測數據總數的14.2%，最大誤差0.11m，±0.05m≤誤差≤±0.11m共出現22次，大多數情況出現在漲水段，見表1與圖 1、圖 2。

表1 李村水文站、嶗山水庫水文站雷達水位計比測成果表

圖1 李村站雷達水位與人工觀測水位過程線

圖2 李村站2019年5月測流雷達水位計比測成果圖

嶗山水庫水文站雷達水位計比測分析時間取2019年1月25日～10月1日，共245組數據。比測期間，最高水位48.12m，最低水位44.02m，水位變幅為4.10m。誤差≤±0.02m的占比測數據總數的65.5%，誤差≥±0.05m的占比測數據總數的11.8%，最大誤差0.10m，出現在9月4日8時，±0.05m≤誤差≤±0.08m共出現29次，其中19次出現在2～4月份，見表1，圖3～4。

圖3 嶗山水庫雷達水位與人工觀測水位過程線

圖4 嶗山水庫2019年7-9月份雷達水位計比測成果圖

根據GB/T50138-2010《水位觀測標準》第6.2.3條規定：一般水位站置信水平95%的綜合不確定度為3cm，系統誤差應為1cm。

嶗山水庫水文站雷達水位計置信水平95%的綜合不確定度為5.3cm，系統誤差為1cm；李村水文站綜合不確定度為3.1cm，系統誤差為1.0cm，均不滿足規范要求。

2.2 誤差原因分析

1）設備自身因素。由于雷達波存在發散角，不適合用于坡度較緩、變幅較大的地方進行水位觀測；雷達水位計受風、降雨等影響造成較大的誤差，河道站洪水期間雷達水位計監測受雜草影響；太陽能直接給設備充電，電壓不穩，造成設備電流不穩定，會出現夜間或凌晨跳數嚴重的現象；數據采集終端設備故障率較高。

2）設備安裝條件因素。選擇雷達水位計安裝位置時，要保證雷達波全部覆蓋到水面，避免低水或河床淤積時雷達波覆蓋到河床或地面。但青島地區河流枯季常有河干出現，造成雷達波直接覆蓋或部分覆蓋到裸露的地面，造成安裝位置不符合要求；雷達水位計與基本水尺觀測不在同一地點，相距較遠。在青島地區大多因地制宜將雷達水位計安裝在橋上，與基本水尺不在同一地點，山溪性河流比降較大，不同地點水位差較大。

3）水位波動因素。洪水大多出現在主汛期，風雨交加，水位波動較大，易產生誤差。《水位觀測標準》中對水位波動引起的誤差可采用如下方法進行控制：可采用短時段內多次采樣的平均值作為水位值；對不支持短時段內多次采樣平均值的測站，可對水位過程進行適當平滑、濾波。

綜上所述，日常工作中應加強對水位設備的檢查與維護，減小誤差來源，確保雷達水位計運行穩定，對產生誤差的相關因素進行調整。

比測分析計算結果表明：李村水文站雷達水位計置信水平95%的綜合不確定度為3.1cm，系統誤差為1cm，符合測站實際，雖然綜合不確定度為3.1cm超出水位觀測標準規定的不確定度，但將雷達水位計水位數據經訂正處理后，可進行整編。

嶗山水庫水文站雷達水位計安裝位置與壩下基本斷面水尺相距20m，比測結果顯示，綜合不確定度為5.3cm，系統誤差為1cm；誤差≥±0.05m主要出現在2～4月份結冰期、大風期，可通過對雷達水位計水位數據進行適當平滑、濾波、訂正后再整編。

2.3 整編成果分析

按照《水文資料整編規范》（SL247-2012）、《水文觀測標準》（GB/T50138-2010）對李村站、嶗山水庫水文站的水位自動監測值進行平滑、摘錄處理，使用山東省水文資料整編軟件對人工觀測水位和雷達水位計水位數據進行計算后，對逐日平均水位表進行對照分析。

李村水文站的5～8月份（扣除河干）日平均水位相比均不超過±0.02m，月極值誤差不超過±0.01m，月極值發生時間基本一致，從整編成果看，李村水文站雷達水位數據可用于資料整編，成果可靠。

嶗山水庫水文站雷達水位計自2019年1月25日～10月1日去除4月份儀器出現故障，共正常使用227d，期間兩者日平均水位相比≤±0.02m的，共184d，占正常使用天數81.1%，誤差＞±0.02m 的比例為18.9%，見表3。

表2 嶗山水庫站雷達與人工水位數據整編成果對照表

日平均誤差最大±0.06m，出現2次，分別出現在3月4日、9月7日。日平均誤差±0.05m，出現3次，分別出現在2月28日、7月24日、8月14日。月平均誤差不超過±0.02m，月極值發生時間基本一致，從整編成果看，該站雷達水位數據經過訂正后可用于資料整編，成果較可靠。

目前，李村站、嶗山水庫水文站雷達水位計運行正常，故障較少，數據訂正處理后與人工觀測水位相差不大，符合水位觀測標準要求，可以用于資料整編。在使用過程中，應定時進行水位校核，注意設備下方一定范圍內不應有其他物體通過或滯留，發生故障應及時維修。

3 結語

此次項目研究結果分析表明李村、嶗山水庫水文站雷達水位計比測、校測結果良好，可以作為該站常規水位觀測設備。日常做好雷達水位計的校測工作，其監測數據經訂正、平滑、摘錄后，誤差滿足規范要求，雷達水位計數據可以用于資料整編、報汛及其它分析。

1）儀器設備出廠時應配有完整的安裝使用說明書，設備安裝調試時應嚴格按說明書要求做好，做到位，使儀器設備的安裝條件、安裝要素和使用邊界條件滿足出廠設定要求。

2）重視數據遙測終端機的質量，配置性能穩定、可靠性高、平均無故障工作時間長的設備，以保障數據傳輸的穩定性。

3）做好國家基本站、中小河流站水文站（水位站）雷達水位計的比測、校測工作，尤其要抓住洪水期及時進行設備調試、比對工作。

4）日常加強雷達水位計的維護保養，建立青島市水文設備設施監測系統，實時在線查看雷達水位計運行狀況。雷達水位計出現故障時，應及時維修。

5）建議整編程序中設置與雷達水位監測數據格式相匹配的入口，并可自行完成數據的精簡及平滑處理，使處理后的數據滿足整編要求。

6）加快推進青島市各類水位自動監測數據在整編中的推廣與應用，讓先進的儀器設備及監測數據發揮應有的作用。