恰甫（電站渠）站YSCADA-1雷達水位計自記水位與人工觀讀水位的比測實驗分析

鄭 杰

（伊犁水文勘測局,新疆 伊寧 835800）

1 測站概況

1.1 測站基本情況

恰甫河水文站始建于1956年10月,是恰甫河水量控制站,國家基本報訊站,該站設有恰甫（五）站和恰甫（電站渠）站兩個斷面,斷面上游500 m 處建有一小型水電站。2020年6月在電站渠原斷面下游80 m 處設立新斷面,新、舊斷面之間無外水加入和內水分出。

1.2 測站特性

恰甫河為山區(qū)性河流,4月～5月洪水來源主要為融雪性洪水,每日一峰,洪水以單峰型出現(xiàn),6月～7月為暴雨洪水和混合型洪水,主峰雨停止至洪峰到達斷面約為15 h,洪峰持續(xù)時間2 h～3 h,沙峰持續(xù)時間1 h,較大洪水一般持續(xù)時間2 d～3 d,受上游人工調閘影響,測站特性已發(fā)生變化,水流有陡漲陡落現(xiàn)象。恰甫（五）站、恰甫（電站渠）站測驗斷面控制良好,歷年水位-流量關系均為單一線。

1.3 測驗渠段及斷面情況

恰甫（電站渠）為人工混凝土梯形渠道,渠口位于原基本水尺斷面（兼流速儀測流斷面）上游400 m 處,測驗渠段順直長度350 m,斷面穩(wěn)定,水流集中。

1.4 水位設施的設立情況

恰甫（電站渠）新斷面處設有一鋼架橋,橋面起點距4.00 m 處設有懸錘式水尺,2020年6月1日至2021年4月30日采用懸錘式水尺觀測水位,2021年4月30日開始在起點距8.5 m 處設直立式搪瓷水尺觀測水位,斷面左岸安置有YSCADA-1 型非接觸式雷達水位計,直立式水尺與自記水位計在同一斷面線,斷面水流不受其它因素影響。

2 比測基本情況

2.1 比測方法

一人在測驗斷面觀讀記錄基本水尺水位,同時間另一人記錄YSCADA-1 型非接觸式雷達水位計記錄傳輸?shù)乃?比測分為高水、中水、低水三個水位級,每一級比測記錄30 次水位,比測時應記錄分力、分向及水面起幅度[2]。

2.2 比測要求：

《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）6.2 對自記水位計的比測作如下要求：

1）新安裝的自記水位計或改變儀器類型時應進行比測,比測合格后,方可使用。

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(shù)應在30 次以上。

3）置信水平95%的綜合不確定度應為3 cm,系統(tǒng)誤差應為±1%。

4）校核水尺水位的不確定度應控制在1 cm 以內。

3 水位測驗設備及觀測情況

3.1 YSCAD-1 型雷達水位計安裝情況

恰甫（電站渠）站非接觸式雷達水位計安裝在新基本水尺斷面左岸,國產485 探頭,探頭位置在基本水尺斷面起點距8.3 m 處,探頭高出渠頂4.85 m,探頭延伸臂為一直徑5 cm,長6 m 的鋼管,橫擔為直徑5 cm 鋼管,水位計立柱為直徑20 cm鋼管,立柱基礎為一長1.90 m、寬1.50 m、高（地面以下）0.80 m 混凝土,混凝土與立柱用法蘭盤螺絲聯(lián)接。

3.2 人工觀讀水位設備：

人工觀讀水位設備為水文專用搪瓷直立水尺,水尺長度3 m,采用水文四等測量方法測定其零點高程[2]。

為了盡可能避免人工觀測水位產生的觀讀誤差,嚴格執(zhí)行《水位觀測標準》（GB/T50138-2010 6.2）要求：

小麥逆境包括兩類：一是生物逆境，即影響其生長發(fā)育的植物本身的災害，主要包括病害、蟲害和雜草。二是非生物逆境，即不是植物本身造成的，而是外部環(huán)境所造成的，主要包括天氣因素、化學因素和生理因素。化學因素主要包括使用除草劑、化肥過量帶來的副作用和對大氣、水體、土壤等造成的污染危害。生理因素主要是溫度和水分。其中溫度分為低溫（冷害和凍害）、高溫熱害，水分則分為漬澇和干旱（土壤、大氣和生理干旱）[1]。

1）觀讀員觀測水位時,身體應蹲下,使視線盡量與水面平行,避免產生折光現(xiàn)象 。

2）有波浪時,可利用水面的暫時平靜進行觀讀或者讀取峰頂、谷底水位取其平均值,波浪較大時,可先套好靜水箱再進行觀讀。

3）當水尺水位受阻水影響時,應盡可能先排除阻水因素,再進行觀讀。

4）隨時校對觀測的時鐘。

5）采取多次觀讀,取平均值。

4 水位（流量）級劃分

恰甫（電站渠）站原斷面2008年設立,新斷面2020年6月設立,由于新斷面水位資料系列較短沒有代表性,且新、舊斷面之間無外水加入和內水分出,因此,取用原斷面2008年～2020年資料。

水位受上游水利工程影響,結合測站實際,水位級劃分采用典型年法,按各年汛期總水量計算流量頻率[3],用相應流量級對應相應水位級。水位級劃分見表1。

表1 恰甫（電站渠）站新斷面水位頻率劃分表

5 資料選取

5.1 自記水位與人工觀讀水位情況

比測分高、中、低水三個段次進行,比測時間、比測水位范圍及水位級如下：

2021年4月30日17∶00～19∶54 高水段（992.11 m～991.64 m）。

2021年6月19日07∶12～10∶06 中水段（991.56 m～991.34 m）。

2021年6月29日16:00～20:06 低水段（990.78 m～990.42 m）。

每段次人工讀記30 次水位,同時間記錄自記水位,比測期間最大風力風向4SE0。

5.2 人工觀讀水位綜合不確定度

為檢驗人工觀讀水尺讀數(shù)的精度是否滿足規(guī)范要求,應在5 min～20 min 內觀讀30 次水位,計算水位綜合不確定度[4]。

由于高水段水位波幅較大,因此,人工觀讀水位產生的誤差也較大,假設高水段水位綜合不確定度符合要求,那么,中、低水,水位綜合不確定度則會更小,如果高水段水位綜合不確定度超過規(guī)范要求,則再計算中、低水位綜合不確定度。

6 比測分析

6.1 相關性分析

將高、中、低水位級三個段次的90 次人工觀讀數(shù)據與自記水位數(shù)據進行統(tǒng)計（見表2）并進行相關性分析（見圖1）。

圖1 恰甫（電站渠）站校核水位-自記水位（高、中、低）關系圖

表2 恰甫（電站渠）站新斷面高、中、低人工-自記水位數(shù)據統(tǒng)計表

續(xù)表2

通過高、中、低綜合水位相關性分析,相關系數(shù)為0.9999,擬合度為1,說明人工觀讀水位與自記水位相關性很好,擬合度很高。

6.2 偏差分析與系統(tǒng)誤差分析

以人工觀讀的水位為標準,分別計算高、中、低水位級人工觀讀水位數(shù)據與自記水位數(shù)據的最大偏差、系統(tǒng)誤差（見表3）。

表3 高、中、低水位級人工-自記水位最大偏差、系統(tǒng)誤差計算表

續(xù)表3

通過分析計算,高、中、低三個段次水位級,同一時間校核水位與自記水位最大偏差高、中、低水分別為2 cm、1 cm、1 cm,系統(tǒng)誤差分別為0.003%、0、0 小于《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）7.1.5 中“自記水位值與校核值之差不超過±2cm 和《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010） 6.2.3 中“系統(tǒng)誤差±1%”的規(guī)定。

6.3 不確定度計算

選取高水段人工觀讀水尺讀數(shù),計算水位綜合不確定度（見表4）。

表4 恰甫（電站渠）站新斷面基本水尺不確定度計算表2021年04月30日

通過計算,高水水位綜合不確定度為0.95 cm、小于1.0 cm。

7 結論

通過對恰甫（電站渠）站高、中、低水位級人工觀讀水位與自記水位資料的相關性分析、最大偏差、系統(tǒng)誤差、校核水位不確定度的統(tǒng)計分析,二者相關性很好,高度擬合,最大偏差、系統(tǒng)誤差、水位不確定度等指標符合《水位觀測標準》規(guī)定。

恰甫（電站渠）站雷達水位記數(shù)據穩(wěn)定,水位計受風力、溫度、濕度影響較小,未出現(xiàn)水位異常現(xiàn)象,YSCADA-1 型非接觸式雷達水位計自記水位可以做為正式資料使用。