凤州水文站雷达水位计采集水位与人工观测水位对比分析

石牡丽，李培侠，王建宏

（陕西省宝鸡水文水资源勘测局，陕西 宝鸡 721006）

嘉陵江发源于宝鸡市凤县西北东峪沟凉水泉，省内干流全长243.8 km，其中宝鸡市102 km，流域面积9930 km2，其中宝鸡市2472.4 km2。凤州水文站位于流域上游，其上主要支流有场房沟、黄牛沟、三岔河、红花沟。省内流域主要为土石山区和黄土阶地区，森林植被覆盖率低，水土流失严重。流域属暖温带山地气候，年平均气温11.4℃，降雨量主要集中在7月～9月。本站多年平均年降雨量654 mm，多年平均径流量1.481亿m3。建站以来实测最大流量992 m3/s，发生于1990年7月6日。调查最大流量1640 m3/s，发生于1981年8月21日，实测最大含沙量65.0 kg/m3。本站建有雷达水位计1套，警戒流量300 m3/s、保证流量为1000 m3/s。本站通过长期连续地监测流域内基本水文数据，不断探索流域水流沙特性和规律，为当地防汛抗旱、水资源合理开发利用提供科学、准确的决策依据。本文选用凤州站雷达水位计采集的数据和同期人工观测水位数据，按水位分幅、分阶段分别进行比测分析。

1 测站概况

凤州水文站设立于1984年1月，位于凤县龙口镇龙口村，集水面积688 km2。本站为嘉陵江水系嘉陵江源头站，属省级重要水文站。测验项目有水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水质。管辖凤县、黄牛埔、河口、唐藏、红花铺、小五岭、南星7处雨量站，其中报汛站6处。设站目的是收集嘉陵江流域基本水文信息，为下游各级防汛部门及水资源开发利用提供服务。

2 观测仪器及原理

2.1 观测仪器

凤州水文站在基本水尺断面安装26 GHz脉冲型雷达水位计1台，配备接收终端和太阳能供电系统一套。采用GPRS互为主备的通信方式传输水文遥测信息，设备具有“一发四收”功能，将信息分别传到凤州水文站、宝鸡水情分中心、省水情中心和长江委水文局。此雷达水位计不受浑水、污泥、水生植物等因素的影响，安装简便、精度高、寿命长、免维护、测量时间内多次平均，实现消浪功能；安装于悬臂上，不需要建井，土建费用低，标配支架可方便调平，适合北方地区。

2.2 工作原理及参数

凤州水文站采用26GHz脉冲型雷达水位计。其工作原理为：雷达水位计发射脉冲信号，其脉冲信号以光速在空气中传播，遇到比测介质表面，其部分能量被反射回来，被同一天线接收；发射脉冲与接收脉冲的时间差与其传播距离成正比，进而确定传播距离，可以计算出水位，在保证测验精度的前提下，实现自动采集、传输、存储。26 GHz脉冲型雷达水位计主要技术指标见表1。

表1 26GHz脉冲型雷达水位计主要技术指标

3 资料分析

3.1 分析依据

根据《水位观测标准》（GB/T50138-2010）6.2自记水位计的比测中第6.2.1条规定：新安装的自记水位计或改变仪器类型时应进行比测。其比测综合不确定度、系统误差标准如下：

1）一般水位站，置信水平95%的综合不确定度应为3 cm，系统误差应为±1 cm。

2）机械钟、石英钟的走时日误差不超过±5 min。

根据规范E.0.6采用自动监测设备监测水位时，其系统误差及不确定度应按下列方法估算：

a.系统不确定度

式中：Pyi为自动监测水位；Pi为人工校测水位；N为校测次数。b.随机不确定度

c.综合不确定度

3.2 资料选用

根据《水位观测标准》(GB/T50138-2010) 6.2自记水位计的比测中第6.2.1条规定：比测可按水位分幅、分阶段分别进行，每阶段比测次数应在30次以上。

本次比测分析选用2017年6月、7月、8月该站雷达水位计采集的数据和同期人工观测水位数据。

根据2016年6月、7月、8月同步观测的水位观测数据，得出水位对比过程线，见图1、图2。

图1 凤州水文站平水期人工与自记水位过程对比图

图2 凤州水文站洪水期人工与自记水位过程对比图

4 计算分析与评定

根据水位观测标准（GB/T 50138-2010）,比测结果应符合置信水平95%的综合不确定度应为3 cm，系统误差应为±1 cm；波浪问题在本次分析数据均为石英钟观测计时，误差精度均在±0.5 min/日，满足规范对时差的要求。平水期、洪水期比测结果误差计算表见表1、表2（突出的近海地区水位站，综合不确定度可放宽至5 cm）。

表1 平水期比测结果误差计算表

表2 洪水期比测结果误差计算表

5 结论

结果表明：平水期综合不确定度0.0082 cm、系统误差-0.293 cm；洪水期综合不确定度0.07 cm、系统误差-0.11 cm符合置信水平95%的随机不确定度3 cm的要求，系统误差符合±1cm的限差要求。

从雷达水位计记录资料和人工观测水位数据的比测分析结果可以看出，该站雷达水位计观测精度符合水位观测规范的要求，该水位计在各种环境条件下工作状态稳定、可靠，可以替代人工观测的水位数据。在以后的工作中要加强对水位计的保养和维护，使之在水文现代化进程中发挥更大的作用。