雷达记录水位与人工观测水位比测分析

寇 力

（阿勒泰水文勘测局，新疆 阿勒泰 836500）

1 流域及测站概况

位于新疆阿勒泰地区的乌伦古河流域主要由发源于阿勒泰山东南段的大青格里河、查干郭勒河等以及发源于阿尔泰山北段的布尔津河汇聚而成，最终汇入乌伦古湖，乌伦古湖是新疆维吾尔自治区境内第二大淡水湖。流域远离海洋，地处欧亚大陆腹地，周围高山环绕，既阻挡了水汽的进入，又通过拦截水汽，使流域成为天然产流区，径流出山口以下散失。流域冬季结冰封冻长达半年之久，流域内冻土层以下地下水进行流域水量补给，夏季到来气温上升，积雪消融汇入河槽，引发春汛。塔克什肯水文站位于青河县塔克什肯镇乌伦古河流域布尔津河水系，该水文站于1987 年以国际河流国家基本水文测站、中央报汛站的标准设立，主要进行流域水位、蒸发、流量、降水、水质等要素的日常观测，其观测数据资料是进行乌伦古河流域水文水资源特征评价及水文演变规律研究的基本依据。塔克什肯水文站水位～流量关系曲线变化形式单一，断面控制良好，河道顺直。

2 测验设施及比测资料

2.1 测验设施及方法

水准点的设置是进行水位观测的基本要求，结合流域特征，塔克什肯水文站共设置2 个基本水准点，能满足不同水位观测之所需，主要配备有直立式基本水准尺、水文双轨缆车、起点距标志、LS251 型流速仪、水准仪、浮标、秒表，并于2014 年在水文站基本断面右岸设置了雷达水位计。雷达水位计为一体式测量用具，无需触碰，通过脉冲技术原理伸入表层水位便可测得相应的水位数据，还能克服水温变化影响，通过前方设置的天线完成水位观测数据的接收和反馈，确保水位观测工作顺利进行。

塔克什肯水文站汛期水位测量采用直立式基本水准尺分4 段进行观测，汛期水位变化剧烈的情况下，为保证各次峰谷及完整的水位变化过程均能得到测量，应采用多段制测量模式并增加测次，扩大测量区域，缩短测量时间，从而进行水位变化更具体的显示。水位变化是相对的，水位测量的结果也只是特定时间段情况的反映，为确保观测结果的准确性，必须因地制宜，根据气候状况、区域环境等选择合适的测量方法[1]。

2.2 水位数据资料

选取塔克什肯水文站2017 年12 月12 日～2018 年11 月30 日雷达水位计和人工同步观测的780 组水位数据资料进行比测分析，其中有效数据为752 组，有效率达96.41%，包含高水位、中水位和低水位。

2.3 雷达记录水位与人工观测水位相关性分析

根据塔克什肯水文站水文数据资料绘制雷达水位观测值与人工水位观测值相关关系曲线，具体见图1，R2=0.9880，雷达观测水位与人工观测水位相关性较高，雷达水位观测值具有较高精度，也就是说塔克什肯水文站雷达水位观测资料能代替人工观测作为正式水文资料使用，确保工作效率的提高。水文站雷达观测水位与人工观测水位数据样本容量及符号检验结果也都符合《水文资料整编规范》（SL 247-2012），说明雷达水位监测技术和人工水位观测技术对于水文站水位检测同样适用，两种方法配合使用效果更佳。

图1 雷达记录水位与人工观测水位关系曲线

3 雷达记录水位误差分析

3.1 水位级别划分

按照《水文资料整编规范》（SL 247-2012）所规定的河流流量检测级别划分依据，以年内瞬间最高水位频率为依据，流量频率达10%的阶段对应高水位；以年内瞬间最低水位频率为依据，流量频率达90%对应低水位；以每年瞬间平均水位频率为依据，流量频率50%对应中水位[2]。据此进行乌伦古河流域塔克什肯水文站水位级别划分，见表1。

表1 塔克什肯水文站水位级别划分

雷达水位计水位与人工观测水位对比情况见图2。

图2 雷达水位计水位与人工观测水位对比

由表1 塔克什肯水文站水位级别划分以及雷达水位计水位与人工观测水位对比图可以得出观测期内乌伦古河流域所处的水位级别。此外，塔克什肯水文站雷达水位观测与人工同步水位观测结果接近且无明显偏离，符合《水位观测标准》（GB/T 50138-2010）的要求。

3.2 雷达水位计误差分析

由于观测人员视力等主观原因以及天气状况、标识设置、遮光因素、波浪壅水、观测时间、读数错误等客观原因，人工观测水位必然存在误差，所以，实际水文测量过程中，大多会选择雷达水位观测技术，以减少人工观测可能出现的误差。但雷达水位观测结果也受诸多因素影响。雷达水位计观测会受到不定期水位计等设备检修而造成读数误差甚至错误。此外，由于部分流域缺乏置办雷达水位观测设备的资金和维护管理技术人员，导致雷达水位观测技术目前难以在这些流域推广使用。雷达水位观测设备往往只能观测而不能计算，所以，只能作为人工水位观测的辅助与补充，而无法完全取代。

按照《水位观测标准》（GB/T 50138-2010）相关规定，使用雷达水位计进行水位自动监测时，测量误差及不确定度应按照以下步骤进行估算：

（1）计算系统不确定度Xy"

式中：Pyi为雷达水位计自动观测水位，m；Pi为人工观测水位，m；N 为观测次数。

（2）计算随机不确定度Xy'

（3）计算综合不确定度XZ

表2 塔克什肯测站雷达水位计水位观测不确定度

根据乌伦古河流域塔克什肯水文观测资料，塔克什肯测站雷达水位计水位观测的系统不确定度、随机不确定度、综合不确定度等计算结果见表2。

根据上表结果可以看出，在无波浪、一般波浪、大波浪等水位级次下，塔克什肯水文站雷达水位计水位观测结果的系统不确定度、随机不确定度及综合不确定度等数据精度均能达到《水位观测标准》（GB/T 50138-2010）的要求，表明其水位观测结果误差在可接受范围，雷达水位观测资料完全可以作为正式资料对人工水位观测结果起到辅助与补充作用，并可直接用于塔克什肯水文站水文资料的整编。

为防止雷达水位计雷达探头出现故障而导致水位监测资料无效或丢失，应在畅流期每日上午8 时整进行人工水位观测，将观测结果与雷达观测数据进行比较并用人工观测水位进行雷达观测水位的校核，若发现的确是雷达水位计存在故障，则应采用人工观测水位法，直至雷达水位计水位观测精度恢复。此外，还应加强对雷达水位计的日常养护，每天进行塔克什肯水文站雷达水位计运行及水位监测情况的检查，确保测流系统稳定运行。

4 结语

通过本文的分析可知，雷达水位观测技术及观测结果能成为人工观测的必要补充，甚至随着雷达水位观测技术的发展，有逐渐取代人工观测的趋势。虽然当前不同流域、不同气候条件及地理环境下所采用的水位观测技术有所不同，但从安全性和效率性等角度考虑，雷达水位观测技术的应用必将取代人工观测，这也对雷达观测技术本身的适用性和精确性提出了更高要求。