OTTRLS 雷达水位计在山区性河流中的应用探讨

杨世维

（云南省水文水资源局保山分局，云南 保山 678000）

0 引言

水位是水文最基础的观测项目，水位观测能够直接为水利、水运、防洪、防涝提供具有单独使用价值的资料。随着水利水文自动化进程的发展和系统建设，社会对水文数据在时效性、稳定性、真实性、可靠性方面提出更高要求。传统的浮子式或压力式水位计因受地质、地形和人类活动影响造成施工困难甚至无法施工的现象，严重制约了水文现代化的发展，必须选择新型自动化的水位观测设备进行水位观测。

瓦窑河为澜沧江右岸一级支流，发源于大理州云龙县顾东坪，全长为 47 km，落差为 2 044 m，河道平均坡度为 5.8%[1]，属峡谷水流湍急地区。瓦窑水文站设于瓦窑河由大理州流入保山市控制断面处，为州市界河断面水量监测点。测验河段情况如下：1）瓦窑水文站测验河段顺直，水面宽为 9～20 m，河床为砂卵石，右岸为沙土，左岸为沙壤、陡坡且垂直高差大。2）上游 25 m 处有单孔混凝土板面桥1 座， 100 m 处有云龙电站尾水汇入。3）下游 75 m处有一弯道、急滩，弯道为本站中高水断面控制；175 m 左岸有一支流汇入，对断面不会发生洪水顶托；235 m 左岸建有瓦窑中和电站引水渠。

根据保山市州市界河水量监测体系建设项目实施方案的要求，雷达技术在水文测验上的应用已有10 余 a 的历史[2]，但普通雷达水位计无法满足峡谷水流湍急地区水位监测要求，需选择专业级水文雷达水位计。在优化布设方案后，最终选定具有波动补偿水位测量功能的 OTTRLS 雷达水位计用于瓦窑水文站的水位观测。为保证瓦窑水文站水位资料观测精度及资料序列的一致性，在雷达水位计正式投入使用前，须与人工观测数值进行同步比对观测。

1 OTTRLS 雷达水位计简介

OTTRLS 雷达水位计采用脉冲雷达技术对水位进行测量，这种节能、非接触式测量技术使得水位计在测量时具有以下优点：不受温度梯度、水面漂浮物、水中污染物及沉淀物的影响；自带波动补偿[3]，可消除风力及桥梁震动引起的测量误差，从而获取精准的测量结果。

1.1 测量原理

OTTRLS 雷达水位计主要由支架（悬臂梁等）、雷达水位传感器、避雷模块、电源模块、通信模块、YDH-1M 型现场数据采集存储终端、远程中心站等组成。OTTRLS 雷达水位计支架安装于左岸监测房屋顶，采用悬臂型平台结构，安装时水位计处于低水位运行，且安装垂直，波束角范围内无遮挡。

OTTRLS 雷达水位计有发射和接收 2 个平滑天线，测量时发射天线发射脉冲雷达信号到水面，脉冲信号经水面反射后被接收天线检测到。从发射到接受水面反射回来的脉冲信号时间（延迟时间）取决于水位计与水面的距离。水位计具备波动补偿功能，从而实现在采集区域表面上每秒约有 16 个发射天线及相对应的接收天线共同完成单次的独立测量，使用具有高速数据处理和运算能力的 DSP[4]芯片作为主 CPU，配合大规模可编程数字化逻辑芯片FPGA[5]使用，极大减少由增益非线性产生的测量误差，提高水位计的动态响应速度和瞬时运算解析能力。20 s 内完成 1 个测量周期后，通过计算将已测水面区域波浪的波峰和波谷获得的平均值作为结果输出，从而将水面波动及风力引起的支架震动对测量结果的影响最小化，测量结果可以堪比静水井中测得的水位值。

1.2 技术指标

OTTRLS 雷达水位计主要技术指标如下：1）测量范围为 0.8～35.0 m；2）测量精度为 ± 3 mm；3）测量频率为 24 GHZ；4）测量时长为 20 s（SDI-12 总线接口）或 30 s（4～20 mA 电流信号输出接口）；5）天线波束角为 12°（宽波）；6）供电范围为 12～24 VDC（典型）[6]。

1.3 适用范围

OTTRLS 雷达水位计适用范围如下：

1）含有少量在水体中运动的漂浮物和沉积物为泥沙的沟渠；

2）生长有大量水草的场所；

3）一些只能使用替代能源供电的偏僻场所；

4）灌溉渠道（水位计配合雷达波测速传感器可生成断面流量）；

5）峡谷水流湍急及山洪多发的地区[7]。

2 OTTRLS 雷达水位计对比观测

2.1 比测目的

通过比测分析，为 OTTRLS 雷达水位计在瓦窑水文站的应用提供相关依据，使 OTTRLS 雷达水位计成为瓦窑水文站水位观测的主要设备，缩短测报历时，实现水位观测的自动化、数字化、智能化，进一步提高工作效率，提高水位观测资料的精度和可靠性。

2.2 比测资料收集

OTTRLS 雷达水位计在瓦窑水文站基本水尺断面安装试运行后，数据采集存储传输正常。OTTRLS雷达水位计参数设置为每 5 min 采集 1 次水位：水位变幅速率超过设定阈值后，立即存储于瓦窑水文站水雨一体遥测终端 RTU 中，并及时上报至相关水情平台；如水位无变化，则每小时报送 1 组时段内相关数据至水情平台。对 2017 年 5 月 1 日至 12 月31 日期间内 OTTRLS 雷达水位计遥测数据与同期人工水尺观测的水位数值进行同步比对，比对期间OTTRLS 雷达水位计经历了全年低、中、高水数据采集，YDH-1M 型现场数据采集存储终端共采集70 560 组数据，摘录 OTTRLS 雷达水位计遥测与人工水尺同步观测对比数据共计 492 组。比测期间记录的最高水位为 1 698.43 m，最低水位为 1 696.84 m，雷达探头至水面距离在 8.12～9.71 m 间变化，传感器光束照射采样水面区域为圆形，采样直径在 1.70～2.09 m 间变化；比测期间水位变幅为 1.59 m，水面起伏度非汛期在 0～1 级变化，汛期在 2～3 级变化。OTTRLS 雷达水位计雷达波束全年工作正常，并能采集 2017 年内最高、最低水位，因此水位比测变幅、次数、时限统计均满足 GB/T 15966—2007《水文仪器基本参数及通用技术条件》有关规定，即新仪器投产前必须经过 1 个汛期或在汛期内 3 个月的现场试用考核试验[8]。

2.3 比测结果分析

从 492 组数据分析可以得出：OTTRLS 雷达水位计遥测与人工观测的水位最大误差为 5 cm，其中差值大于 3 cm 的有 3 次，差值大于 2 cm 的有 18 次，差值在 ±2 cm 内的有 70 次，差值在 ±1 cm 内的有238 次，差值为 0 cm 的有 163 次，出现概率依次为0.6%，3.7%，14.2%，48.4%，33.1%[9]。不确定度和误差计算有以下 2 种方法：

1）按照《导则》的 B 类不确定度标准进行计算。《导则》规定，置信度为 95%，综合不确定度U0.95是统计值标准差S的 2 倍[10]，S和系统误差μ采用以下公式计算：

式中：xi为各测次雷达水位读数；x为单次人工观测水位值；x为各测次人工观测水位平均值；n为观测次数。

根据瓦窑水文站比测数据，计算得到：S=0.012 4 m，U0.95= 0.024 8 m，μ= 0.069 cm。

2）根据《水文测验实用手册》，采用仪器观测对比试验进行误差估算[11]。具体公式如下：

式中：μ为雷达自记水位计测量的系统误差；E′′z为雷达自记水位计测量系统不确定度；Zy i为雷达自记水位计测量的水位；Zi为人工观测水位；Sz为雷达自记水位计测量标准差；E′z为雷达自记水位计测量的随机不确定度；Ez为雷达自记水位计测量的综合不确定度。

根据瓦窑水文站比测数据，采用《水文测验实用手册》误差计算公式进行误差估算得到：水位计测量系统误差为 0.069 cm，测量标准差为 1.23 cm，系统不确定度为 0.14 cm，随机不确定度为 2.46 cm，置信水平 95% 的综合不确定度为 2.47 cm。GB/T 50138—2010《水位观测标准》规定：一般水位站，置信水平 95% 的综合不确定度为 3 cm，系统误差应为 ±1 cm[12]，从计算结果看，瓦窑水文站 2017 年雷达水位计所采集的 492 组与人工观测的对比水位数据资料达到水位观测精度要求。

2.4 比测结果评定

根据分析，雷达水位计比测误差来源主要有：

1）河流特性及外部环境引起河道水位陡涨陡落，引起断面河势突变造成的仪器测量误差，是其本身固有误差和受环境影响后产生附加误差的综合反映。

2）雷达水位计水位采集精度与人工观测水尺板刻度分辨力不一致导致的误差，雷达水位计分辨力及测量精度属毫米级，而水尺板分辨力属厘米级。

3）在数据处理时有效位数取舍产生的误差。

4）2 种观测方法观测时间不同步，且人工观测时间过短产生的误差，主要是由雷达水位计和观测人员对水面起伏度、稳定性、涨幅大小及各种物量变化感知度反应时间不一致引起的误差。

5）委托观测人员水文职业道德及专业能力的高低导致的测记误差。

6）观测人员的视差，以及错读错记、操作不当和其他事故造成的偶然误差，一般通过训练，提高观测人员的操作水平和责任心，可减少至忽略不计。

经过对比分析，瓦窑水文站 2017 年雷达水位计所采集的 492 组水位数据与人工观测资料，通过 ISO《导则》的 B 类不确定度标准和《水文测验实用手册》，采用仪器观测对比试验误差估算进行分析，2 种计算结果极为相近，证明具有较好的关联性，后者分析内容多，计算精度更高，因此最终误差分析结果以《水文测验实用手册》采用仪器观测对比试验误差估算为评定依据。计算分析结果达到水位观测标准精度并满足规范要求，比测结果合格，充分证明雷达水位计替代人工水尺进行水位观测是可行的。

3 OTTRLS 雷达水位计适用性评价

OTTRLS 雷达水位计是一种非接触式精密水位测量仪器，仪器的投入使用，使水文测验从传统全时段人工观测模式向现代化水文数字模式过渡转型，提高了工作效率，主要体现在：

1）安装简捷，在确保全年能记录最高、最低水位变幅，雷达波发射区域附着在水面上并且在不脱流的安装条件下，只需将水位计固定在桥梁或其他辅助建筑物上，使其垂直于水面，不需要建立传统测井，利用现代通信技术即可完成水位数据远程传输。

2）采集的数据采用相关软件分析处理后即可进行整编，输出符合《水文测验规范》的整编成果，整编精度进一步提升且规范、高效。

3）OTTRLS 雷达水位计投入使用后，在软件数据平台可直接远程操控遥测终端进行各参数的查验、修正及召测，在一定程度上节约支出。

4 OTTRLS 雷达水位计日常维护

OTTRLS 雷达水位计在瓦窑水文站已运行 5 a，运行稳定及性能较好。只要做到以下维护，仪器可以保持正常运行状态：

1）定期检查支架的稳定性，相关除锈，以及水位计发射、接收天线面板的清洁工作。

2）保持太阳能板板面清洁，定期检查蓄电池电压状态，确保蓄电池电压正常。电压损耗与 RTU 参数设置及水位变幅（跟踪涨幅速率）有关，水位设定采集阈值越小，数据采集频率和存储速率越快，电压损耗越大。根据全年水位变幅速率及时优化调整水位设定采集阈值，确保供电电压稳定输出。

3）检查仪器工作指示灯显示状态及接线是否稳固牢靠，如发现松动、脱落应实时修复。不定期对RTU 设置参数进行检查，发现参数发生变动应及时恢复原有设置。定期对数据存储卡进行检测，发现损坏应及时更换。

4）DTU 发生故障，应在第一时间内进行故障原因分析及判断，发现损坏应及时更换。

5）确保雷达水位雨量一体遥测终端数据采集、服务器软件接收数据的时间与网络时间同步。

6）应定期检查雷达传感器测量表面是否有鸟类、昆虫结网或赃物遮挡雷达波发射与接收，以免影响工作。按时间间隔 5 min 采集由于电磁干扰产生的水位数据异常或突跳数值，参照《误差分析与数据处理》测量误差分布及其检验、随机误差及其特征量估计、系统误差处理、测量列中异常数据的剔除[13]方法进行处理，在资料整编时给予校核[14]。

7）如检修仪器须断电，应避开时间整点；检修时长超过 5 min 时，根据水位变幅结合相关标准规范须采用人工加密观测，以防止水位数据产生突跳，确保水位过程线的真实性、完整性。

8）注意定期对雷达水位计进行人工水位校准。

9）加强对专业人才的培养和雷达水位计维护队伍的建设，使水文自动遥测系统运管、升级改造得到强有力的技术支撑。

5 结语

在瓦窑水文站对 OTTRLS 雷达水位计遥测数据与人工观测数据进行同步比测后，数据经误差分析评定，可以得出 OTTRLS 雷达水位计测量误差及精度均符合 GB/T 50138—2010《水位观测标准》要求，现已用于资料整编。OTTRLS 雷达水位计及遥测终端安装运行到现在没有出现任何数据采集故障，水位计雷达波束全年工作正常，并能采集年内最高、最低水位。

OTTRLS 雷达水位计适合在不方便或无法安装浮子式、压力式水位计的河道上使用，还适用于山区性河道，具有水位跟踪能力较强，维护简便，后期维护成本相对较低，测量准确，分辨力高，传输速率快等优点。

OTTRLS 雷达水位计的投入使用，为建立巡测区域网格化以巡测为主，委托观测、应急监测、洪水调查为补充的水位监测与管理的新模式提供了依据，为水文站早日实现“有人看管、无人值守”的运管模式创造了有利条件。

由于此次比测年份属平水年，水位变幅不大，不能充分检验 OTTRLS 雷达水位计对条件的适应性。如遇超标准洪水引起断面河势突变导致水位上涨，需采集更多的数据资料进一步验证 OTTRLS 雷达水位计的各项性能指标并加以考证和完善。