阿勒泰地区雷达水位计的应用及比测分析

阿依登别克·木拉提别克

(新疆阿勒泰水文勘测局，新疆 阿勒泰 836599)

水位是水文测站重要的水位观测要素之一，其和流量、雨量观测一致，具有长期性和连续性观测的特点[1]。传统水位观测方式主要为人工观测以及浮子式水位计的方式，人工观测水位计优点受外界干扰较小，缺点在于人工水位观测误差分散剂不确定度高[2]。浮子式水位计的优点在于可实现自动水位观测，但缺点在于由于大都是机械式结构，受杂物干扰容易卡住浮子，从而影响水位计的正常观测[3]。近些年来，新型雷达水位计在新疆地区得到应用，其通过雷达波反射原理进行水位的测定，这种方式可实现水位自动、快速测定[4]。为保证雷达水位计观测数据的一致性和精确度，需要采用人工观测方式进行雷达水位计的比测分析，从而分析其雷达水位计的误差是否满足《水位观测标准》GBT59138-2010的要求[5]。雷达水位计的比测分析在国内一些水文测站中得到研究[6]，分析结果表明雷达水位计在低水位观测精度受外界干扰大，而在中高水监测基本能满足精度要求。为提高雷达水位计在群库勒水文站的应用效果，开展其雷达水位计应用和比测分析，研究成果对于雷达水位计在群库勒水文站使用范围具有重要参考意义。

1 水位观测误差统计方法

分别采用系统误差、随机不确定度以及标准差三个指标作为雷达水位计和人工水位观测比测试验的精度评价指标，各指标计算方程分别为：

(1)系统误差

ΔN=∑[(Csi-Csci)/Csi]/(n-2)

(1)

(2)标准差

(2)

(3)随机不确定度

(3)

(4)

2 雷达水位计比测分析

2.1 站点概况

新疆阿勒泰地区的群库勒水文站为是额尔齐斯河一级支流布尔津河干流主要控制站点，站点所在流域在阿尔泰山脉及准格尔盆地的的西南和北沿区域。群库勒水文站所在测验河段的总长度为200 m，属于宽浅型河槽，高水位时期河槽宽度可在80～120 m之间，河床及右岸由卵石、砂砾石组成，左岸为浆砌石护堤，冲淤变化一般较小，低枯水时。两岸的水草较多，及时清除后对水位测验无影响。下游30 m有四孔公路桥，低水位时左岸约有30 m的滩地。水文站采用的雷达水位计型号为WFX-40型，站点最高水位为675.07 m。

2.2 原始比测误差统计分析

选用群库勒水文站2018年6-8月水位比测数据，该时期为群库勒水文站的中高水位期，比测数据为282个，对不同时期的比测误差进行了统计分析，结果如表1所示。

表1 群库勒水文站比测试验误差统计结果

从分析结果可看出，群库勒水文站在中高水位时，比测水位误差在±4 cm的次数为16次，出现的机率为5.67%，水位比测误差在±3.5 cm的次数为25次，出现的机率为8.87%。比测误差在±3.0 cm的次数为34次出现的机率为12.06%，而水位比测误差在±2.5～±0.5 cm的次数分别在12～52次之间，出现机率介于4.26%～23.05%之间。中水位时比测系统误差可控制2 cm，综合不确定达到置信度95%的值为2.5 cm,高水位时比测系统误差可控制1.5 cm，综合不确定达到置信度95%的值为2.0 cm,随着水位的增加其比测系统误差和不确定度降低。按照《水位观测标准》GBT50138-2010的误差要求，WFX-40型雷达水位计在群库勒水文站中高水位应用时可满足精度要求。

2.3 不同时间下的比测误差统计分析

对群库勒水文站早上、晚间、汛期、枯期进行了雷达水位计的比测分析，分析结果如表2所示。

表2 群库勒水文站不同时间尺度的雷达水位计比测误差统计分析结果

按照《水位观测标准》GBT50138-2010的误差要求，雷达水位计比测试验其综合不确定度在置信度为95%的水平下其值为3 cm，系统误差应控制在±1.0 cm的范围内，经过不同时期的误差统计分析结果可看出，雷达水位计在群库勒水文站综合不确定度在置信水平95%下值为1.8 cm，系统误差均小于±1.0 cm，可满足水位观测的要求。从不同时间尺度下的误差统计分析结果可看出，随机误差在±1.0 m和±1.5 cm的占比超过50%，而在±0.5 cm的随机误差的占比较低。不同水势下随机误差均有所出现，但在落水段随机误差相对出现的机率较大。

2.4 误差关系曲线分析

对群库勒水文站雷达水位计和人工观测值进行相关性的检验，分别对相关线进行符号、偏离度以及适线的检验，检验结果如表3所示。

表3 群库勒水文站雷达水位计比测误差关系曲线检验结果

从相关线符号、适线以及偏离度的检验结果可看出，各项检验值均可达到合格水平，且均通过90%的检验水平，群库勒水文站雷达水位计的水位观测值标准差为0.85%，表明可采用雷达水位计观测的水位值代替人工观测的水位值。

3 结语

(1)群库勒水文站在中水位时比测系统误差可控制2 cm，综合不确定达到置信度95%的值为2.5 cm,高水位时比测系统误差可控制1.5 cm，综合不确定达到置信度95%的值为2.0 cm,随着水位的增加其比测系统误差和不确定度降低，因此雷达水位计适合于站点中高水位的水位观测。

(2)从不同时间尺度下的误差统计分析结果可看出，随机误差在±1.0 m和±1.5 cm的占比超过50%，而在±0.5 cm的随机误差的占比较低。不同水势下随机误差均有所出现，但在落水段随机误差相对出现的机率较大。