基于开垦河水文站分析雷达水位计比测的可靠性分析

马燕芝

（昌吉水文勘测局,新疆 昌吉 831100）

1 基本情况

开垦河水文站设于1956年10月,地理位置：东经89°51′、北纬43°36′,集水面积371 km2,河长34 km,测站高程1509 m,属省级重要水文站和中央报汛站,发源于天山东段北坡,径流的主要补给源为大气降水、中低山带的季节性积雪融水、地下水以及高山冰川融水。开垦河水文站为国家基本二类水文站,Z≤1505.12 m,Q≤3.00 m3/s时为低水。1505.13 m＜Z≤1505.70 m,3.00 m3/s＜Q≤50.0 m3/s时为中水。Z＞1505.70 m,Q＞50.0 m3/s时为高水。

2 雷达水位计可靠性比测

雷达水位计,也叫水位雷达,是利用电磁波探测目标的电子设备。其主要测量原理是从雷达水位传感天线发射雷达脉冲,天线接收从水面反射回来的脉冲,记录时间T,由于电磁波的传播速度C是个常数,从而得出到水面的距离D。

开垦河（三）站雷达水位计架设在测验河道右岸,雷达探头安装在支架伸出的臂杆上,位于起点距8.0 m,基本水尺断面上游5.0 m处。使用的雷达水位计是德国SEBA PULS雷达水位计,是一种利用电磁波进行水位测量专业水文仪器,由于电磁波的传播速度不受温度、湿度、气压、雨雪和风沙等环境因素的影响,使得雷达水位计精度高、性能稳定、维护简单等优势。

2.1 比测时段

为保证开垦河站水位比测资料水位与时间变化的一致性,开垦河水文站雷达水位计2019年7月5日完成安装调试使用；比测工作从2020年4月1日开始至9月30日结束,共收集比测数据382 组。

2.2 样本数据

比测时段内,共收集到382 组水位比测数据,水位变幅从1504.87 m到1505.57 m,见表1（因篇幅有限,表1仅截取部分数据）。

表1 开垦河站雷达水位计与人工观测比测数据

续表1

2020年实测最大洪峰流量仅为42.1 m3/s（7月13日）,对应水位为1505.62 m,平均水深为0.81 m。根据开垦河站流量级划分标准,2020 年实测最大洪峰流量为中水,因此2020 年开垦河站没有高水出现,本次比测水位数据仅有中水和低水水位。

根据采集的数据和水位（流量）级来看,比测数据共有382 组,其中：水位低于1505.12 m时为低水,属于低水的数据有346 组,占总数据的90.58%,水位在1505.12 m~1505.70 m时为中水,属于中水的数据有36 组,占总数据的9.42%。比测数据满足《水位观测规范》（GB/T 50138-2010）中“6.2.2比测时,可按水位变幅分几个测段分别进行,每段比测次数在30次以上”的要求。

2.3 比测数据分析统计

根据《水位观测标准》（GB/T 50138-2010）中附录E.0.6采用自动监测设备监测水位时,其不确定度应按下列方法估算：

（1）系统不确定度应按下式计算：

式中：Pyi为自动监测水位；Pi为人工校测水位；N为校测次数。

（2）随机确定度应按下式计算：

（3）综合不确定度按下式计算：

按照开垦河（三）水文站水位级划分依据,分别对搜集的比测数据进行低水、中水、高水排序分类,并对分组数据的系统不确定度、随机不确定度、综合不确定度进行计算,计算结果见表2。

表2 比测数据系统不确定度、随机不确定度、综合不确定度计算结果统计表

根据《水位观测标准》（GB/T 50138-2010）6.2.3规定,一般水文站的置信水平95%的综合不确定度为3 cm,系统误差应为±1 cm。经计算开垦河（三）站雷达水位计比测数据系统不确定度为0.004581 cm、随机不确定度为2 cm,综合不确定度为2 cm,系统误差0.02 cm,符合规范要求。

3 比测分析及误差评定

3.1 过程线分析

根据同时段人工观测水位数据与雷达水位计水位数据,点绘水位过程线,分析水位变化是否连续、水位峰形是否一致、有无陡涨陡落现象。

经分析,4月~9月期间两组水位数据变化连续、水位过程线峰形一致、无陡涨陡落现象,涨落变化趋势完全一致,水位过程线见图1。

图1 制材站雷达水位计与人工观测水位过程线图

3.2 误差分析

从382 组水位比测数据中可以看出,低水比测数据中误差等于±3 cm次数为13 次,误差等于±2 cm次数为64 次,误差等于±1 cm次数为131 次,误差等于0 cm次数为138次；中水比测数据中误差等于±3 cm次数为3 次,误差等于±2 cm次数为6 次,误差等于±1 cm次数为18 次,误差等于0 cm次数为9 次；低水和中水的最大误差均为3 cm,但是低水、中水误差等于±3 cm的数据权重分别为3.4%和0.79%,占比相对较少,证明雷达水位计自记数据是较为可靠的。

3.3 相关分析

采用人工观测基本水尺的382 个水位数据与雷达水位计同步采集的382 个水位数据进行对比分析,建立两组数据的相关关系,进行线性分析。

从雷达水位计与人工观测水位的相关关系图可知,水位数据分布均较密集成一带状,线性函数R值为0.9926,见图2,说明开垦河（三）站雷达水位计的自记水位与人工观测水位相关性非常好,雷达水位计自记水位是合理可靠的。

图2 开垦河（三）站雷达水位计与人工观测水位相关关系图

4 结论

通过对比测数据进行分析统计,以及过程线分析、误差分析和相关分析可知,4月1日至9月30日期间两组水位数据变化连续、水位过程线峰形一致、无陡涨陡落现象,涨落变化趋势完全一致；雷达水位计自记水位数据的误差相对较小,是合理可靠的；相关分析中线性函数的R值为0.9926,R值最高,误差最小,雷达水位计自记水位数据与人工观测水位数据相关显著性较高；经计算开垦河（三）站雷达水位计比测数据系统不确定度为0.004581 cm、随机不确定度为2 cm,综合不确定度为2 cm,符合《水位观测标准》（GB/T 50138-2010）中6.2.3的规定要求。

从本次比测结果分析来看,SEBA PULS雷达水位计在设备工作正常的情况下,观测精度可满足规范要求。开垦河（三）站可采用雷达水位计替代人工观测水位。