制材厂水文站雷达水位计替代人工观测可行性分析

丁 涛

（新疆维吾尔自治区昌吉水文勘测局,新疆 昌吉 831100）

1 头屯河制材厂站基本概况

头屯河制材厂水文站是一座位于新疆乌鲁木齐县小渠子乡谢家沟村的国家基本水文站,初始建造日期为1957 年5 月,该站海拔高度为1430 m。头屯河的发源地位于天山东段的北坡,其径流主要来源于大气降水、中低山带季节性的积雪融水、地下水和高山冰川的融水。整个流域的平均高程是2774 m,河长则是49 km,集水面积达840 km2。虽然洪峰持续时间较短,但最长洪峰历时大约8.5 天,而最短持续时间则只有2.5 天。在一年当中,水流和泥沙的运动呈现出明显的集中现象,特别是在夏季月份（5 月～8 月）,这种现象更加明显。水流和泥沙的高峰期基本上是相同的,而且河道的断面相对稳定,水位和流量之间的关系也多呈现出单一曲线。

2 雷达水位计的架设和人工观测方法

在制材厂（五）站所使用的水位计是SEBA PULS20 型雷达水位计,这是一种专业的水文仪器,它使用电磁波进行水位测量,其精度高、性能稳定、维护简单。电磁波的传播速度不受温度、湿度、气压、雨雪和风沙等环境影响[1]。

按照水位（流量）的划分,三个不同水位的范围被确定为三个测段,每个测段需进行超过30 次的测量,以确定水位的变化情况。为了确保比较数据的时间一致性和比较数据序列的连贯性,我们使用人工观测水位和雷达水位计同步记录的水位进行对比分析。

制材厂（五）站采用搪瓷直立水尺作为人工观测的方式。从5 月1 日～9 月10 日,每天凌晨八点、晚上八点以及测流期间,我们会进行人工观测水位。在洪水期以及水位急速变化的时期,我们会加强人工观测,以确保测点所记录的水位变化过程是完整的。这样做可以保证水位信息的准确性和及时性,为水利工作提供有效的数据支持。

3 比测的目标和主要依据

依据《水位观测规范》（GB/T 50138-2010）规定,若要进行新安装自记水位计或更换仪器类型,必须先进行比测。只有通过比测合格审核,才能放心地启用仪器。雷达水位计的实现将代替人工观测水位数据,从而减轻测站人员的工作量。这一举措使得水文测站实现了信息化和自动化,让测站人员的人力得以充分解放出来。

4 比测数据的选用

在多次严谨的现场调试和确认之后,制材厂（五）决定于2022 年5 月1 日～9 月10 日展开雷达水位计记录水位与人工观测水位比测比测数据的收集工作。在这个过程中,制材厂（五）工作人员会付出更多的努力,以确保数据的精准性和可靠性。

具体测量数据共有366 对：水位低于1432.55 m 时水少,水少数据有310 对,占84.7%。水位为1432.55 m～1433.05 m,中水数据为54 对,占高水的14.8%,当水位高于1432.55 m 时,高水数据为2。对比为0.5%,所选数据符合《水位观察规范》（GB/T 50138-2010）中“6.2.2 比测量”的要求。并且可以根据水位的宽度和每个特定测量的数量在多个测量段中单独进行30 多次。

5 分析收集测量数据的相关性

通过对比分析366 对数据,建立了两组数据之间的相关关系,并进行相关分析。结合相关关系图,可以发现水位数据的分布呈现出一种带状密集趋势,且相关系数R值为0.9913,见图1,这表明雷达水位计所记录的水位与人工观测水位具有高度相关性,同时雷达水位计所记录的水位的“三性”也符合技术规范的要求。

图1 制材厂站雷达水位计与人工观测水位相关关系图

2022 年制材厂雷达水位计和人工观测水位之间的相关关系可以从图1 中得知。通过比较人工观测水位和雷达水位计记录的水位数据,将水位数据点绘成水位过程线。

对水位变化进行分析,判断是否连续变化,峰谷相应是否合理,并检测是否出现过突变情况。分析数据得知,在5 月～9 月期间,两组水位数据的变化是连续的,水位过程线的峰形也是一致的,没有出现陡涨或陡落的情况。同时,它们的涨落变化趋势是完全一致的。相关的水位过程线见图2。

图2 制材厂雷达水位计与人工观测水位过程线图

6 分析比测数据的测量误差

6.1 统计法

《水位观测标准》（GB/T 50138-2010）中的附录E.0.6规定,当采用自动监测设备监测水位时,必须按照以下方式来估算不确定度。

（1）按以下方式计算系统不确定性：

式中：Pyi为自动水位监测；Pi为人工测量水位；N为测量次数。

（2）应按以下方式计算随机不确定性：

（3）综合不确定度的计算公式：

（4）计算系统误差的公式：

式中：Pyi为自动水位监测；Pi为人工测量水位；N 为测量次数。

按频率计算划分：水位低于1432.55 m,流速小于22.7 m3/s,水位介于1432.55 m～1433.05 m,流速为22.7 m3/s～62.7 m3/s。水位高于1433.05 m,流速大于62.7 m3/s,将比测数据分为低水、中水、高水,并计算数据的系统不确定度、随机不确定度和综合不确定度。

根据《水位观测标准》（GB/T 50138-2010 6.2.3）的要求,综合水文站95%的综合不确定性水平为3 cm,系统误差应为±1 cm。制材厂水文站的雷达水位计比测数据系统综合不确定度为3 cm,其中不确定度包括随机不确定度为3 cm 和系统误差为0.19 cm,而总不确定度为0.1940 cm 符合技术规范要求。制材厂水文站雷达水位计比测系统精度是符合规范的,它的综合不确定度是3 cm,包括随机不确定度和系统误差。此外,该系统的不确定度为0.1940 cm,符合技术规范的要求。

6.2 平均值分析

2022 年5 月1 日～9 月10 日,制材厂（五）开始进行雷达水位计记录数据和人工观测数据的收集工作。在这段时间里,制材厂（五）站工作人员用心搜集每一份数据,以确保数据的准确性和可靠性。每天通常会进行两次水位观测,时间分别为早上八点和晚上八点。观测完毕后,会及时记录下当天的水位,然后计算出日均水位。根据统计计算,人工观测和自记仪器所得的旬平均水位和月平均水位误差相等；而在人工观测和自记仪器所得的水位数据中,相互的误差达到了零。

6.3 突出点和虚假信息分析

经过比较人工观测水位与自动记录水位,共计366 组数据,发现其中有28 组数据误差异常,最大误差高达0.16 m。水位误差的原因复杂多样,其主要原因为在水流较大的时候,水面波浪十分猛烈,而我们使用的雷达记录水位是瞬时值,这导致了自动记录水位和人为观测水位的误差叠加[2-3]。在进行水位不确定度计算时,我们进行了订正处理以确保计算结果的准确性。

6.4 测量误差分析

根据对366 组水位数据进行的分析,可以得出以下结论：在低水区间段中,有21 次数据的误差为±3 cm,有49 次数据的误差为±2 cm,有110 次数据的误差为±1 cm,有130 次数据的误差为0 cm。在中水区间段的测量数据中,误差范围在±3 cm的仅出现了1次,而±2 cm的误差则出现了7次,±1 cm 的误差更是出现了19 次。完全准确的测量结果（误差为0 cm）则出现了27 次。根据分析结果显示,雷达水位计记录的数据可以替代人工观测数据。其中,高水数据极少,仅有2 次。而在高水数据中误差在±3 cm 以内的次数也为2 次,且100%的数据误差在±3 cm 以内。低水和中水则最大误差都是3 cm,但是在低水区间段的数据和中水低水区间段的数据误差等于±3 cm 的数据占比较少,分别为6.8%和1.8%。

7 结论与建议

7.1 结论

（1）经过对数据的分析统计,以及对水位过程线、误差和相关性的分析,可以明确得知,5 月1 日～9 月10 日之间的两组数据,其水位变化过程是连续的、水位过程线峰形相似,没有发现任何突变现象,同时也显示出涨落趋势基本一致。雷达水位计所记录的水位数据误差较小,雷达水位计和人工观测水位之间的相关性极佳,系统不确定度为0.1940 cm,加上随机不确定度3 cm 后综合误差为3 cm,完全符合《水位观测标准》（GB/T 50138-2010）中6.2.3 的规定。这个结论足以表明数据的可靠性。

（2）从本次数据分析的结果来看,可以得出SEBA PULS雷达水位计在正常工作职责下具备非常优秀的观测精度,这种精度可以满足规范技术的要求,制材厂（五）站可以采用雷达水位计记录数据替代人工观测,实现自动化生产和管理,向高效、高质、高效益的目标迈进。

7.2 建议

（1）定期维护雷达水位计RTU 并更新补充完善程序,在未来的水文测验中,应该及时记录中级水位和高级水位的水文数据,不断丰富和完善分析方法,以形成一个全面的方案。这样做可以更好地分析和理解水位变化情况,从而做出更准确的预测和决策。

（2）在记录水位时,建议使用雷达水位计,并定期进行人工同步校验以确保数据的准确性。对雷达水位计进行定期的维修和保养,并及时修复发现的故障,以确保水文测站能够常规性地使用雷达水位计进行水文观测,并在雷达故障时采用人工观测进行比较分析,从而确保水文数据的连续性和准确性。