雷达水位计在拉贺练水文站的应用分析

李月清

（云南省水文水资源局德宏分局，云南 潞西 678400）

0 引言

水位是水文最基本的观测项目，是水利及水电工程建设或防洪报汛必不可少的重要资料。随着水利水文自动化系统的建设和发展，水位观测设备和仪器也需要快速发展和更新。

拉贺练水文站于 1979 年设立，地处云南省盈江县平原镇拉贺练村，是伊洛瓦底江流域一级支流大盈江干流控制站，河长 132.9 km，集水面积 4225 km2，监测项目有：水位、流量、泥沙、降水量、蒸发、水质，属国家重要水文站、中央报汛站。

测验河段情况：测验河段顺直长约 800 m，系宽浅河道，水面宽 53～360 m，断面形状为 W 型，河床由细纱组成，冲淤变化频繁，两岸为人工砌石。水位约在 820.80 m 以上时左岸有漫滩。基下 24 m 处有 17 孔混凝土平桥 1 座，桥长 368 m，圆柱型支墩直径 1.2 m，桥孔间距 20 m。低水时左岸有串沟、斜流、死水。历史最大水位变幅为 4.17 m。

拉贺练水文站水位观测目前主要依靠遥测水位计（浮子式全量编码水位计），建于 2003 年，在自动测报系统逐年完善后于 2010 年正式启用遥测数据进行整编，此前主要使用 SW40 型日记式自记水位计观测及整编，水位计台为岛式。

2011 年 3 月盈江发生地震，拉贺练水文站遭到破坏，在灾后重建时，考虑大盈江下游冲淤变化频繁，及自动测报系统的更新和需要，安装了 1 套雷达水位计。

1 雷达水位计在拉贺练站的安装使用

雷达水位计是一种节能、高精度非接触式水位测量仪器，采用脉冲雷达技术进行测量。不需要建测井，安装方便，可直接测量自然河道水位，还可实现水位数据的远传及自动化处理，具有水位跟踪速度快、非接触测量，以及受风、雨、沙、温度、漂浮物影响小的特性，适合在常年无封冻河段使用。

由于拉贺练站在重建时已建有岛式水位计台，雷达水位计的安装，选择固定在水位计台仪器室靠河心的侧壁支架上，传感器垂直水面，表面水平，高程处于最高水位再加仪器盲区以上，信号电缆分段挂在铁丝上架空连入仪器室内，接在遥测终端机RTU 上，进行水位数据的自动化处理及远传。拉贺练水文站使用的雷达水位计主要技术指标如下：测量范围：0.8～35.0 m；测量精度：±3 mm；测量时间：20 s（SDI-12 ）或 30 s（4～20 mA )；天线波束角度（宽波）：12°；工作温度：-40～+ 60℃；工作相对湿度：0～100%；供电范围：9.6～28.0 VDC，典型：12～24 VDC；通讯界面：4～20 mA，SDI-12，RS-485，2 线制（SDI-12 协议）[1]。

2 雷达水位计在拉贺练站的比测

拉贺练水文站以上区间水利工程较多，主要是水电工程，特别是 2006—2009 年建设了芒康、朗外河电站等大量水电工程，对水位观测影响较大。

2011 年 12 月，受下游抽沙、道路施工及电站调节影响，基本水尺断面河槽不断拉深，低于历史最低水位近 0.5 m，观测人员几次开挖河床引水，进水困难，在低水位段浮子式遥测水位计不能观测，如人工水尺观测，工作量将增大。此时正式启用运行正常的雷达水位计，并使用其水位数据，为保证雷达水位计的测量精度，需进行比测分析。

2.1 原始资料比测分析

拉贺练水文站雷达水位计从 2011 年 8 月 26 日开始安装并观测。比测对象为人工水尺观测水位，分析时间取 2011 年 8 月 26 日—12 月 31 日，每日8:00 和 20:00，共 255 组数据，历时 4 个月，汛期和枯季各 2 个月。比测期间，最高水位 820.44 m，最低水位 818.67 m，水位变幅为 1.77 m。

根据 GB/T50138-2010《水位观测标准》第 6.2.3条规定：一般水位站，置信水平 95% 的综合不确定度应为 3 cm，系统误差应为 ±1 cm[2]。

经过对比测数据统计分析，拉贺练水文站雷达水位计置信水平 95% 的综合不确定度为 2.3 cm，系统误差为 1.8 cm，系统误差不能满足规范要求。为此对雷达水位数据系统调整 -2.0 cm，则系统误差为 -0.2 cm，满足规范要求。调整系统误差后各时间段误差分析如表1 所示。其中随机误差为 0 的数据占比测数据总数的 38.0%，误差为 ±0.01 m 的占比测数据总数的 52.9%，误差为 ±0.02 m 的占比测数据总数的 6.3%，误差为 ±0.03 m 的占比测数据总数的 1.6%，误差 ≥± 0.04 m 的占比测数据总数的1.2%，最大误差为 -0.09 m。

表1 拉贺练水文站雷达水位计比测成果表

在 255 组数据中，≥± 0.04 m 的误差出现 3 次，均为负数，分别为 -0.04，-0.05，-0.09 m，均处于落水段；± 0.03 m 的误差出现 4 次，峰顶、峰谷涨落各种水势情况都有出现。综上所述，在落水段出现较大误差的几率较大。

比测分析计算结果说明：置信水平 95% 的综合不确定度和系统误差，均小于水位观测标准规定的不确定度和误差值，满足规范要求，比测结果合格，雷达水位数据可用于整编分析。根据比测结果，通过中心站自动测报系统对传感器高程修正-2 cm，减小水位系统误差。

2.2 整编成果误差分析

使用南方片《水文资料整汇编》软件对浮子式水位计遥测和雷达水位计测得的 2 种水位数据进行计算后，对逐日平均水位表进行对照分析，在 4 个月（9—12 月）120 d（扣除自记水位井故障 2 d）中，两者的日平均水位相比均不超过 ± 0.02 m，误差为 0 的比例为 34.0%，误差为 ± 0.01 m 的比例为53.0%，误差为± 0.02 m 的比例为 13.0%；月极值误差扣除自记水位井故障期外，均不超过 ± 0.02 m，极值发生时间基本一致。从整编成果来看，此雷达水位数据可用于资料整编，成果可靠。

2.3 误差原因分析

在原始资料 3 次较大误差中，产生 -0.09 m 的误差的原因是河床拉槽导致人工观测及浮子式遥测水位有误，其余 2 次为偶然误差；在整编成果中日平均水位出现误差较大的 2 d，系因河床拉槽导致自记水位井进水困难，浮子式遥测水位有误。4 个月的水位过程线如图1 所示。

从图1 对照来看，两者峰谷对应，变化连贯完整，基本重叠在一起，浮子式遥测水位因编码器码盘及河床拉槽等原因多次出现错误或误差，特别是在枯季水位较低，沙质河床冲淤变化频繁，自记井进水困难，对水位观测影响较大。

图1 2011年拉贺练水文站水位过程线

修正传感器高程后，2012 年 1 月雷达水位计测得的水位的系统和随机误差均在规范要求内，水位过程线连续完整，但在落水底部偶有短时段锯齿跳变，一般发生在 6—12 时之间，如图2 所示。经检查分析，仪器运行正常，主要是仪器下方的测验断面及附近，在落水时露出的一些滞留的树桩枯枝等障碍物产生回波反射引起的。该时段可根据人工观测水位及水位变化趋势进行插补修正。

图2 2012年拉贺练站雷达水位过程线

3 结语

1）正常情况下，浮子式遥测水位计与雷达水位计的观测质量相差不大，均符合水位观测标准的要求；实际使用中，浮子式遥测水位计由于自身（编码器码盘）及客观条件（河槽变化）的限制，出现的故障及维护工作量与雷达水位计相比较多，进而影响资料质量。因而该站可优先考虑采用雷达水位计观测，进行报汛、资料整编及其他分析。既可减少误差，又可减轻水位观测维护工作量。

2）目前拉贺练站雷达水位计运行正常，故障较少。在使用中，应定时进行水位的校核，注意仪器下方一定范围内不应有其他物体通过或滞留，以免引起信号干扰，发生故障应及时查找原因并分析处理。

3）云南省德宏境内 8 个水文站中，测验断面大多为复式断面，河床多由细沙组成，冲淤变化频繁，主槽变化快，水位井的进水控制难度大，建议在今后新建站点或改造中，相同经济条件下可优先考虑雷达水位计。

[1]水利部南京水利水文自动化研究所.水文仪器设备管理及新技术应用培训材料[R]. 南京：水利部南京水利水文自动化研究所，2011: 4-5.

[2]中华人民共和国水利部. GB/T50138-2010 水位观测标准[S]. 北京：中国计划出版社，2010: 8-36.

[3]姚永熙. 水文仪器与水利水文自动化[M]. 南京：河海大学出版社，2001: 10-47.

[4]曹之桦. 水文统计学[M]. 成都：水利电力出版社，1985：84-111.