乐都水文站雷达水位计应用分析

青海省水文水资源测报中心 马桂芳

一、测站基本情况及仪器介绍

（一）测站情况

乐都水文站位于青海省海东市乐都区碾伯镇下教场村，地理位置东经102°25′，北纬36°29′，测站编码40400550，距河源245km，距河口129km。乐都水文站是国家重要水文站、中央报汛站，湟水中游干流控制站。

（二）对比条件介绍

人工观测水尺和雷达水位计均位于河道右岸，基本水尺断面共设水尺5支，水尺与雷达水位计都在基本水尺断面。基本水尺水位非汛期采用二段制观测,水位变化急剧或结冰、流冰、发生冰凌堆积、冰塞时增加测次并及时除冰；汛期水位无较大变化时采用四段制观测, 水位变化较大时,采用八段制观测，水位变化急剧时，需要随时增加测次，保证能测得各次水位峰、谷的完整过程。

（三）仪器介绍

雷达水位计是一款非接触式雷达液位计，采用脉冲雷达技术对水位进行测量，利用这种高效稳健的雷达技术，加上节能，非接触式的测量技术使得雷达水位计在测量时不受温度梯度、水中污染物以及沉淀物的环境影响，可以获取精确的测量结果。

雷达水位计实现了每秒约16次的独立测量，在完成一个测量周期之后将通过计算获得的平均值作为结果输出，通过计算平均值将波动对测量结果的影响最小化，这样的测量结果可以堪比静水井中测的液位值。雷达水位计极低的能耗（测量状态：12V时最大电流为12mA）、宽广的供电范围以及标准化的接口使得雷达水位计能适应多种需求，量程达0.8-35m。

雷达水位计的优点：一是雷达水位计的传感器测量属非接触型测量，与水质无关，可以在不需要水位井，测量成果精度高；二是可以实现较长时间无人值守，减轻劳动强度，且不需要太多的日常维护；三是易安装，通过发射到水面的雷达脉冲信号来进行测量的，因此他可以垂直安装在水面之上，比如：桥或其他辅助建筑上，其坚固、轻质以及防水外壳使其安装起来非常简便，由于有通用连接设备（万向悬挂架），因此探头可以很简便的对齐，甚至在不平整的地方也很方便；远离水面的传感器，使得安装更为安全；无机械磨损，寿命长，测量成本低；四是测量过程对水流无影响，可连续在线采集数据进行信号传输。缺点：在封冻期需要破冰测量。

二、应用分析

（一）资料选取

在比测过程时，按高、中、低水位级分三个测段分别进行，每段比测取得一个月以上连续完整的比测数据。其中高水位选用8月17日至9月17日、中水位选用7月1日至7月30日、低水位选用3月1日至3月31日，摘录每日早8时水位同步观测（资料见附表1），水位比测数据共94个。

（二）数据分析

1.套绘水位过程线分析

以时间为横坐标，水位为主纵坐标，套绘自记水位计和人工观测水位过程线，由套绘的水位过程线对自记水位计与人工同步观测的水位趋势一致性进行分析。以人工观测值为真值，计算自记水位计与人工观测水位的绝对误差，在同一张图上，以绝对误差作为次纵坐标轴绘制绝对误差柱状图（如图1所示），分析绝对误差与水位变化过程的关系。由以上的水位对比图可以看出，乐都站雷达和人工同步观测的高、中、低水位没有明显的偏离，趋势一致。

图1 乐都站人工水位与自记水位高水位过程线套绘及绝对误差分析图

2.水位的相关性分析

纵坐标以同一时刻雷达水位计的观测水位，横坐标为人工观测水位建立相关分析图(如图2所示)，同时绘制一条y=x趋势线。从图2可以看出乐都站关系线的斜率为1.000，说明该站雷达水位和人工水位相关性较好。

图2 水位相关性分析图

3.瞬时误差分析

比测分析采取摘录每日8时的人工与自记水位数据，以人工观测值为真值，绝对误差不超过±2cm为合格，按高、中、低水位级分别进行合格率统计。（如表1所示）

表1 乐都站自记水位计绝对误差统计表

表2 乐都站自记水位计系统误差、综合不确定度统计表

水位级样本总数 ±2cm以内样本数±2cm以外样本数最大绝对误差（cm） 合格率（%）

高 水（z≥ 1969.49m） 31 3 0 2 100

中 水（1969.49m＞z≥1969.17m）31 9 0 2 100

低 水（1969.17m＞z≥1968.34m）32 10 0 2 100

合计 94 22 0 2 100

4.系统误差、综合不确定度计算

水位级系统误差综合不确定度

统计分析值允许值（cm） 评价统计分析值允许值（cm） 评价

高 水（z≥ 1969.29m） -0.06 ±1合格 1.00 3 合格

中水（1969.29m＞z≥1968.58m） 0.26±1 合格 1.93 3 合格

低水（1969.58m＞z≥1969.48m） 0.16±1 合格 1.6 3 合格

（三）误差来源分析

自记水位计监测和人工观测水位时，由于观测方法的不同及外部环境等一些影响因素，都可能带来对水位观测的误差，这些误差来源于各个方面。

（1）当采用人工观测水尺时，水尺的零点高程测量的系统误差、水尺刻画的系统误差和水尺观读的随机误差。

（2）观测员在观测水位时折光产生的误差；比测时差引起的误差。

（3）水面波浪引起的误差。

（4）人工观测水尺与自记水位计探头不在同一起点距位置而引起的误差。

（5）自记水位计初始水位值高程设置误差。

三、结论与建议

仪器比测高、中、低水的合格率达到了100%。根据比测分析结果得出雷达自记水位计在乐都水文站能够代替人工观测，可正式使用。

在使用雷达水位计过程中，注意定期检查设备，以保证设备的正常运行，保证资料质量高精度，增加对网页以及服务器维护，及时对SIM卡缴费，以保证数据可以完整不间断地上传至服务器，当自记水位计出现故障不能正常使用时，及时恢复人工观测，并修复自记设备。