五圣宫水文站雷达水位计与人工观测水位比测分析

马燕芝

(新疆昌吉水文勘测局，新疆 昌吉 831100)

1 五圣宫水文站概况

五圣宫水文站为国家基本三类水文站，位于吉木萨尔县泉子街镇公圣村，地理位置：东经89°15′、北纬43°44′。测验断面以上集水面积172 km2，河长24.1 km，测站海拨高程1 347 m，多年平均径流量0.670 6×108m3，流域来水量主要以冰川融雪和降水补给为主。五圣宫站为流量测验三类精度水文站，根据频率计算划分水位级,当流量小于6.60 m3/s时为低水，流量在6.60～24.7 m3/s时为中水，流量大于24.7 m3/s时为高水。

雷达水位计设立位置在测验断面位置下游2 m处。断面顺直段长度大约为120 m。断面冲淤变化不大，有泥沙项目，历史最大流量136 m3/s。测流断面设有搪瓷水尺4根，雷达水位计固定在起点距9.0 m处，由悬臂支架固定，距离水面大约3 m。

2 测站水文仪器设备安装和人工观测方式

五圣宫水文站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[1]。雷达水位计的计算方式由厂家设定，时间和水位高程由工作人员设定或调整，水位数据每6分钟传输一次。水位计架设在测验河道左岸，雷达探头安装在支架伸出的臂杆上，位于起点距9.0 m处。水文站的人工水位观测主要依靠设立的直立式水尺观测水位，水文观测人员一般直接读取水尺读数，然后计算水位并在记录表中填记数据，一般在每日8 h、20 h进行。

3 比测目的及依据

为提高水文测验科技含量和自动化水平，适应现代社会对水文资料的需求，降低野外测验人员的工作强度，水位自动化监测一直在不断推进。雷达水位计作为一种自动化程度较高的水文测量仪器，其在运行过程中与人工观测设施设备一样，由于观测方法及外界环境因素复杂多变，都可能出现一定的误差。因此，为消除雷达水位计与人工观测数据之间的误差，保证自动监测设备监测水位的准确性，根据GB/T50138-2010《水位观测规范》规定，新安装的自记水位计或改变仪器类型时，应进行比测，比测合格后，方可正式使用[2]。

4 比测资料选取

五圣宫水文站在2019年配备了1台SEBAPULS雷达水位计，该仪器投入使用前，仪器检验合格，并与于2019年6月进行了安装，2020年4月开始比测工作，但因时有故障，于6月1日将仪器拆下维修，后因疫情影响，9月14日进行正式比测。为保证五圣宫站水位比测资料水位变化的一致性和时间的一致性，雷达水位计架设在测验河道左岸，雷达探头和基本水尺都布设在同一断面处，都位于起点距9.0m处。雷达水位计和人工观测基本水尺的比测水位数据计划从4月1日开始，9月30日结束后因雷达水位计出现故障，在调试等待维修部件，至9月13日正常工作，截至10月18日共收集72组比测水位数据。

通过对72组比测水位数据进行分析，发现其中20组水位数据相对偏差不符合GB/T50138-2010《水位观测规范》规定，一般水位站置信水平95%综合不确定度应为3 cm，系统误差应为±1 cm。是因为雷达水位计受风或树枝摆动影响导致水位数据不合理情况。将20组伪数据剔除后，52组比测水位数据均满足相对偏差规范要求，可作为本次相关分析的水位数据系列，水位变幅从10.60～10.50 m。经实测流量资料分析，2020年实测最大洪峰流量为49.7 m3/s(6月28日)，根据五圣宫站流量级划分标准，2020年实测最大洪峰流量为高水，但因设备故障，无法正常观测，故比测水位无中高水，比测水位数据仅为低水水位。

5 比测资料相关性分析

比测方法采用人工观测基本水尺水位与雷达水位计同步采集的52组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。

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，经分析，9月13日至10月19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，水位过程线见图1。从图2可以看出，五圣宫站雷达水位计与人工观测水位相关系数较好，R值为1.033 8，符合规范要求，雷达水位计可在站使用。

图1 五圣宫站雷达水位计与人工观测水位过程线图

图2 五圣宫站雷达水位计与人工观测水位相关关系图

6 比测误差分析

6.1 雷达水位不确定度计算

自记水位计安装在新断面，每日人工只观测8 h，20 h水位，且仪器维修好已经是9月中旬，每日水位变化不大，故没记录人工最高，最低水位。2020年资料整编仍采集老断面数据。根据《水位观测标准》GB/T50138-2010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[3]：

1)系统不确定度应按公式(1)计算：

(1)

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)随机确定度应按公式(2)计算：

(2)

3)综合不确定度按公式(3)计算：

(3)

按照五圣宫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1。

表1 不确定度计算结果统计表

6.2 误差结果分析

(1)根据《水位观测标准》GB/T50138-2010 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±1.52 cm。经计算五圣宫水文站雷达水位计比测数据系统不确定度为0.023 8 cm、随机不确定度为3 cm，综合不确定度为3 cm，系统误差1.52 cm，符合规范要求。

(2)雷达水位计接收设备在遇到有风时会有小幅度的晃动，虽然不大，但也能产生2～4 cm的上下摆动。且多数出现在早上8点，分析可能由于早上山风导致仪器轻微晃动所致，同时仪器本身也可能有一定器差。在使用时要保证电源供应正常，因雷达水位计靠近左岸，要注意可能出现的漂浮物并避免树枝晃动碰撞水位计，在出现数据中断等情况下要及时反映并维修。

(3)比测时段为汛后，水位变化不大，但有时出现4～5 cm的误差，主要原因是仪器维修后需要输入启用高程，在进一步的调整水位和时间参数时会导致有些数据误差较大，导致成为伪数据。

7 结论与建议

7.1 结论

从本次比测分析结果可知，9月13日-10月23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。两组水位比测数据的单个测点偏差范围在-0.02～0.02，系统误差为-0.00，符合规范要求，雷达水位计可在站使用。相关分析R值为1.033 8，相关显著性高。SEBA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。测站可采用雷达水位计替代人工观测水位。

7.2 建议

(1)在今后实际运行过程中，应通过调试雷达水位计RTU和软件数据，消除因波浪影响产生的峰谷误差，更好的完成水位观测任务。同时在今后的测验中应尽量收集中、高水比测资料，完善分析方案。

(2)建议在使用雷达水位计记录水位时，人工观测同步校对。在汛前汛后对仪器进行维修保养，在使用过程中发现问题及时保养维修。测站应将雷达水位计作为常规性水文观测设备，如遇雷达水位计故障，为保证水文观测序列的连续性，应及时恢复人工观测，并将观测结果与雷达观测结果进行比较与校核，确保水文观测数据的连续性和正确性。