HZ-RLS-26L-100 雷达水位计在河里吴家水文站水位监测中的应用

卞长浩，王国滨，李 红

（青岛市水文中心,山东 青岛 266000）

近年来,随着山东省水利厅党组高度重视防汛水文测报工作,对中小河流水文监测的要求不断提高,青岛市水文中心自主开发了一套水文移动信息平台,而水位监测则是信息平台的重要组成部分。各种类型的水位传感器在不同的地域和环境中广泛应用,目前主流的雷达水位计技术成熟,测量精度高,易安装,而且不受环境、地理的限制,因此被许多的水情自动测报系统所采用。

1 常用水位测量设备分析

目前水位传感器主要有浮子式水位计、气泡式压力水位计、雷达水位计等类型,由于工作原理不同,适合安装使用的条件也有所不同。浮子式水位计适用于配备专用静水测井的水位测站,要求测验河段岸坡稳定,冲淤很小的河床。它技术成熟、稳定、可靠,但该类水位测站前期的土建工程建设投资较大。气泡式压力水位计在使用时需要在河水中布设感压气管,强降雨时水流冲击以及携带的大量颗粒物可能导致气管口弯折堵塞,无法正常工作。雷达水位计是一款非接触式设备,测量时无机械磨损,主要用于测量江河湖泊、水库、渠道等水位,为监测运营单位提供实时水位信息,不受温度梯度、水中污染物以及沉淀物的影响,技术成熟、测量精度高、使用寿命长,不需要建设任何水工设施,只需要在桥梁边壁（迎水流一侧）,支一个横臂即可完成安装,投资小,后期维护简单方便。

河里吴家水文站位于莱西市南墅镇河里吴家村,莱西市区西北40 km 处,为常年河道水文站,上游约2.0 km 有橡胶坝,下游约7.9 km 为北墅水库水文站,2023 年正式开始执行测站任务。汛期小沽河常有暴雨洪水发生,水位涨落急剧,水位变幅大,河水流速快并携带大量泥沙和漂浮物,对测井、压力式水位计管道或压阻式水位计等都具有一定的破坏性,选择雷达水位计作为测站水位监测设备能满足规划设计、防汛的需要,十分符合测站实际情况和客观要求。

2 雷达水位计的工作原理

雷达水位计通过发射和接收电磁波的时间差来计算雷达水位计与水面之间的距离,发射和接收电磁波的时间差T与天线到水面之间的距离L成比例,如公式：

式中：C 为电磁波的传输速度,可认为是光速,为定值；T为由传感器计算求出。

由雷达水位计的天线高程H0可计算得出水面的高程H,即H=H0-L=H0-CT/2[1]。雷达水位计工作原理见图1。

图1 雷达水位计工作原理示意图

3 HZ-RLS-26L-100 雷达水位计性能

该雷达水位计工作原理与通用雷达水位计的工作原理类似,传感器内部数据处理单元将计算出的距离值转换成电流信号,通过RS485 接口输出,与专用的航征雷达上位机软件HZRadar 进行配置,并满足《水位观测标准》中用于水位自动观测的水位传感器规定。能通过无线网络通信将水位数据实时上传到水文移动信息平台,平台内可查询某时刻水位及指定时间段内水位过程线,便于找出水位极值和分析判断水位变化趋势,为防汛指挥调度提供依据。

3.1 雷达水位计性能指标：

1）工作电压范围宽,功耗低,可利用太阳能供电,可以在6 VDC～30 VDC 范围内正常工作,最大工作电流≤7.5 mA；

2）测距精度±2 mm,分辨率1 mm；

3）量程0.25 m～45 m,盲区为0.25 m；

4）工作温度范围-40℃～85℃；

5）防护等级IP68；

6）天线,平面微带阵列天线；

7）波束角10°。

3.2 技术优势

1）平面微带阵列天线,采用K 波段平面微带阵列天线,与传统喇叭天线相比,具有体积小、重量轻等优点,产品一体化程度高；天线增益高,辐射能量集中,抗干扰能力强,有利于提高测量精度和可靠性；微带天线阵列的波束角为10°×10°,可有效降低周围非目标回波的干扰,如井壁、渠岸等,所测水位更准确。

2）智能姿态感应及补偿功能,雷达水位计内置姿态感应传感器,能辅助安装调试并自动补偿安装误差,在测量过程中智能感知立杆晃动、桥面抖动引起的测量平台不稳定情况,并自动进行优化补偿。

4 HZ-RLS-26L-100 雷达水位计实际应用

4.1 安装位置的选择

为得到稳定且精度高的水位值,雷达水位计尽量安装在河道顺直、河床稳定、水流集中的河段区域,要保证雷达波全部覆盖到水面,最好安装在最大水深处上方,避免低水或河床淤积时雷达波覆盖到河床或地面,保持监测数据长期性和稳定性。

4.2 安装基本要求

1）采用桥式安装,即将雷达水位计安装在桥梁边壁,将遥测终端、通信模块、蓄电池等设备集成在一体化不锈钢仪器箱内,在仪器箱附近固定太阳能板[2],架设雷达水位计的横臂,保持和水流方向平行,使雷达水位计天线罩平面与水面处于平行状态。雷达水位计安装的横滚角和垂直角必须在±3°内。

2）横臂应有一定结构刚度。雷达水位计安装在横臂的末端时,在极端恶劣天气条件下（比如遭遇七级以上大风）,横臂应具备抵抗变形的能力,不应该有明显的压弯变形现象,不会上下左右明显晃动。河里吴家水文站实际安装经验表明,横臂采用直径为50 mm～60 mm 左右的钢管最佳。

3）横臂长度以1 m～1.5 m 左右为宜,不宜过长。因为横臂过长,受大型车辆通过桥梁震动影响横臂晃动的幅度会增大。由于电磁波的波束呈发散的圆锥体,横臂过短则会导致电磁波束尚未到达水面就遇到桥体发生反射,导致测量结果不准确。

5 水位比测分析

5.1 精度评定指标

根据《水位观测规范》（GB/T 50138-2010）,自动水位观测误差同人工观测误差应在±0.02 m 以内。

5.2 水位比测分析

河里吴家水文站雷达水位计比测对象为人工水尺观测水位,分析时间取2022 年9 月1 日～2022 年9 月30 日,共收集30 组数据。比测期间,最高水位111.93 m,最低水位109.65 m,水位变幅2.28 m。误差≤±0.02 m 的占比测数据总数的96.7%[3],见表1。

表1 河里吴家站水位比测成果表

根据《水位观测标准》（GB/T 50138-2010）第6.2.3条规定：一般水位站,置信水平95%的综合不确定度为3 cm,系统误差应为±1 cm。

其中综合不确定度的计算方法及公式详见《水位观测标准》68页E.0.6。系统误差的定义为总体均值与真值之差,即：

系统误差=自记水位平均值-人工观测水位平均值

河里吴家站雷达水位计置信水平95%的综合不确定度为1.2 cm,系统误差为0 cm,满足规范要求,见表2。

表2 河里吴家站水位计比测误差计算成果表

5.3 水位超差情况

比测期间出现1 次超差,超差主要原因是测站附近有强降雨,且风力达到6 级以上,水面起伏度很大。

6 水位超差的解决方案

9 月雷达水位计监测水位与人工观测水位基本一致,但是部分时间与人工观测水位差值较大,出现水位数据失真现象：水位变化过程是一个连续变化的曲线,当汛期出现洪水时,水面波动大、起伏度高的时候,测量值呈现阶跃跳变现象。针对水位数据失真的问题,笔者采用以下措施解决了该项问题。

受水的流动性以及风等因素影响,水面波浪明显影响测量结果。而雷达水位计的测量结果是瞬时值或很短一个时间内的平均值,当测量赶上水波波峰时,测量结果偏高,当测量赶上水波波谷时,测量结果偏低,水面波浪很大时,测量的水位与真实水位差值较大。经过认真分析研究,采取系统数字滤波的方式进行解决,即在一个采样周期内,采取多组水位数据,去掉极值后计算剩余数据的平均值作为最终结果。后续自动监测水位和人工观测水位长期保持一致,这一方法很好地解决了测量误差偏大的问题,保证了测量结果准确性。

7 结语

此次项目研究结果分析表明,HZ-RLS-26L-100 雷达水位计在恶劣工作环境下能够胜任水位测量的精度要求。桥式安装雷达水位计监测水位,由于测量时不直接接触水体,使用寿命长,建设成本低,后期维护方便,具有较为广泛的推广应用前景。

做好雷达水位计与人工观测水位的比测分析工作,争取早日投产应用,让工作原理先进、技术成熟的仪器设备解放和提高生产力。