雷达水位计在上海世博园内的应用与比测分析

秦 涛

雷达水位计在上海世博园内的应用与比测分析

秦 涛

为了保障上海世博会期间园区的防汛安全，加强对世博园的水情监测，根据上海市防汛办的要求，上海市水文总站于2010年4月10日新建临时自动测报站“白莲泾站”，世博会结束后还将搬迁至别处继续服役。该站位于白莲泾与黄浦江交汇处，邻近世博园白莲泾入口，所测水位为黄浦江水位。

“白莲泾站”因其所处地理位置的特殊性，与建立普通自动测报站的要求上有着很大的不同。既要保证测站所测水位数据准确可靠且不受水质、气温等因素影响，又要满足世博园区内的整体景观效果。传统的浮子水位计虽然能满足数据准确可靠的要求，但是其水位计井筒建造体积巨大，显然不能满足世博园区的景观要求。经上海市水文总站相关专家讨论，最终研究决定在该站采用德国E+H公司生产的FM R250型雷达水位计。

一、白莲泾站情况概述

白莲泾站供电方式采用42W单晶硅太阳能电池板，通信方式采用GPRS数字移动终端，数据采集仪采用南瑞ACS-300M M型数据采集器。其主要监测内容为雨量和水位，每5m i n采集并发送一次水情信息。该站的雨量计采用的是南京水利水文自动化研究所生产的JDZ05-1型翻斗式雨量计，雷达水位计采用的是FM R250型雷达水位计。该雷达水位计输出信号为4-20 m A带H ART协议；功率消耗最小60m W，最大900m W；工作频率约为26GH z超宽频系统；测量范围最小0.5m，最多可达70m；测量误差范围为±5 m m；工作温度在摄氏－40℃～80℃之间。

白莲泾站自建站起至今运行正常，没有出现任何故障，共测得数据38125组，所测得数据准确可靠。

二、雷达水位计原理及特点

1.原理

雷达水位计的测量原理与超声波水位计类似，不同的是雷达水位计使用的是雷达波,其工作原理如图1所示。传感器首先发射一个26 GH z的短微波脉冲（即“脉冲过程”），然后传感器接收来自水体的反射信号，并将这些信号传到完整的评估系统。脉冲信号的运行时间直接反映了实际的水位。

2.特点

雷达水位计发射的26 GH z的短微波脉冲不受温度、湿度、气压等环境因素或风雪雨沙等恶劣天气的影响，性能相当稳定，使得雷达水位计在其工作范围内具有极高的精度，其误差范围为±5 m m，完全达到水位观测的精度需求。温度适应范围广，操作温度在摄氏－40℃～80℃之间，完全满足各种极端天气的温度要求。但是雷达水位计几乎都是在国外生产制造，所以一般价格较高，一旦损坏需寄回国外方可修理，致使其维修周期较长。其主要特点有：

①非接触测量，不受水体污染，不破坏水流结构。

②雷达波不受温度、湿度、气压影响。

图1 工作原理图

表1 误差数据统计表

③不需建造测井，节省土建投资。

④法兰或螺纹连接，安装方便。

⑤无触点开关元器件。

⑥无机械磨损，稳定耐用。

⑦供电电源和输出信号使用同一根两芯线缆。

⑧可通过菜单驱动的字符显示器在现场操作。

⑨价格高，一旦损坏维修周期长。

三、数据比测

因白莲泾站为临时站，建站时间短，且没有相同位置水文站的水位数据进行比测，故取与其相邻的黄浦公园水文站、苏州河闸外站和杨思水文站所测得水位数据进行比测。同步水位观测对比见图2。

本次比测从2010年7月12日到2010年8月20日,比测总时间为40d。仪器参数设置:每5m i n采集1次数据，随采随存。经过1个多月的比测试验，共获得数据11520组，摘录比测数据1152组，比测期间水位从最高3.94m到最低1.61m，水位变幅达2.33m。

《水位观测标准》（GBJ138-90）规定：置信水平95%的综合不确定度不应超过3cm,系统误差不应超过±1cm。按照ISO《导则》的B类不确定标准：U0.95=2Sg。

其中Sg可用公式表示：

式中：Sg为标准差不确定度；

xi为各次雷达水位读数；

n为观测次数。

标准差不确定度Sg用下式计算:

则置信水平95%的综合不确定度U0.95=2Sg=0.0254 m。

系统误差Sj可用公式表示：

根据上面两式计算，置信水平95%综合不确定度为2.54cm≤3 cm，系统误差为0.1cm≤1.0 cm，此两项指标均满足水文规范要求。

四、数据分析

图2 相邻站同步水位观测对比图

本次比测变幅、次数、时限均满足《河流水文观测技术与标准规范》第三篇第五章第5.2.2条规定：“比测时,将水位变幅分为几段，每段比测数在30次以上，测次在涨落水面均匀分布，并包括水位平稳、急剧变化等情况下比测值，长期自记水位计应取得1个月以上连续完整的比测记录”。虽不满足新仪器比测的时间不得小于1个汛期的规定，但仪器正常运行时间已达4个半月（上海地区汛期一般为4个月，因上海举办世博会，汛期延长至6个月）。

本次比测结果中综合不确定度U0.95达到规范要求，但其数值偏大。统计时段内误差参见表1。

综合不确定度偏大主要因素分析：

①黄浦江受潮汐影响水位变幅大、变化速度快。

②该处河段为通航河段，来往船只产生波浪等必然对其产生影响。

③河道内水草、杂物等漂浮物也会影响其测量准确度。

④相邻测站同样受潮汐、波浪影响，其所测得水位也可能存在一定测量误差。

五、结论

FM R250型雷达水位计结构紧凑、安全可靠、装卸维护简单、观测传输快捷、精度高，适合在温差大的常年无封冻河段上使用。通过误差分析U0.95综合不确定度和系统误差不超过规范要求的3cm和±1cm，完全满足防汛水位的观测要求。但其存在价格较高、维修周期长、U0.95综合不确定度偏高、最大绝对误差达11cm等缺点。

通过此次比测分析并综合各方面特点，雷达水位计更适合作为浮子水位计的补充，在某些无法建立浮子水位测井的地方可以作为水位观测仪器加以利用

上海市水文总站200232）