雷达自记水位计在赵城水文站的应用

孙花龙

摘  要：文章主要基于赵城水文站在使用雷达自记水位计的过程当中，针对雷达自记水位计的组成，工作原理，自记水位数据应用于水文资料整编，自记数据出现的特殊情况及应对措施进行了分析概括;并对其存在的测验误差进行了分析总结，通过人工与自记水位数据的对比分析，验证了雷达自记水位计可以应用于赵城水文站水位测验。

关键词：赵城水文站;雷达自记水位计;自记水位数据整编

中图分类号：S914文献标志码：C

随着水位测验逐渐由人工向自动化转变，赵城水文站在水位测验自动化方面进行了多次实践，目前已实现由雷达自记水位计替代人工进行水位监测。赵城水文站位于临汾市洪洞县汾河中下游，现配备有雷达波自记水位计及雷达波在线测流设备等现代化水文测验设施，本文主要针对雷达波自记水位计在赵城水文站水位测验及整编方面的应用进行了分析论证，为雷达自记水位计应用于赵城水文站水位测验提供了依据。

1 测站基本概况

赵城水文站始建于1995年，由山西省水文总站设立;1996年领导机关更名为山西省水文水资源勘测局，2020年领导机关恢复为山西省水文总站。由上游石滩水文站（1951年5月设立）下迁至此，位于汾河干流中下游，洪洞县赵城镇西街村，站房位于汾河左岸;地理坐标东经111°41′，北纬36°27′。测验任务主要有降水、蒸发、水位、流量、水质、含沙量、水温、冰情、墒情等项目。

赵城水文站是按照直线原则规划的基本水文站，也是国家重点水文站，主要收集义棠至赵城区间暴雨、径流及泥沙资料。流域内有静升河、玉成沟、交口河、段纯河、仁义河、姚村河、对竹河、南涧河、辛置河、团柏河10大支流汇入，集水面积28676km2，距入河口229km，控制河长484km，流域平均纵坡1.7‰。

测验河段顺直，河床由砂砾石、细沙组成，两岸均筑有石堤，右岸堤坝外为耕地。基下约300m，基上约800m，各有一弯道，基上90m有一组座公路桥，高水时流向基本顺直，中低水受弯道，及桥墩影响有斜流，冲淤变化不大。设站以来实测最大洪峰流量1130m3/s，发生在1996年8月8日， 相应最高洪水位476.31m，最大断面平均含沙量136kg/m3。雷达自记水位计观测平台位于基本断面左岸起点距42.0m，基本断面以下16.0m处，雷达自记水位计基准高程为481.58m。

通过对赵城水文站1995～2017年的23年径流系列资料分析，采用年特征值法确定高、中、低水位级。统计1995～2017年各年的瞬时最高水位、日平均水位、最低水位。采用皮尔逊Ⅲ型曲线，对三种水位分别进行频率计算。应用的公式如下：

Pm=mn+1（m=1，2，3，…n）;X-=1n∑ni=1xi;

cv=∑ni=1（ki-1）2n-1;ki=xix-;

cs=∑ni=1（ki-1）3（n-3）c3v

當频率P=10%，cscv=2.5，高水位Z>=474.50m;当频率P=50%，cscv=2.5，中水位Z>=473.87m;当频率P=90%，cv=2.5，cscv=2.5，低水位Z>=473.00m。

2 雷达自记水位计的应用

2.1 雷达自记水位计的组成

赵城水文站雷达自记水位计主要有雷达水位计平台，水位计台由仪器平台、悬臂、钢管支架及基础组成;仪器平台主要由供电设备、雷达水位传感器、数据采集终端（RTU）、GSM/GPRS通信传输设备、防雷设备等配件组成。通过以上设备实现水位信息的自动采集、传输与储存，随时掌握河流的水位变化情况。

2.2 雷达自记水位计的工作原理

雷达自记水位计是利用时差原理计算到水面的距离。设备传输固定频率的脉冲，然后接受并建立回波图形。雷达自记水位计记录脉冲波经历的时间，而电磁波的传输速度为常数，算出水面到雷达水位计的雷达天线的距离，即可测出水位。

关系式为：h=12×v×t

式中，v为电磁波的传播速度，m/s;

t为雷达波往返水面的时间;

h为雷达水位传感器至水面的距离。

雷达自记水位计中设置有探头基准高程H，通过雷达自记水位计可以测到水面到雷达传感器的距离h，那么水位为Z=H-h，即可得到水位数据。

2.3 雷达自记水位数据使用依据

本次通过水位变幅分几个测段进行人工与自记进行比测，对同步时间下相应数据进行对照分析，按照《水位观测标准》（GBJI38-90）规定，水位比测结果应符合：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1%。《水文测验手册》对自记水位计比测结果的要求是：75%以上测次偶然误差不超过±2cm，系统误差不超过±1cm。本次比测随机不确定度采用符合置信水平95%的综合不确定度小于等于±3cm;系统误差不超过±1cm，作为允许误差指标。

系统不确定度计算：

Xy″=∑Ni=1Pyi-PiN

式中，Pyi为自动监测水位; Pi为人工校测水位;N为校测次数。

随机不确定度计算：

Xy′=2∑Ni=1Pyi-Pi-X″y2N-1

综合不确定度计算：

XZ=Xy′2+Xy″2

2.4 雷达自记水位数据的应用

2.4.1 人工与自记数据的对照分析

通过一系列人工与自记测验数据进行分析，首先对雷达自记异常数据进行剔除，其次根据自记水位与校核水位系统偏差，对自记水位数据进行订正，订正后，自记水位与人工水位数据变化过程基本吻合（见图1），且能反应水位变化的完整过程，其综合不确定度为0.029m<0.03m。结果符合规范要求的允许误差标准，符合GB/T 50138-2010《水位观测标准》标准中的相关规定，能达到水位整编规范要求，故雷达自记水位数据能参与水位资料整编。

2.4.2 鋸齿状水位数据的处理

由于该站纵坡比降大，基下30m处有跌坎，水面波浪大、河道漂浮物等因素影响导致自记水位数据会出现锯齿状变化过程（图2），故需要对自记数据进行人工干预处理，以满足整编要求。

该站雷达自记水位计主要有数据量大、锯齿状数据变化过程，为了精简水位数据，消除水位数据锯齿变化过程，本站采用数据平滑软件对水位变化过程进行了抽析、平滑（见图3），达到了水位整编规范要求。

2.5 误差分析

由于雷达自记水位计在使用过程中，受众多因素会产生误差，通过对1029次人工与自记水位测验数据的分析，对产生误差的原因进行了总结。

2.5.1 受风浪、探头基准高程设置等原因的影响造成系统误差;

2.5.2 人工与自记观读时间同步误差导致的测验误差;

2.5.3 雷达自记水位计安装位置在基下16.0m处，不同水位级断面的变化不一致引起的误差。

2.5.4 受漂浮物影响导致的人工与自记观测误差。

3 特殊情况应对措施

3.1 根据GB/T 50138-2010《水位观测标准》，该站采用自记水位计的校测定期进行，每日8：00时进行人工观测水尺进行校测，水位涨落发生较大变化时，视情况而定增加人工校测段制;当仪器不稳定或出现故障时，立即恢复人工观测;每次校测时，对校测时间、校测水位值及自记水位值进行记录，分析是否对水位初始值进行重新设定。

3.2 本次比测数据中，水位处于低、中水位级，根据GB/T 50138-2010《水位观测标准》，自记水位过程呈锯齿状时，采用中心线平滑方法进行处理，以满足整编要求。当水位变化达到高水位级时，将继续进行人工与自记水位数据的同步观测比较，以便进行数据分析，是否符合规范要求。

3.3 该站基本断面宽为206.0m，测验河段顺直，砂砾石河床，两岸均筑有石堤，右岸堤坝外为耕地。高水时流向基本顺直，中低水受弯道，及桥墩影响有斜流，冲淤变化不大。当出现历时低水位或者分槽时，我站也进行了特殊情况的水位数据比测分析，自记水位数据能达到整编规范要求。

3.4 距赵城站上游10km处有郭庄泉出流，由于上游泉水影响，河道未出现冰情现象;当遇到施测流量及含沙量的水位时，会根据时间先后顺序插入相应水位测次，以满足整编规范要求。

4 结论

通过赵城水文站人工和自记数据的比测分析，雷达自记水位计的各项指标均满足生产要求，水位测验精度符合《水位观测标准》、《水文测验实用手册》、《水文资料整编规范》的规定要求，并且操作方便，与人工观测水位相比精度高、抗干扰能力强，因此赵城水文站雷达自记水位计可应用于水位资料收集，自记水位数据亦可应用到水文资料整编。但鉴于赵城水文站测站特性，在雷达自记水位计使用过程当中，应特别注意水位出现的异常数据、锯齿状变化过程需要人工干预进行特殊处理，以满足相应规范要求。

参考文献：

[1]水位观测标准，中华人民共和国国家标准，2010，25-26，66-69.

[2]水文测验手册，中国水利水电出版社，2013，157-158，176-178.

[3]水文资料整编规范，中华人民共和国国家标准，2013，20.

Application of radar self-recording water level gauge in Zhaocheng Hydrological Station

SUN Hualong

（Linfen Hydrology and Water Resources Survey Station， Linfen 041000， Shandong China）

Abstract：Based on the process of using radar self-recording water level gauge in Zhaocheng Hydrological Station， this paper analyzes and summarizes the composition and working principle of radar self-recording water level gauge， the application of self-recording water level data in hydrological data compilation， and the special cases of self-recording data and corresponding measures. By comparing and analyzing the water level data of manual and self-recording， it is verified that the radar self-recording water level gauge can be applied to the water level test of Zhaocheng Hydrological Station.

Keywords：Zhaocheng Hydrological Station; Radar self-recording water level gauge; Recording water level data