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阿勒泰地区水文站雷达水位计和人工观测水位方法对比探讨

作者: 来源: 发布时间:2020-11-14 10:27:18

 [摘要]采用先进的水位观测仪器,可以有效降低水文观测人员的工作强度,提高水文测验的时效性,为区域水文巡测的全面开展奠定关键的基础。文章采用对比观测分析方法,对阿勒泰某水文站雷达水位计记录水位和人工水位进行对比分析,并对其对比观测试验的关键要素进行分析,结果表明:雷达记录水位在不同水位级下综合不确定度0.022%~0.035%之间,满足基本水文站水文测验误差规范要求,可用来进行阿勒泰地区水位的自动观测。

 
水文测验自动化是水文部门事业发展的必然趋势,水文测验自动化也是当前水文测验新技术发展的重要平台[1]。采用先进的水位观测仪器,不仅可以有效降低水文观测人员的工作强度,提高水文测验的时效性,从而为区域水文巡测的全面开展奠定关键的基础[2]。当前,雷达水位计在水文部门逐步得到应用[3-5],该仪器可以实现水位的观测、数据的采集以及水位数据的自动存储,是水位观测的先进仪器,雷达记录水位的性能较为稳定,对环境温度总体要求不高,可以实现水位的连续观测。新的仪器使用zui为关键的是其是否能满足水文测验的精度要求,近些年来,许多区域的水文工作者通过对比观测的方式,对雷达记录水位的测验精度进行分析,成果均表明雷达记录水位总体精度可满足水文测验的规范要求,基本可替代传统的人工水位观测方式。阿勒泰地区水文站也已经安装雷达水位计,其测验精度还在分析中,本文结合对比观测分析的方式,通过人工观测对比的方式,对其雷达记录水位的综合不确定度进行分析,分析成果可指导阿勒泰地区水文测验巡测方案的设置具有重要的参考价值。
 
1、雷达水位计主要工作原理
雷达水位计主要采用非接触式的澳门新葡亰平台游戏app,结合雷达脉冲方式对河流表面的水位进行测定,高效以及性能稳定的雷达脉冲以及非接触式测验方式也使得雷达水位计在水位测定过程中受外界环境的影响程度较低,外界环境包括水位观测时的温度、河流中的污染物以及沉淀物的综合影响,使得其水位观测值变化较为稳定。
 
雷达水位计主要是应用雷达脉冲技术来进行水位的观测,雷达水位计示意图见图1,其前部的夹板有有2个发射脉冲信号和接收信号的天线,每次水位测定是通过前端的发射天线发送雷达脉冲信号到河流水体的表面,脉冲信号经过水体表面发射后,通过接收天线接收反射信号,从发射信号到接收到信号的时间长短取决于水位计探头距离水面之间的距离,雷达水位计通过该距离以及信号发射和接收的时间间隔来分析其水位测定值。
雷达水位计示意图
2水位对比观测注意事项及误差分析方法
2.1水位对比观测注意事项
选取2019年阿勒泰某水文站1月至8月的雷达以及人工观测数据进行同步对比分析,有效观测数据组为255组,数据有效率为95.6%,数据分布包括高、中、低三个水位级。在划分水位级的时候,根据水文测验规范要求,以该水文站年zui高瞬时水位作为计算依据,10%频率对应的水位可以划定为该站点的高水位级,90%频率对应的水位相应为低水位级,50%的频率对应下可以为中水位级。根据水位观测标准(GB/T50138-2010)中的相关规定,采用自计水位进行对比观测分析时,可以按照河流水位的变动范围进行多个时间段的观测对比分析,每一个时间段观测的次数应大于30次。
 
人工水位观测的误差主要来自于水文测验人员视线与水面不平行造成的折射观测误差,因此在进行人工水位观测时,测验人员应尽量蹲着,使得自己的视线与水面相平行,降低光线折射产生的误差,并在河流水面较为平稳时,通过基本水位尺进行水位数值的读取,也可以通过水位变化峰顶或者峰谷值,取平均值。当水位尺受到阻水影响,首先要对产生阻水的因素进行排查,消除阻水因素,再进行水位的人工观测。应对水位观测时的时钟进行不断的校对,通过对此水位观测取其平均值,有效降低人工观测的误差。
 
2.2误差分析方法
首先是分析雷达记录水位和人工记录水位之间的比测偏差,其计算方程为:di=xci-xsi(1)
在方程中di表示为比测偏差;xci表示为雷达水位记录数值(m);xsi表示为人工观测水位数值(m)。比测偏差的标准差计算方程为:
偏差的标准差计算方程
在方程中s(di)y表示为比测偏差的标准差;m表示为对比观测的次数;d表示为比测偏差的平均值,其计算方程为:
比测偏差的平均值
按照水位观测标准(GB/T50138-2010)中的相关规定,进行水位比测时应对观测的系统不确定度进行分析,分析方程为:
比测时应对观测的系统不确定度进行分析
其中在方程中xy″表示为系统不确定度;Pyi表示为雷达水位计的水位(m);Pi表示人工观测的水位(m);N表示为对比观测的次数。随机不确定度的计算方程为:
随机不确定度的计算方程
在方程中xy'表示为随机不确定度。在随机不确定和系统不确定的基础上,计算其综合不确定度,计算方程为:
计算其综合不确定度,计算方程
在方程中XZ表示为综合不确定度。
 
3对比观测分析结果
3.1站点测验设施
研究水文站点有基准站点,基本水尺可有效满足不同水位级别的对比观测要求,主要的水文测验设施有基本水尺、基准点、液位测验缆道、起点距的相关标志。测验设备包括流速仪、水准仪、秒表以及浮标等。
 
3.2比测偏差分析结果
选取2019年阿勒泰某水文站1月至8月的雷达以及人工观测数据进行同步对比分析,有效观测数据组为255组,数据有效率为95.6%,数据分布包括高、中、低三个水位级,统计不同组雷达记录水位与人工观测水位的比测偏差结果,统计分析结果见表1。
 雷达记录水位与人工观测水位比测偏差分析结果雷达记录水位与人工观测水位比测不确定度分析结果
水位观测标准(GB/T50138-2010)中对水位对比观测的偏差进行了相关规定,要求不同比测的系统随机误差应在1%以内,从各观测组数的相对偏差可看出,相对偏差均在1%以内,随着组数的增加,其相对偏差有所增加,这是因为组数增加后,加大了观测的随机误差,使得相对偏差有所增加,但均在水位对比观测的标准范围之内。此外,从其观测的对比偏差可看出,综合绝对偏差均在2cm之内,满足观测标准要求的综合误差3cm之内,由于随机误差的增加,使得随着组数的增加,其观测综合偏差也相应增加。从统计分析结果可看出,在255组观测试验中,研究站点的雷达记录水位偏差满足水位观测标准(GB/T50138-2010)中的误差要求。
 
3.3对比观测综合不确定度分析结果
在比测偏差分析的基础上,对各观测组数的系统不确定度、随机不确定度以及综合不确定度进行统计分析,分析结果见表2。
 
从各观测指数的综合不确定度可看出,不同观测指数下其综合不确定度在0.022%~0.035%之间,而水位观测标准(GB/T50138-2010)中规定自动观测水位计的综合不确定度应控制在3%以内,因此该站点雷达记录水位可满足站点水位监测的规范要求,符合计算结果的综合评定。从表中还可看出,随着观测组数的增加,其随机不确定度有所增加,这主要是因为对比观测组数的增加后,其水位观测随机误差有所增加,从而增加了其随机的不确定度,而随机不确定度的增加,使得其综合不确定度也相应增加,但总体均满足水位观测标准(GB/T50138-2010)中的对比观测不确定度的要求。
 
3.4不同水位级下对比观测误差分析结果
在划分水位级的时候,根据水文测验规范要求,以该水文站年zui高瞬时水位作为计算依据,10%频率对应的水位可以划定为该站点的高水位级,90%频率对应的水位相应为低水位级,50%的频率对应下可以为中水位级。按照水位观测标准(GB/T50138-2010)中对比误差规定,统计不同水位级下的观测误差值,分析结果见表3。
不同水位级下雷达记录水位与人工观测水位比测误差分析结果
从表3中可看出,高、低水位下的综合不确定度均小于中水位下的综合不确定度,雷达水位计结合雷达脉冲方式对河流表面的水位进行测定,高效以及性能稳定的雷达脉冲以及非接触式测验方式也使得雷达水位计在水位测定过程中受外界环境的影响程度较低,因此在高、低水位影响较小,而在中水位时,由于及随机不确定度有所增加,使得其综合不确定度相应增加。
 
4结语
(1)雷达水位计可以作为阿勒泰地区水文站常规的观测设备,尤其是可在中小河流地区进行安装,实现中小河流站点的巡测;(2)需重点关注雷达水位计的跳变,可通过增强其雷达水位计的发射功率,增加信号传输强度,并对水位测定数据进行过滤和均值计算,解决相应的跳变问题;(3)建议在汛期每日的8时进行水位的对比观测,从而避免雷达探头出现故障使得水位数据丢失或采集的数据失效。

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