枞阳闸水文站雷达水位计与人工观测水位比测研究

李海露

（安徽省安庆水文水资源局，安徽 安庆）

引言

枞阳闸水文站闸下游水尺断面不同阶段水位变幅过大，且低水位时水位测验难度大，人工观测水位数据结果无法满足测报时效性需求，为优化测站水位观测精准度，引入雷达水位计。作为自动化、智能化程度较高的水文测量仪器，雷达水位计受测量方法、测量章程以及外界因素等多重因素影响，可能出现一定误差。笔者将结合枞阳闸水文站实况，将雷达水位计和人工观测二者所产出数据比测分析，以此验证雷达水位计是否真正适用于水文资料作业。

1 测站概况

1.1 测站区位

枞阳闸水文站位于安徽桐城市鲟鱼镇，属于国家重要水文站，测验项目主要包括水位、流量、降水量、墒情、水质等。该站距城区中心约2 000 m，据测验断面约600 m，到站内各个观测场地均能在10 min 内抵达，交通十分便捷。

1.2 测验断面和水位设施

流量测验河段较顺直，两岸有堤防控制高水位。闸下游基本水尺断面距闸门约150 m 处，闸下游配备有人工观测水尺一组。

1.3 水文站特性与河段状况

枞阳闸上游山区地形较为险峻与陡峭，上游集水面积为3 340 km2，降水量相对集中，暴雨洪水季节，长江同时处于高水位期，枞阳闸出流受长江水位影响。通常情况下，汛期白兔湖水位上涨，非汛期长江水位不影响枞阳闸出流时，开闸泄出汛期囤蓄于湖泊的洪水，白兔湖水位缓慢下降。过闸流量受上、下游水位及工程调度的综合影响。此河段河床为纯粘土组成，较稳定。

2 测站雷达水位计性能

枞阳闸水文站所安装的雷达水位计被固定在下游水位房水泥步道上，仪器测量范围约为0.8～40 m，分辨力可精确在0.1 cm 内。因其脉冲式的天线样式，强悍的产品功耗工作电流≤10 mA、静态值守电流≤1 mA，优质的RS485 数字信号输出媒介以及在-20℃～55 ℃内都适用的工作性能。在安装时需要确保雷达水位计立杆与被测河段断面保持垂直关系，消除雷达水位计与被测物体间的遮挡物，避免雷达波发射率受到干扰，导致测量精确度下降。同时，雷达水位计的发射波束半径不可超出水位计中心距离水体岸边的距离，并固定好悬臂支架，通过安装铁箱，并在内部放置雷达水位计探头，防止设备受到外力破坏。自顺利完成安装之后，运行至今，都并未发现明显故障问题，即使是在面对汛期等恶劣环境背景下，此雷达水位计也能处于正常有序的运行状态中，实用性十分显著。同时，此水位计还具有抵抗外界干扰，不仅顺利地通过了两天两夜的盐雾腐蚀性能试验，而且还通过了《华东水文仪器检测中心》的细致化校准检测，有着十分突出的使用优势。

该雷达水位计测流原理主要是凭借反射以及接收雷达波实际产出距离，来对水位实现细致测量的，具体的水位测量数据产出，可严格依据下述水位测算方程加以计算，公式（1）如下：

式中：H 表示水面至雷达水位计之间的相对距离，单位为m；C 表示具体光速，单位为m/s；T 则表示雷达波发射以及接收到水面所需要用到的具体时间，单位为s[1]。

3 比测方法部署

3.1 基于人工观测视角的数据

为保障分析结果更为合理，枞阳闸水文站将雷达探头的安装位置有意识布置在全年水位平稳处，以此优化人工观测水位与雷达观测水位数据一一对比的线性格局。本次分析对比工程主要选用2023 年4 月至6 月的人工水位观测数据以及雷达水位计水位观测数据实现对比分析，资料严格依据水位观测标准之中的章程规定以及测量任务书要求，计划每8 h、20 h都要实现定点观测。最后，涨、退水过程期间也要自觉优化顶层设计，有意识增加观测次数，以此保障资料来源更为真实可靠。

3.2 基于雷达水位计视角的资料数据

基于《水位观测标准》规定，计划在对雷达水位计比测过程中，4 月到6 月人工观测水位次数可达到188 余次，水位数据产出结果的比测也要保障置信水平超过95%，综合不确定性低于2.90 cm，系统误差严格把控在1 cm 左右。

3.3 比测分析步骤

步骤如下：

（1） 数据科学性分析，具体要将比测时间范围内雷达水位计观测水位数据以及人工观测水位数据在同一张图纸中实现水位过程线细致点会以此直观分析两个水位过程线是否趋于一致，如若发现过程线并不一致，要及时对比测数据系列实现细致性检查。如若精准定位数据不合理之处，则要立即结合雷达水位计观测水位以及人工观测水位实现合理修正。

（2） 比测资料相关性分析，需要结合水位资料以及有效数据，基于收集到的水位观测信息，绘制雷达水位计与人工观测水位过程线，根据实际研究发现，两种观测方式下的水位变化趋势无明显差异，且不存在较大偏离，变动趋势基本符合我国编制的水利水电建设工程验收规程中的相关规定。之后还要借助系统软件对观测数据实施线性拟合，确定雷达水位计与人工观测水位相关性是否优良。

（3） 比测误差合理性分析。积极推进人工观测水位以及雷达水位计观测的水位数据实现误差分析比。

（4） 比测结果分析总结。基于统筹视角，对不同误差出现次数实现总结，并及时对不同比对误差的分布加以统计[2]。具体流程见图1。

图1 比测工序流程示意

4 基于统筹视角的比测分析

4.1 误差统计分析

4.1.1 雷达水位计的观测误差

在枞阳闸水文站水位人工观测运行期间，测量人员可能因为主观意识以及波浪等不可控因素影响，致使读数代表性弱，时间不准等问题出现，从而出现较大的观测误差。为有效减少误差出现，测量人员应随时校对观测的时钟，观测水位时，身体应蹲下，使视线尽量与水面平行，避免产生折光；有波浪时，可利用水面的暂时平静进行观读或取峰顶峰谷水位的平均值；当水尺水位受阻水影响时，应尽可能先排除阻水因素，再进行观测。采取多次观读，凭借平均值的有机求取，科学控制测量误差。具体的计算公式如下：

4.2 统计总结

依据上文所提及步骤及具体计算公式，雷达水位计以及人工观测值误差生成数据统计，详情见表1。

表1 案例水文站水位段误差详情数据统计

式中：di表示比测产出偏差；xci表示自动化雷达水位观测具体数值；xsi表示人工水位的实际观测数值；d 表示比测偏差的平均值；s（di）y则代表基于比测变差视角下的实际标准差。

为进一步优化数值精准度，可将水位观测的取值为x0，随机误差设置为Δ，系统误差设置为ε，在此时，人工水位观测值即为水位观测取值+Δs+εc，雷达水位观测值则为水位观测取值+Δc+εc。此外，为避免出现人为操作失误引发的测量误差，还需要规范好技术人员的测量行为，保证工作人员具备丰富的知识储备与实践经验，能够有效应对突发事故，保持良好的安全意识与岗位意识，并积极学习先进的技术手段，为水文站的正常运营提供科学依据。

4.1.2 基于不确定度的雷达水位

2023 年4-6 月，枞阳闸水文站闸下游最高水位为11.33 m，最低水位为6.88 m，变幅为4.45 m。为进一步优化比测成效，需严格依据《水位观测标准》相关规定，以自动化监测设备的介入，实现监测水位作业落实。在此需特别注意，想要科学完善统计数据总结，还需要积极对系统之中的不确定性，随机性以及综合不稳定度展开计算分析[3]。具体的估算步骤可严格依据下述公式加以落实：

式中：X"y表示为系统的不确定、不稳定度；Pyi表示水位自动化观测产出数值；Pi表示为水位的人工实际观测数值；N 表示为观测实际介入次数；X'y表示为随机型较高的不平稳性；XZ则表示基于统筹视角下的不稳定度具体数据。

基于相关性分析视角，以同一时刻的雷达水位计监测的水位数值为纵向坐标，人工观测水位数值为横向坐标，建立关联程度较高的相关分析图，具体见图2。

图2 雷达水位与人工水位相关图

再基于过程线对比这一视角来看，整体的水位过程是连续不间断且渐变的一种涨落态势，在4 月至6月之间，水位偏差最小为0 cm，最大为2 cm，整体的偏差，都在误差范围之内。

最后立足于误差结果分析这一层面上来看，立足于上百次的人工水位观测数据以及雷达水位计水位观测对比数据，在充分利用《水位观测标准》之中的估算公式，对系统不确定性，随机不稳定性，综合不确定性展开计算后，不难发现，满足规程要求，符合水位观测标准需求。

5 结果总结

（1） 本站所使用的雷达水位计结构严密、封闭紧凑，在装卸、维护以及快捷观测方面有着十分显著的介入成效。通过对枞阳闸水文站2023 年4-6 月水位比测，综合不确定性的及系统误差的统计，其比测综合不确定度的系统误差都保持在可允许误差范围内，实用性较强[4]。

（2） 雷达水位计在设备运行期间的观测精度可完全满足规范需求，水位观测作业落实期间可直接使用雷达水位计实现数据观测。但需额外注意，考虑到在面对情况较为复杂的水位变幅情况时，雷达水位计的数据可能会产生一定偏差，为此，观测人员需秉持着具体问题具体分析原则，在发现整体的测量断面情况较为复杂时，积极借助雷达水位计和人工水位测量有机结合的手段，实现细致水位测量，以此保障水文观测数据更为精准。

（3） 立足于可持续发展视角来看，要自觉强化水文智能化专业人才培训以及水文雷达水位计养护队伍的建设。在河流汛前、后使用期间，主动对仪器实现维护，并凭借自动化程度较高测站水文系统的管理运行，尽可能延长雷达水位计现实使用寿命。

6 结论

综上所述，依据本文比测结果，枞阳闸水文站依据雷达水位计所产出的水位观测资料精准度可顺利满足《水位观测标准》要求，由此可推断，本测站的雷达水位计水位观测资料产出数据可完全替代人工观测落实，并直接运用于统筹水文资料整编领域之中，在未来，此测站要自觉将自动化程度较高的雷达水位计作为常规性水文观测设备，快速且高效推进数据检查及监测作业落实。