阿勒泰地区雷达水位计的应用及比测分析

 

水位是水文测站重要的水位观测要素之一，其和液位、雨量观测一致，具有长期性和连续性观测的特点［１］。传统水位观测方式主要为人工观测以及浮子式水位计的方式，人工观测水位计优点受外界干扰较小，缺点在于人工水位观测误差分散剂不确定度高［２］。浮子式水位计的优点在于可实现自动水位观测，但缺点在于由于大都是机械式结构，受杂物干扰容易卡住浮子，从而影响水位计的正常观测［３］。近些年来，新型雷达水位计在新疆地区得到应用，其通过雷达波反射原理进行水位的测定，这种方式可实现水位自动、快速测定［４］。为保证雷达水位计观测数据的一致性和精确度，需要采用人工观测方式进行雷达水位计的比测分析，从而分析其雷达水位计的误差是否满足《水位观测标准》ＧＢＴ５９１３８－２０１０的要求［５］。雷达水位计的比测分析在国内一些水文测站中得到研究［６］，分析结果表明雷达水位计在低水位观测精度受外界干扰大，而在中高水监测基本能满足精度要求。为提高雷达水位计在群库勒水文站的应用效果，开展其雷达水位计应用和比测分析，研究成果对于雷达水位计在群库勒水文站使用范围具有重要参考意义。

 

１、水位观测误差统计方法

分别采用系统误差、随机不确定度以及标准差三个指标作为雷达水位计和人工水位观测比测试验的精度评价指标，各指标计算方程分别为：

（１）系统误差

（２）标准差

（３）随机不确定度

ＸＣｓ＝Ｘ′Ｃｓ／２×１．１５（４）

式中：ΔＮ为系统误差；Ｃｓｉ和Ｃｓｃｉ分别为第ｉ次观测的的水位（ｍ）和人工观测水位（ｍ）；ｎ为测点分布的总数；Ｓｅ为实测采样点的含沙量标准差；Ｘ′Ｃｓ为９５％置信水平下的随机不确定度；ＸＣｓ为７５％置信水平下的随机不确定度。

 

２　雷达水位计比测分析

２．１　站点概况

新疆阿勒泰地区的群库勒水文站为是额尔齐斯河一级支流布尔津河干流主要控制站点，站点所在流域在阿尔泰山脉及准格尔盆地的的西南和北沿区域。群库勒水文站所在测验河段的总长度为２００ｍ，属于宽浅型河槽，高水位时期河槽宽度可在８０～１２０ｍ之间，河床及右岸由卵石、砂砾石组成，左岸为浆砌石护堤，冲淤变化一般较小，低枯水时。两岸的水草较多，及时清除后对水位测验无影响。下游３０ｍ有四孔公路桥，低水位时左岸约有３０ｍ的滩地。水文站采用的雷达水位计型号为ＷＦＸ－４０型，站点zui高水位为６７５．０７ｍ。

 

２．２　原始比测误差统计分析

选用群库勒水文站２０１８年６－８月水位比测数据，该时期为群库勒水文站的中高水位期，比测数据为２８２个，对不同时期的比测误差进行了统计分析，结果如表１所示。

　　从分析结果可看出，群库勒水文站在中高水位时，比测水位误差在±４ｃｍ的次数为１６次，出现的机率为５．６７％，水位比测误差在±３．５ｃｍ的次数为２５次，出现的机率为８．８７％。比测误差在±３．０ｃｍ的次数为３４次出现的机率为１２．０６％，而水位比测误差在±２．５～±０．５ｃｍ的次数分别在１２～５２次之间，出现机率介于４．２６％～２３．０５％之间。中水位时比测系统误差可控制２ｃｍ，综合不确定达到置信度９５％的值为２．５ｃｍ，高水位时比测系统误差可控制１．５ｃｍ，综合不确定达到置信度９５％的值为２．０ｃｍ，随着水位的增加其比测系统误差和不确定度降低。按照《水位观测标准》ＧＢＴ５０１３８－２０１０的误差要求，ＷＦＸ－４０型雷达水位计在群库勒水文站中高水位应用时可满足精度要求。２．３　不同时间下的比测误差统计分析对群库勒水文站早上、晚间、汛期、枯期进行了雷达水位计的比测分析，分析结果如表２所示。

按照《水位观测标准》ＧＢＴ５０１３８－２０１０的误差要求，雷达水位计比测试验其综合不确定度在置信度为９５％的水平下其值为３ｃｍ，系统误差应控制在±１．０ｃｍ的范围内，经过不同时期的误差统计分析结果可看出，雷达水位计在群库勒水文站综合不确定度在置信水平９５％下值为１．８ｃｍ，系统误差均小于±１．０ｃｍ，可满足水位观测的要求。从不同时间尺度下的误差统计分析结果可看出，随机误差在±１．０ｍ和±１．５ｃｍ的占比超过５０％，而在±０．５ｃｍ的随机误差的占比较低。不同水势下随机误差均有所出现，但在落水段随机误差相对出现的机率较大。

 

２．４　误差关系曲线分析

对群库勒水文站雷达水位计和人工观测值进行相关性的检验，分别对相关线进行符号、偏离度以及适线的检验，检验结果如表３所示。

 

表３　群库勒水文站雷达水位计比测误差关系曲线检验结果

 

从相关线符号、适线以及偏离度的检验结果可看出，各项检验值均可达到合格水平，且均通过９０％的检验水平，群库勒水文站雷达水位计的水位观测值标准差为０．８５％，表明可采用雷达水位计观测的水位值代替人工观测的水位值。

 

３　结语

（１）群库勒水文站在中水位时比测系统误差可控制２ｃｍ，综合不确定达到置信度９５％的值为２．５ｃｍ，高水位时比测系统误差可控制１．５ｃｍ，综合不确定达到置信度９５％的值为２．０ｃｍ，随着水位的增加其比测系统误差和不确定度降低，因此雷达水位计适合于站点中高水位的水位观测。

（２）从不同时间尺度下的误差统计分析结果可看出，随机误差在±１．０ｍ和±１．５ｃｍ的占比超过５０％，而在±０．５ｃｍ的随机误差的占比较低。不同水势下随机误差均有所出现，但在落水段随机误差相对出现的机率较大。