基于雷达水位计的数据分析及其不确定度计算研究——以大城子水文站为例

张 燕

(辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000)



科技成果

基于雷达水位计的数据分析及其不确定度计算研究
——以大城子水文站为例

张 燕

(辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000)

针对传统水位测量方法的局限性、误差分散性及其不确定性，非接触式雷达水位计作为一种新型水位测量设备正逐步发挥着越来越重要的作用。文章结合雷达水位计的原理及特点，以大城子水文站为依托，通过雷达水位计与人工水位计的对比分析，将水文信息的采集由人工化向机械化、数字化演变，减少了人工测量的频率。此外，在雷达水位计的使用过程中，应加强维护保养，当雷达水位计量测数据误差较大时，应及时进行人工复测。非接触式雷达水位计的使用能够为类似水文站水文信息数据的智能化收集提供保证。

雷达水位计；水文站；应用分析；数据比测；不确定度

水位测量是水文最基本的观测项目，是水利及水电工程建设或防洪报汛必不可少的重要资料。随着水利水文自动化系统的建设和迅速发展[1]，水位观测设备和仪器也迎来了快速发展、快速更新的困难和挑战。

目前的研究主要包括：王忠武[2]等结合工程规模、施工条件以及未来的发展，探讨了不同水位计的适用范围，针对质量要求、数据精确程度的要求，研究了成本低、占地少、功能性强的新型水位计；牛睿平[3]等探讨了新型雷达水位计(WLH-1型)的工作机理、测量方法及精度、信号传输方式、整体构造，并对样机的实测数据进行了研究；许笠[4]等研究了水位自动检测系统在实际工程中的优缺点，并详细分析了雷达水位计在试验区的应用情况；周密[5]等针对人工测量水位的局限性与测量仪器的误差，发明了基于K波段雷达水位计，提出众多提升结构稳定性和降低整体不足的建议；此外，王伟，董先勇[6]，李海防，卫伟[7]，马文进，高贵成[8]，汪君，王会军[9]等也对水文测量方面进行了深入的研究，并取得了一定的研究成果。

然而，随着经济的发展，水位计逐步向智能化方向发展，但通过分析研究现状可知，雷达水位计的研究仍不够全面，在水位监测时与人工测量有一定的误差，不能精确地测量水位情况。文章结合大城子水文站的实际情况，将雷达水位计实测数据与人工量测数据加以比对，并对雷达水位计的误差进行分析研究。

1 雷达水位计工作原理及特点

1.1 雷达水位计工作原理

雷达水位计是利用脉冲雷达技术手段，加上节能、非接触式的测量技术的一种地表水位液位量测的仪器。由天线发射的电磁波经被测对象表面反射后，被天线接收，即“发射-反射-接收”的工作原理，其基本结构如图1所示，计算方法为：

H=CT/2

(1)

式中：H为设备到被测物的距离；C为光速；T为时间。

确定出天线与水面的距离之后，再结合天线的已知高程计算出水面的高程。

1.2 雷达水位计的特点

1)设备为整体化安装，使用时不存在磨损现象，核心部件采用耐腐蚀性强的材料，环境适应性强。

2)利用电磁波测量的方式，不需传输媒介，不受水体浓度、空气湿度、环境温度等外界条件的影响。

3)结构能有效利用太阳能，无污染，测量范围大，精度高，维修方便，工作年限长。

4)设备工作时，无需水位井即可量测所有液体水位，不会产生紊流现象，可无人值守连续在线测量。

图1 雷达水位计基本结构示意图

2 流域水文站概况

2.1 流域概况

大凌河流域总面积为23549km2，全长达408km，自西北向东南蜿蜒前行。由于地处内蒙古高原向沿海平原过渡的阶梯分界地带，整体分布于辽西低山丘陵地区，地形复杂，其中山丘区面积占总流域面积的81.5%，平原区面积占总流域面积的18.5%。

大凌河流域具有典型的温带大陆性气候，形成了干湿交替分布的区域性气候带。植被类型属半干旱性的温带落叶林带，森林覆盖率为33.5%。流域内气候季节性变化明显，拥有充裕的光照时间，日间温度差异性显著，降水量低，湿热同步。春秋时期风力较弱，仅达到2-3级，但频率较高；冬季主导风向为西北风，风速较大。对风速进行多年统计，取其平均值可达2-4.4m/s，最大风速可达20m/s。

2.2 水文站概况

大城子水文站地处大凌河流域干流中游，重要性较大，被列为国家级重点站。其控制面积5029km2，区间面积3208km2，至河口距离302km。

大城子水文站属大凌河上游区域代表站，其主要功能为防汛抗旱、水库水电站建设运行，兼顾有水资源开发利用服务。该站降水偏少，对降雨量进行多年统计，取其平均值为489.5mm，降雨季节变化明显，易造成不同时段的干旱。夏季6—8月的降雨频率最大，总量可达年降雨量的80%左右，多年平均相对湿度在38%-74%之间。

据历史实测资料记载，最大洪峰出现时，流量达7600m3/s，最高水位达281.80m，最大流速为5.56m/s。2013年前，大城子水文站测验项目均以人工方式进行观测和测验，自2013年建设安装了雷达水位计进行水位测报。雷达水位计监测设施建于测验河段左岸，所在位置和基本断面重合。

3 数据比测

3.1 比测资料的选取

由于气候原因，研究区内1—3月及11—12月出现结冰现象，在此期间雷达水位计的监测数据不具有代表性。因此，在数据研究时，仅结合4—10月份期间每日 8：00、14:00、20:00 三个整时进行雷达与人工数据的相关性研究，其中剔除由于雷达水位计不能正常工作造成的漏测、误测等数据。

3.2 水位资料对比分析

3.2.1 相关性分析

建立雷达与人工观测数据的坐标图，如图2所示。由origin8.0软件实施相关性研究，最终画出拟合曲线，分析曲线趋势可以得出，雷达与人工观测数据之间存在显著性相关关系，软件计算结果显示，关系线k=1.0000，R2=0.9916。因此，雷达及人工测量出的水位呈现出显著性相关关系。

3.2.2 关系线分析

由origin8.0软件的分析可知雷达与人工观测数据的ρ=1，为了更好地分析两者之间存在的线性相关关系，建立图3 所示坐标。研究结果显示，两种观测数据存在y=x的正相关关系。对关系线分别进行符号检验、适线检验、偏离数值检验，当 3 种检验结果均接受原假设时，应认为原定线正确；若出现至少一种之上的检验拒绝原假设，则结论不成立，需探讨产生拒绝的原因，并对原定线进行修改，重新检验，直到这3种检验完全合格方可结束。检验结果见表 1。

表1 关系曲线检验结果

从表1的结果可知，对于正相关关系的检验符合国家相关条例的规定。经过计算，标准差仅达到 0.9% ，充分证明了雷达与人工观测获得的数据可相互替代。

因此，大城子水文站的雷达水位计应用所获得的监测数据资料能较大程度上取代人工监测数据资料来指导水文研究。

图2 观测水位相关性分析图

图3 观测水位关系图

4 雷达水位计系统误差及不确定度计算分析

4.1 资料选取

由于雷达水位计为全自动数据采集，随着时间的推移，考虑到不确定因素的影响，会存在一定的系统误差。因此，应充分考虑多种情况下(静风期、微风期、暴风期)的数据进行研究，选取在水位恒定的情况下雷达与人工同时量测的30次水位作为研究数据[10]。

4.2 不确定度计算

按照《水位观测标准》(GB/T50138—2010)，当运用雷达水位计进行水位监测时，对于不确定度的计算，应采用如下算法，计算结果如表2所示。

系统不确定度的计算公式：

(2)

式中：Pyi为自动监测水位；Pi为人工观测水位;N为观测次数。

随机不确定度的计算公式：

(3)

综合不确定度的计算公式：

(4)

表2 不确定度计算结果 cm

5 结 论

通过雷达水位计与人工水位计的对比分析，雷达水位计的系统误差以及不确定度均符合国家相关规范要求，结合两者之间的比测结果，可得到如下结论：大城子水文站雷达水位计的投入使用，将水文信息的采集由人工化向机械化、数字化演变，其监测成果可取代人工监测数据来进行存档整编。减少人工测量的频率，将雷达水位计设置为大城子水文站的关键性监测设备，仅在测流时以人工量测数据来校核雷达水位。在雷达水位计的使用过程中，应加强维护保养，当雷达水位计量测数据误差较大时，应及时进行人工复测。出于对气候、地貌、经济等综合考虑，建议新建水文站时首选雷达水位计。

[1]陈顺胜,周珂,吕忠烈.浮子式水位计进水口改良研究[J].安徽农业科学,2014(10):3103-3104.

[2]王忠武,杜君.常用水位计在水文自动测报系统中的选择[J].黑龙江水利科技,2010,55(38):141-01.

[3]牛睿平，张健.一种新型国产雷达水位计的设计[J].水利信息化,2015(05):34-38.

[4]周密,庞超.基于K波段的雷达水位计设计[J].中国农村水利水电,2013(06):91-93.

[5]许笠，王延乐，华小军.雷达水位计在水情监测系统中的应用研究[J].人民长江,2014,02(45):74-77.

[6]徐飞.沈阳地区水资源短缺原因分析及对策研究[J].水资源开发与管理，2015(01)：24-26.

[7]杨华.水文时间序列周期分析方法的研究[J].中国水能及电气化，2015,122(05):63-66.

[8]马文进,高贵成,陈鸿.跨河工程对吴堡与后大成站水文监测的影响[J].人民黄河，2011,33(05):25-26.

[9]李晓光，李菲.朝阳地区多年降雨特性分析[J].水土保持应用技术,2016(02)：21.

[10]袁剑军.土石坝防渗墙黏土混凝土材料的工程应用初探[J].水利建设与管理,2013(02):33-35.

Research on Dachengzi Hydrological Station Data Analysis and Calculation of Uncertainty based on Radar Water Gauge

ZHANG Yan

(Liaoning Chaoyang Hydrology Bureau, Chaoyang 122000,China)

In view of the limitation of traditional water level measurement method, error dispersion and uncertainty, non-contact radar water level meter is playing a more and more important role as a new water level measuring equipment. Based on the principle and characteristics of radar level meter, in Dachengzi hydrological station on the radar water gauge compared with artificial water meter analysis, hydrology information acquisition by artificial to mechanization, digital evolution, reduces the manual measuring frequency. In addition, maintenance should be strengthened in the use of the radar water level meter, when the radar water level measurement data error is larger, should be timely artificial retest. The use of non-contact radar water level meter can guarantee the intelligent collection of hydrological information data of similar hydrological stations.

radar water level meter; hydrological station; application analysis; data comparison;uncertainty

1007-7596(2017)02-0001-03

2017-02-16

张燕(1984-)，女，辽宁朝阳人，工程师，研究方向为水文测验、水文水资源工程等。

TP274

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