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      雷達水位計監(jiān)測數(shù)據(jù)在資料整編中的應(yīng)用

      2020-09-23 02:21:58孫萬義封常周
      山東水利 2020年9期
      關(guān)鍵詞:李村比測水位計

      時 青,孫萬義,封常周

      (青島市水文局,山東 青島 266000)

      近幾年雷達水位計已廣泛運用到青島地區(qū)各基層水文測站,在測站防汛測報方面發(fā)揮了積極的作用,但雷達水位計監(jiān)測數(shù)據(jù)沒有運用在資料整編中,造成監(jiān)測資源的極大浪費。

      本文選擇青島市李村水文站、嶗山水庫水文站作為研究對象,進行監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工觀測水位數(shù)據(jù)比測,分析水位觀測誤差是否滿足規(guī)范要求;根據(jù)《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》及《水文資料整編規(guī)范》的相關(guān)要求,研究雷達水位計監(jiān)測數(shù)據(jù)去偽存真的方式方法,將監(jiān)測數(shù)據(jù)與整編數(shù)據(jù)庫相銜接,使雷達水位計監(jiān)測數(shù)據(jù)運用到資料整編中,讓先進的儀器設(shè)備發(fā)揮應(yīng)有的作用。

      1 雷達水位計使用概況

      青島市現(xiàn)有國家基本水文站13處、水位站2處,中小河流水文站19處、水位站6處。在40處水文站、水位站中,共有20處水文站、水位站安裝雷達水位計,其中國家站有5處水文站安裝使用雷達水位計,中小河流站有13處水文站、2處水位站安裝使用雷達水位計。雷達水位計具有占地少、不需土建工程、安裝簡單方便等特點,現(xiàn)廣泛應(yīng)用于中小河流站。

      2 資料比測分析

      此次對比測采用李村站、嶗山水庫水文站2019年人工觀測與雷達水位資料進行分析。

      2.1 資料比測分析

      李村水文站雷達水位計比測對象為人工水尺觀測水位。因枯季河干,分析時間取2019年5月1日~9月1日,共收集155組數(shù)據(jù)。比測期間,最高水位9.15m,最低水位7.50m,水位變幅1.65m。誤差≤±0.02m的占比測數(shù)據(jù)總數(shù)的75.5%,誤差≥±0.05m的占比測數(shù)據(jù)總數(shù)的14.2%,最大誤差0.11m,±0.05m≤誤差≤±0.11m共出現(xiàn)22次,大多數(shù)情況出現(xiàn)在漲水段,見表1與圖 1、圖 2。

      表1 李村水文站、嶗山水庫水文站雷達水位計比測成果表

      圖1 李村站雷達水位與人工觀測水位過程線

      圖2 李村站2019年5月測流雷達水位計比測成果圖

      嶗山水庫水文站雷達水位計比測分析時間取2019年1月25日~10月1日,共245組數(shù)據(jù)。比測期間,最高水位48.12m,最低水位44.02m,水位變幅為4.10m。誤差≤±0.02m的占比測數(shù)據(jù)總數(shù)的65.5%,誤差≥±0.05m的占比測數(shù)據(jù)總數(shù)的11.8%,最大誤差0.10m,出現(xiàn)在9月4日8時,±0.05m≤誤差≤±0.08m共出現(xiàn)29次,其中19次出現(xiàn)在2~4月份,見表1,圖3~4。

      圖3 嶗山水庫雷達水位與人工觀測水位過程線

      圖4 嶗山水庫2019年7-9月份雷達水位計比測成果圖

      根據(jù)GB/T50138-2010《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》第6.2.3條規(guī)定:一般水位站置信水平95%的綜合不確定度為3cm,系統(tǒng)誤差應(yīng)為1cm。

      嶗山水庫水文站雷達水位計置信水平95%的綜合不確定度為5.3cm,系統(tǒng)誤差為1cm;李村水文站綜合不確定度為3.1cm,系統(tǒng)誤差為1.0cm,均不滿足規(guī)范要求。

      2.2 誤差原因分析

      1)設(shè)備自身因素。由于雷達波存在發(fā)散角,不適合用于坡度較緩、變幅較大的地方進行水位觀測;雷達水位計受風(fēng)、降雨等影響造成較大的誤差,河道站洪水期間雷達水位計監(jiān)測受雜草影響;太陽能直接給設(shè)備充電,電壓不穩(wěn),造成設(shè)備電流不穩(wěn)定,會出現(xiàn)夜間或凌晨跳數(shù)嚴重的現(xiàn)象;數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備故障率較高。

      2)設(shè)備安裝條件因素。選擇雷達水位計安裝位置時,要保證雷達波全部覆蓋到水面,避免低水或河床淤積時雷達波覆蓋到河床或地面。但青島地區(qū)河流枯季常有河干出現(xiàn),造成雷達波直接覆蓋或部分覆蓋到裸露的地面,造成安裝位置不符合要求;雷達水位計與基本水尺觀測不在同一地點,相距較遠。在青島地區(qū)大多因地制宜將雷達水位計安裝在橋上,與基本水尺不在同一地點,山溪性河流比降較大,不同地點水位差較大。

      3)水位波動因素。洪水大多出現(xiàn)在主汛期,風(fēng)雨交加,水位波動較大,易產(chǎn)生誤差?!端挥^測標(biāo)準(zhǔn)》中對水位波動引起的誤差可采用如下方法進行控制:可采用短時段內(nèi)多次采樣的平均值作為水位值;對不支持短時段內(nèi)多次采樣平均值的測站,可對水位過程進行適當(dāng)平滑、濾波。

      綜上所述,日常工作中應(yīng)加強對水位設(shè)備的檢查與維護,減小誤差來源,確保雷達水位計運行穩(wěn)定,對產(chǎn)生誤差的相關(guān)因素進行調(diào)整。

      比測分析計算結(jié)果表明:李村水文站雷達水位計置信水平95%的綜合不確定度為3.1cm,系統(tǒng)誤差為1cm,符合測站實際,雖然綜合不確定度為3.1cm超出水位觀測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不確定度,但將雷達水位計水位數(shù)據(jù)經(jīng)訂正處理后,可進行整編。

      嶗山水庫水文站雷達水位計安裝位置與壩下基本斷面水尺相距20m,比測結(jié)果顯示,綜合不確定度為5.3cm,系統(tǒng)誤差為1cm;誤差≥±0.05m主要出現(xiàn)在2~4月份結(jié)冰期、大風(fēng)期,可通過對雷達水位計水位數(shù)據(jù)進行適當(dāng)平滑、濾波、訂正后再整編。

      2.3 整編成果分析

      按照《水文資料整編規(guī)范》(SL247-2012)、《水文觀測標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50138-2010)對李村站、嶗山水庫水文站的水位自動監(jiān)測值進行平滑、摘錄處理,使用山東省水文資料整編軟件對人工觀測水位和雷達水位計水位數(shù)據(jù)進行計算后,對逐日平均水位表進行對照分析。

      李村水文站的5~8月份(扣除河干)日平均水位相比均不超過±0.02m,月極值誤差不超過±0.01m,月極值發(fā)生時間基本一致,從整編成果看,李村水文站雷達水位數(shù)據(jù)可用于資料整編,成果可靠。

      嶗山水庫水文站雷達水位計自2019年1月25日~10月1日去除4月份儀器出現(xiàn)故障,共正常使用227d,期間兩者日平均水位相比≤±0.02m的,共184d,占正常使用天數(shù)81.1%,誤差>±0.02m 的比例為18.9%,見表3。

      表2 嶗山水庫站雷達與人工水位數(shù)據(jù)整編成果對照表

      日平均誤差最大±0.06m,出現(xiàn)2次,分別出現(xiàn)在3月4日、9月7日。日平均誤差±0.05m,出現(xiàn)3次,分別出現(xiàn)在2月28日、7月24日、8月14日。月平均誤差不超過±0.02m,月極值發(fā)生時間基本一致,從整編成果看,該站雷達水位數(shù)據(jù)經(jīng)過訂正后可用于資料整編,成果較可靠。

      目前,李村站、嶗山水庫水文站雷達水位計運行正常,故障較少,數(shù)據(jù)訂正處理后與人工觀測水位相差不大,符合水位觀測標(biāo)準(zhǔn)要求,可以用于資料整編。在使用過程中,應(yīng)定時進行水位校核,注意設(shè)備下方一定范圍內(nèi)不應(yīng)有其他物體通過或滯留,發(fā)生故障應(yīng)及時維修。

      3 結(jié)語

      此次項目研究結(jié)果分析表明李村、嶗山水庫水文站雷達水位計比測、校測結(jié)果良好,可以作為該站常規(guī)水位觀測設(shè)備。日常做好雷達水位計的校測工作,其監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)訂正、平滑、摘錄后,誤差滿足規(guī)范要求,雷達水位計數(shù)據(jù)可以用于資料整編、報汛及其它分析。

      1)儀器設(shè)備出廠時應(yīng)配有完整的安裝使用說明書,設(shè)備安裝調(diào)試時應(yīng)嚴格按說明書要求做好,做到位,使儀器設(shè)備的安裝條件、安裝要素和使用邊界條件滿足出廠設(shè)定要求。

      2)重視數(shù)據(jù)遙測終端機的質(zhì)量,配置性能穩(wěn)定、可靠性高、平均無故障工作時間長的設(shè)備,以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

      3)做好國家基本站、中小河流站水文站(水位站)雷達水位計的比測、校測工作,尤其要抓住洪水期及時進行設(shè)備調(diào)試、比對工作。

      4)日常加強雷達水位計的維護保養(yǎng),建立青島市水文設(shè)備設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng),實時在線查看雷達水位計運行狀況。雷達水位計出現(xiàn)故障時,應(yīng)及時維修。

      5)建議整編程序中設(shè)置與雷達水位監(jiān)測數(shù)據(jù)格式相匹配的入口,并可自行完成數(shù)據(jù)的精簡及平滑處理,使處理后的數(shù)據(jù)滿足整編要求。

      6)加快推進青島市各類水位自動監(jiān)測數(shù)據(jù)在整編中的推廣與應(yīng)用,讓先進的儀器設(shè)備及監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)揮應(yīng)有的作用。

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