OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)在山區(qū)性河流中的應(yīng)用探討

楊世維

（云南省水文水資源局保山分局，云南 保山 678000）

0 引言

水位是水文最基礎(chǔ)的觀測(cè)項(xiàng)目，水位觀測(cè)能夠直接為水利、水運(yùn)、防洪、防澇提供具有單獨(dú)使用價(jià)值的資料。隨著水利水文自動(dòng)化進(jìn)程的發(fā)展和系統(tǒng)建設(shè)，社會(huì)對(duì)水文數(shù)據(jù)在時(shí)效性、穩(wěn)定性、真實(shí)性、可靠性方面提出更高要求。傳統(tǒng)的浮子式或壓力式水位計(jì)因受地質(zhì)、地形和人類活動(dòng)影響造成施工困難甚至無(wú)法施工的現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了水文現(xiàn)代化的發(fā)展，必須選擇新型自動(dòng)化的水位觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行水位觀測(cè)。

瓦窯河為瀾滄江右岸一級(jí)支流，發(fā)源于大理州云龍縣顧東坪，全長(zhǎng)為 47 km，落差為 2 044 m，河道平均坡度為 5.8%[1]，屬峽谷水流湍急地區(qū)。瓦窯水文站設(shè)于瓦窯河由大理州流入保山市控制斷面處，為州市界河斷面水量監(jiān)測(cè)點(diǎn)。測(cè)驗(yàn)河段情況如下：1）瓦窯水文站測(cè)驗(yàn)河段順直，水面寬為 9～20 m，河床為砂卵石，右岸為沙土，左岸為沙壤、陡坡且垂直高差大。2）上游 25 m 處有單孔混凝土板面橋1 座， 100 m 處有云龍電站尾水匯入。3）下游 75 m處有一彎道、急灘，彎道為本站中高水?dāng)嗝婵刂疲?75 m 左岸有一支流匯入，對(duì)斷面不會(huì)發(fā)生洪水頂托；235 m 左岸建有瓦窯中和電站引水渠。

根據(jù)保山市州市界河水量監(jiān)測(cè)體系建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施方案的要求，雷達(dá)技術(shù)在水文測(cè)驗(yàn)上的應(yīng)用已有10 余 a 的歷史[2]，但普通雷達(dá)水位計(jì)無(wú)法滿足峽谷水流湍急地區(qū)水位監(jiān)測(cè)要求，需選擇專業(yè)級(jí)水文雷達(dá)水位計(jì)。在優(yōu)化布設(shè)方案后，最終選定具有波動(dòng)補(bǔ)償水位測(cè)量功能的 OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)用于瓦窯水文站的水位觀測(cè)。為保證瓦窯水文站水位資料觀測(cè)精度及資料序列的一致性，在雷達(dá)水位計(jì)正式投入使用前，須與人工觀測(cè)數(shù)值進(jìn)行同步比對(duì)觀測(cè)。

1 OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)簡(jiǎn)介

OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)采用脈沖雷達(dá)技術(shù)對(duì)水位進(jìn)行測(cè)量，這種節(jié)能、非接觸式測(cè)量技術(shù)使得水位計(jì)在測(cè)量時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)：不受溫度梯度、水面漂浮物、水中污染物及沉淀物的影響；自帶波動(dòng)補(bǔ)償[3]，可消除風(fēng)力及橋梁震動(dòng)引起的測(cè)量誤差，從而獲取精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果。

1.1 測(cè)量原理

OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)主要由支架（懸臂梁等）、雷達(dá)水位傳感器、避雷模塊、電源模塊、通信模塊、YDH-1M 型現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)終端、遠(yuǎn)程中心站等組成。OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)支架安裝于左岸監(jiān)測(cè)房屋頂，采用懸臂型平臺(tái)結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)水位計(jì)處于低水位運(yùn)行，且安裝垂直，波束角范圍內(nèi)無(wú)遮擋。

OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)有發(fā)射和接收 2 個(gè)平滑天線，測(cè)量時(shí)發(fā)射天線發(fā)射脈沖雷達(dá)信號(hào)到水面，脈沖信號(hào)經(jīng)水面反射后被接收天線檢測(cè)到。從發(fā)射到接受水面反射回來(lái)的脈沖信號(hào)時(shí)間（延遲時(shí)間）取決于水位計(jì)與水面的距離。水位計(jì)具備波動(dòng)補(bǔ)償功能，從而實(shí)現(xiàn)在采集區(qū)域表面上每秒約有 16 個(gè)發(fā)射天線及相對(duì)應(yīng)的接收天線共同完成單次的獨(dú)立測(cè)量，使用具有高速數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力的 DSP[4]芯片作為主 CPU，配合大規(guī)?？删幊虜?shù)字化邏輯芯片F(xiàn)PGA[5]使用，極大減少由增益非線性產(chǎn)生的測(cè)量誤差，提高水位計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和瞬時(shí)運(yùn)算解析能力。20 s 內(nèi)完成 1 個(gè)測(cè)量周期后，通過(guò)計(jì)算將已測(cè)水面區(qū)域波浪的波峰和波谷獲得的平均值作為結(jié)果輸出，從而將水面波動(dòng)及風(fēng)力引起的支架震動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響最小化，測(cè)量結(jié)果可以堪比靜水井中測(cè)得的水位值。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)如下：1）測(cè)量范圍為 0.8～35.0 m；2）測(cè)量精度為 ± 3 mm；3）測(cè)量頻率為 24 GHZ；4）測(cè)量時(shí)長(zhǎng)為 20 s（SDI-12 總線接口）或 30 s（4～20 mA 電流信號(hào)輸出接口）；5）天線波束角為 12°（寬波）；6）供電范圍為 12～24 VDC（典型）[6]。

1.3 適用范圍

OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)適用范圍如下：

1）含有少量在水體中運(yùn)動(dòng)的漂浮物和沉積物為泥沙的溝渠；

2）生長(zhǎng)有大量水草的場(chǎng)所；

3）一些只能使用替代能源供電的偏僻場(chǎng)所；

4）灌溉渠道（水位計(jì)配合雷達(dá)波測(cè)速傳感器可生成斷面流量）；

5）峽谷水流湍急及山洪多發(fā)的地區(qū)[7]。

2 OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)對(duì)比觀測(cè)

2.1 比測(cè)目的

通過(guò)比測(cè)分析，為 OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)在瓦窯水文站的應(yīng)用提供相關(guān)依據(jù)，使 OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)成為瓦窯水文站水位觀測(cè)的主要設(shè)備，縮短測(cè)報(bào)歷時(shí)，實(shí)現(xiàn)水位觀測(cè)的自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化，進(jìn)一步提高工作效率，提高水位觀測(cè)資料的精度和可靠性。

2.2 比測(cè)資料收集

OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)在瓦窯水文站基本水尺斷面安裝試運(yùn)行后，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)傳輸正常。OTTRLS雷達(dá)水位計(jì)參數(shù)設(shè)置為每 5 min 采集 1 次水位：水位變幅速率超過(guò)設(shè)定閾值后，立即存儲(chǔ)于瓦窯水文站水雨一體遙測(cè)終端 RTU 中，并及時(shí)上報(bào)至相關(guān)水情平臺(tái)；如水位無(wú)變化，則每小時(shí)報(bào)送 1 組時(shí)段內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)至水情平臺(tái)。對(duì) 2017 年 5 月 1 日至 12 月31 日期間內(nèi) OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)遙測(cè)數(shù)據(jù)與同期人工水尺觀測(cè)的水位數(shù)值進(jìn)行同步比對(duì)，比對(duì)期間OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)經(jīng)歷了全年低、中、高水?dāng)?shù)據(jù)采集，YDH-1M 型現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)終端共采集70 560 組數(shù)據(jù)，摘錄 OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)遙測(cè)與人工水尺同步觀測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù)共計(jì) 492 組。比測(cè)期間記錄的最高水位為 1 698.43 m，最低水位為 1 696.84 m，雷達(dá)探頭至水面距離在 8.12～9.71 m 間變化，傳感器光束照射采樣水面區(qū)域?yàn)閳A形，采樣直徑在 1.70～2.09 m 間變化；比測(cè)期間水位變幅為 1.59 m，水面起伏度非汛期在 0～1 級(jí)變化，汛期在 2～3 級(jí)變化。OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)雷達(dá)波束全年工作正常，并能采集 2017 年內(nèi)最高、最低水位，因此水位比測(cè)變幅、次數(shù)、時(shí)限統(tǒng)計(jì)均滿足 GB/T 15966—2007《水文儀器基本參數(shù)及通用技術(shù)條件》有關(guān)規(guī)定，即新儀器投產(chǎn)前必須經(jīng)過(guò) 1 個(gè)汛期或在汛期內(nèi) 3 個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)試用考核試驗(yàn)[8]。

2.3 比測(cè)結(jié)果分析

從 492 組數(shù)據(jù)分析可以得出：OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)遙測(cè)與人工觀測(cè)的水位最大誤差為 5 cm，其中差值大于 3 cm 的有 3 次，差值大于 2 cm 的有 18 次，差值在 ±2 cm 內(nèi)的有 70 次，差值在 ±1 cm 內(nèi)的有238 次，差值為 0 cm 的有 163 次，出現(xiàn)概率依次為0.6%，3.7%，14.2%，48.4%，33.1%[9]。不確定度和誤差計(jì)算有以下 2 種方法：

1）按照《導(dǎo)則》的 B 類不確定度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算?！秾?dǎo)則》規(guī)定，置信度為 95%，綜合不確定度U0.95是統(tǒng)計(jì)值標(biāo)準(zhǔn)差S的 2 倍[10]，S和系統(tǒng)誤差μ采用以下公式計(jì)算：

式中：xi為各測(cè)次雷達(dá)水位讀數(shù)；x為單次人工觀測(cè)水位值；x為各測(cè)次人工觀測(cè)水位平均值；n為觀測(cè)次數(shù)。

根據(jù)瓦窯水文站比測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到：S=0.012 4 m，U0.95= 0.024 8 m，μ= 0.069 cm。

2）根據(jù)《水文測(cè)驗(yàn)實(shí)用手冊(cè)》，采用儀器觀測(cè)對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行誤差估算[11]。具體公式如下：

式中：μ為雷達(dá)自記水位計(jì)測(cè)量的系統(tǒng)誤差；E′′z為雷達(dá)自記水位計(jì)測(cè)量系統(tǒng)不確定度；Zy i為雷達(dá)自記水位計(jì)測(cè)量的水位；Zi為人工觀測(cè)水位；Sz為雷達(dá)自記水位計(jì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差；E′z為雷達(dá)自記水位計(jì)測(cè)量的隨機(jī)不確定度；Ez為雷達(dá)自記水位計(jì)測(cè)量的綜合不確定度。

根據(jù)瓦窯水文站比測(cè)數(shù)據(jù)，采用《水文測(cè)驗(yàn)實(shí)用手冊(cè)》誤差計(jì)算公式進(jìn)行誤差估算得到：水位計(jì)測(cè)量系統(tǒng)誤差為 0.069 cm，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差為 1.23 cm，系統(tǒng)不確定度為 0.14 cm，隨機(jī)不確定度為 2.46 cm，置信水平 95% 的綜合不確定度為 2.47 cm。GB/T 50138—2010《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：一般水位站，置信水平 95% 的綜合不確定度為 3 cm，系統(tǒng)誤差應(yīng)為 ±1 cm[12]，從計(jì)算結(jié)果看，瓦窯水文站 2017 年雷達(dá)水位計(jì)所采集的 492 組與人工觀測(cè)的對(duì)比水位數(shù)據(jù)資料達(dá)到水位觀測(cè)精度要求。

2.4 比測(cè)結(jié)果評(píng)定

根據(jù)分析，雷達(dá)水位計(jì)比測(cè)誤差來(lái)源主要有：

1）河流特性及外部環(huán)境引起河道水位陡漲陡落，引起斷面河勢(shì)突變?cè)斐傻膬x器測(cè)量誤差，是其本身固有誤差和受環(huán)境影響后產(chǎn)生附加誤差的綜合反映。

2）雷達(dá)水位計(jì)水位采集精度與人工觀測(cè)水尺板刻度分辨力不一致導(dǎo)致的誤差，雷達(dá)水位計(jì)分辨力及測(cè)量精度屬毫米級(jí)，而水尺板分辨力屬厘米級(jí)。

3）在數(shù)據(jù)處理時(shí)有效位數(shù)取舍產(chǎn)生的誤差。

4）2 種觀測(cè)方法觀測(cè)時(shí)間不同步，且人工觀測(cè)時(shí)間過(guò)短產(chǎn)生的誤差，主要是由雷達(dá)水位計(jì)和觀測(cè)人員對(duì)水面起伏度、穩(wěn)定性、漲幅大小及各種物量變化感知度反應(yīng)時(shí)間不一致引起的誤差。

5）委托觀測(cè)人員水文職業(yè)道德及專業(yè)能力的高低導(dǎo)致的測(cè)記誤差。

6）觀測(cè)人員的視差，以及錯(cuò)讀錯(cuò)記、操作不當(dāng)和其他事故造成的偶然誤差，一般通過(guò)訓(xùn)練，提高觀測(cè)人員的操作水平和責(zé)任心，可減少至忽略不計(jì)。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，瓦窯水文站 2017 年雷達(dá)水位計(jì)所采集的 492 組水位數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)資料，通過(guò) ISO《導(dǎo)則》的 B 類不確定度標(biāo)準(zhǔn)和《水文測(cè)驗(yàn)實(shí)用手冊(cè)》，采用儀器觀測(cè)對(duì)比試驗(yàn)誤差估算進(jìn)行分析，2 種計(jì)算結(jié)果極為相近，證明具有較好的關(guān)聯(lián)性，后者分析內(nèi)容多，計(jì)算精度更高，因此最終誤差分析結(jié)果以《水文測(cè)驗(yàn)實(shí)用手冊(cè)》采用儀器觀測(cè)對(duì)比試驗(yàn)誤差估算為評(píng)定依據(jù)。計(jì)算分析結(jié)果達(dá)到水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)精度并滿足規(guī)范要求，比測(cè)結(jié)果合格，充分證明雷達(dá)水位計(jì)替代人工水尺進(jìn)行水位觀測(cè)是可行的。

3 OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)適用性評(píng)價(jià)

OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)是一種非接觸式精密水位測(cè)量?jī)x器，儀器的投入使用，使水文測(cè)驗(yàn)從傳統(tǒng)全時(shí)段人工觀測(cè)模式向現(xiàn)代化水文數(shù)字模式過(guò)渡轉(zhuǎn)型，提高了工作效率，主要體現(xiàn)在：

1）安裝簡(jiǎn)捷，在確保全年能記錄最高、最低水位變幅，雷達(dá)波發(fā)射區(qū)域附著在水面上并且在不脫流的安裝條件下，只需將水位計(jì)固定在橋梁或其他輔助建筑物上，使其垂直于水面，不需要建立傳統(tǒng)測(cè)井，利用現(xiàn)代通信技術(shù)即可完成水位數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

2）采集的數(shù)據(jù)采用相關(guān)軟件分析處理后即可進(jìn)行整編，輸出符合《水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范》的整編成果，整編精度進(jìn)一步提升且規(guī)范、高效。

3）OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)投入使用后，在軟件數(shù)據(jù)平臺(tái)可直接遠(yuǎn)程操控遙測(cè)終端進(jìn)行各參數(shù)的查驗(yàn)、修正及召測(cè)，在一定程度上節(jié)約支出。

4 OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)日常維護(hù)

OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)在瓦窯水文站已運(yùn)行 5 a，運(yùn)行穩(wěn)定及性能較好。只要做到以下維護(hù)，儀器可以保持正常運(yùn)行狀態(tài)：

1）定期檢查支架的穩(wěn)定性，相關(guān)除銹，以及水位計(jì)發(fā)射、接收天線面板的清潔工作。

2）保持太陽(yáng)能板板面清潔，定期檢查蓄電池電壓狀態(tài)，確保蓄電池電壓正常。電壓損耗與 RTU 參數(shù)設(shè)置及水位變幅（跟蹤漲幅速率）有關(guān)，水位設(shè)定采集閾值越小，數(shù)據(jù)采集頻率和存儲(chǔ)速率越快，電壓損耗越大。根據(jù)全年水位變幅速率及時(shí)優(yōu)化調(diào)整水位設(shè)定采集閾值，確保供電電壓穩(wěn)定輸出。

3）檢查儀器工作指示燈顯示狀態(tài)及接線是否穩(wěn)固牢靠，如發(fā)現(xiàn)松動(dòng)、脫落應(yīng)實(shí)時(shí)修復(fù)。不定期對(duì)RTU 設(shè)置參數(shù)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)參數(shù)發(fā)生變動(dòng)應(yīng)及時(shí)恢復(fù)原有設(shè)置。定期對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)損壞應(yīng)及時(shí)更換。

4）DTU 發(fā)生故障，應(yīng)在第一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行故障原因分析及判斷，發(fā)現(xiàn)損壞應(yīng)及時(shí)更換。

5）確保雷達(dá)水位雨量一體遙測(cè)終端數(shù)據(jù)采集、服務(wù)器軟件接收數(shù)據(jù)的時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。

6）應(yīng)定期檢查雷達(dá)傳感器測(cè)量表面是否有鳥類、昆蟲結(jié)網(wǎng)或贓物遮擋雷達(dá)波發(fā)射與接收，以免影響工作。按時(shí)間間隔 5 min 采集由于電磁干擾產(chǎn)生的水位數(shù)據(jù)異?；蛲惶鴶?shù)值，參照《誤差分析與數(shù)據(jù)處理》測(cè)量誤差分布及其檢驗(yàn)、隨機(jī)誤差及其特征量估計(jì)、系統(tǒng)誤差處理、測(cè)量列中異常數(shù)據(jù)的剔除[13]方法進(jìn)行處理，在資料整編時(shí)給予校核[14]。

7）如檢修儀器須斷電，應(yīng)避開時(shí)間整點(diǎn)；檢修時(shí)長(zhǎng)超過(guò) 5 min 時(shí)，根據(jù)水位變幅結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范須采用人工加密觀測(cè)，以防止水位數(shù)據(jù)產(chǎn)生突跳，確保水位過(guò)程線的真實(shí)性、完整性。

8）注意定期對(duì)雷達(dá)水位計(jì)進(jìn)行人工水位校準(zhǔn)。

9）加強(qiáng)對(duì)專業(yè)人才的培養(yǎng)和雷達(dá)水位計(jì)維護(hù)隊(duì)伍的建設(shè)，使水文自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)運(yùn)管、升級(jí)改造得到強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

5 結(jié)語(yǔ)

在瓦窯水文站對(duì) OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)遙測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步比測(cè)后，數(shù)據(jù)經(jīng)誤差分析評(píng)定，可以得出 OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)測(cè)量誤差及精度均符合 GB/T 50138—2010《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》要求，現(xiàn)已用于資料整編。OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)及遙測(cè)終端安裝運(yùn)行到現(xiàn)在沒(méi)有出現(xiàn)任何數(shù)據(jù)采集故障，水位計(jì)雷達(dá)波束全年工作正常，并能采集年內(nèi)最高、最低水位。

OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)適合在不方便或無(wú)法安裝浮子式、壓力式水位計(jì)的河道上使用，還適用于山區(qū)性河道，具有水位跟蹤能力較強(qiáng)，維護(hù)簡(jiǎn)便，后期維護(hù)成本相對(duì)較低，測(cè)量準(zhǔn)確，分辨力高，傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn)。

OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)的投入使用，為建立巡測(cè)區(qū)域網(wǎng)格化以巡測(cè)為主，委托觀測(cè)、應(yīng)急監(jiān)測(cè)、洪水調(diào)查為補(bǔ)充的水位監(jiān)測(cè)與管理的新模式提供了依據(jù)，為水文站早日實(shí)現(xiàn)“有人看管、無(wú)人值守”的運(yùn)管模式創(chuàng)造了有利條件。

由于此次比測(cè)年份屬平水年，水位變幅不大，不能充分檢驗(yàn) OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)對(duì)條件的適應(yīng)性。如遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水引起斷面河勢(shì)突變導(dǎo)致水位上漲，需采集更多的數(shù)據(jù)資料進(jìn)一步驗(yàn)證 OTTRLS 雷達(dá)水位計(jì)的各項(xiàng)性能指標(biāo)并加以考證和完善。