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阿勒泰地區雷達水位計的應用及比測分析

作者: 來源: 發布時間:2022-02-17

 [摘要]針對傳統人工水位觀測誤差分散及不確定度高的局限,以新疆阿勒泰地區的群庫勒水文站為例,進行新型雷達水位計的應用和比測分析。分析結果表明:相比于人工水位觀測,雷達水位計在的群庫勒水文站水位觀測誤差在±4cm和±3cm的機率均低于15%,中高水位時其系統誤差小于±0.5cm,95%置信水平下的不確定度可在3cm左右,滿足《水位觀測標準》GBT59138-2010的誤差允許范圍,可在群庫勒水文站進行常規水位觀測。

 
水位是水文測站重要的水位觀測要素之一,其和液位、雨量觀測一致,具有長期性和連續性觀測的特點[1]。傳統水位觀測方式主要為人工觀測以及浮子式水位計的方式,人工觀測水位計優點受外界干擾較小,缺點在于人工水位觀測誤差分散劑不確定度高[2]。浮子式水位計的優點在于可實現自動水位觀測,但缺點在于由于大都是機械式結構,受雜物干擾容易卡住浮子,從而影響水位計的正常觀測[3]。近些年來,新型雷達水位計在新疆地區得到應用,其通過雷達波反射原理進行水位的測定,這種方式可實現水位自動、快速測定[4]。為保證雷達水位計觀測數據的一致性和精確度,需要采用人工觀測方式進行雷達水位計的比測分析,從而分析其雷達水位計的誤差是否滿足《水位觀測標準》GBT59138-2010的要求[5]。雷達水位計的比測分析在國內一些水文測站中得到研究[6],分析結果表明雷達水位計在低水位觀測精度受外界干擾大,而在中高水監測基本能滿足精度要求。為提高雷達水位計在群庫勒水文站的應用效果,開展其雷達水位計應用和比測分析,研究成果對于雷達水位計在群庫勒水文站使用范圍具有重要參考意義。
 
1、水位觀測誤差統計方法
分別采用系統誤差、隨機不確定度以及標準差三個指標作為雷達水位計和人工水位觀測比測試驗的精度評價指標,各指標計算方程分別為:
(1)系統誤差
系統誤差
(2)標準差
標準差
(3)隨機不確定度
隨機不確定度
XCs=X′Cs/2×1.15(4)
式中:ΔN為系統誤差;Csi和Csci分別為第i次觀測的的水位(m)和人工觀測水位(m);n為測點分布的總數;Se為實測采樣點的含沙量標準差;X′Cs為95%置信水平下的隨機不確定度;XCs為75%置信水平下的隨機不確定度。
 
2 雷達水位計比測分析
2.1 站點概況
新疆阿勒泰地區的群庫勒水文站為是額爾齊斯河一級支流布爾津河干流主要控制站點,站點所在流域在阿爾泰山脈及準格爾盆地的的西南和北沿區域。群庫勒水文站所在測驗河段的總長度為200m,屬于寬淺型河槽,高水位時期河槽寬度可在80~120m之間,河床及右岸由卵石、砂礫石組成,左岸為漿砌石護堤,沖淤變化一般較小,低枯水時。兩岸的水草較多,及時清除后對水位測驗無影響。下游30m有四孔公路橋,低水位時左岸約有30m的灘地。水文站采用的雷達水位計型號為WFX-40型,站點zui高水位為675.07m。
 
2.2 原始比測誤差統計分析
選用群庫勒水文站2018年6-8月水位比測數據,該時期為群庫勒水文站的中高水位期,比測數據為282個,對不同時期的比測誤差進行了統計分析,結果如表1所示。
群庫勒水文站比測試驗誤差統計結果
  從分析結果可看出,群庫勒水文站在中高水位時,比測水位誤差在±4cm的次數為16次,出現的機率為5.67%,水位比測誤差在±3.5cm的次數為25次,出現的機率為8.87%。比測誤差在±3.0cm的次數為34次出現的機率為12.06%,而水位比測誤差在±2.5~±0.5cm的次數分別在12~52次之間,出現機率介于4.26%~23.05%之間。中水位時比測系統誤差可控制2cm,綜合不確定達到置信度95%的值為2.5cm,高水位時比測系統誤差可控制1.5cm,綜合不確定達到置信度95%的值為2.0cm,隨著水位的增加其比測系統誤差和不確定度降低。按照《水位觀測標準》GBT50138-2010的誤差要求,WFX-40型雷達水位計在群庫勒水文站中高水位應用時可滿足精度要求。2.3 不同時間下的比測誤差統計分析對群庫勒水文站早上、晚間、汛期、枯期進行了雷達水位計的比測分析,分析結果如表2所示。
群庫勒水文站不同時間尺度的雷達水位計比測誤差統計分析結果
按照《水位觀測標準》GBT50138-2010的誤差要求,雷達水位計比測試驗其綜合不確定度在置信度為95%的水平下其值為3cm,系統誤差應控制在±1.0cm的范圍內,經過不同時期的誤差統計分析結果可看出,雷達水位計在群庫勒水文站綜合不確定度在置信水平95%下值為1.8cm,系統誤差均小于±1.0cm,可滿足水位觀測的要求。從不同時間尺度下的誤差統計分析結果可看出,隨機誤差在±1.0m和±1.5cm的占比超過50%,而在±0.5cm的隨機誤差的占比較低。不同水勢下隨機誤差均有所出現,但在落水段隨機誤差相對出現的機率較大。
 
2.4 誤差關系曲線分析
對群庫勒水文站雷達水位計和人工觀測值進行相關性的檢驗,分別對相關線進行符號、偏離度以及適線的檢驗,檢驗結果如表3所示。
 
表3 群庫勒水文站雷達水位計比測誤差關系曲線檢驗結果
群庫勒水文站雷達水位計比測誤差關系曲線檢驗結果
 
從相關線符號、適線以及偏離度的檢驗結果可看出,各項檢驗值均可達到合格水平,且均通過90%的檢驗水平,群庫勒水文站雷達水位計的水位觀測值標準差為0.85%,表明可采用雷達水位計觀測的水位值代替人工觀測的水位值。
 
3 結語
(1)群庫勒水文站在中水位時比測系統誤差可控制2cm,綜合不確定達到置信度95%的值為2.5cm,高水位時比測系統誤差可控制1.5cm,綜合不確定達到置信度95%的值為2.0cm,隨著水位的增加其比測系統誤差和不確定度降低,因此雷達水位計適合于站點中高水位的水位觀測。
(2)從不同時間尺度下的誤差統計分析結果可看出,隨機誤差在±1.0m和±1.5cm的占比超過50%,而在±0.5cm的隨機誤差的占比較低。不同水勢下隨機誤差均有所出現,但在落水段隨機誤差相對出現的機率較大。

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