李　曼

（陕西省商洛水文水资源勘测局　陕西　商洛　726000）



板桥水文站雷达水位计比测分析

李曼

（陕西省商洛水文水资源勘测局陕西商洛726000）

摘要为了保证本站水位资料的观测精度及资料系列的一致性，在水位自动测报仪器设备正式投入使用前，与原有人工方式进行了平行对比观测，用以分析水位自动采集仪器设备工作的可靠性、准确性和观测资料的精度，为生产实践提供依据。

关键词雷达水位计；水位观测；对比分析

板桥水文站位于丹江上游支流板桥河上，1974年7月设立，测验项目有水位、流量、泥沙、降水、蒸发，其中水位观测通过水尺人工观读记载收集。2013年陕西省中小河流水文监测第一期项目实施，对河道水位及流量测验设施设备进行了改造，安装了雷达水位计，实现了水位自动采集传输，流量半自动测验。2014年进行了水位自动采集与人工平行同步观测，本文就水位平行同步观测资料进行了分析，评价自动水位采集影响因素和观测精度，以保证水位自动采集传输准确性和一致性。

1　基本情况

1.1流域概况

丹江属汉江的一级支流，发源于商洛市商州区秦岭南麓的凤凰山东南侧，有东西两源，东源从庙沟口向东南流入黑花峪，经铁炉子乡至黑龙口与西源汇合；西源来自牧护关以东的秦岭，向东南流经郭家店、秦岭铺等地，至黑龙口与东源汇合。从黑龙口向下，丹江流向大致呈西北－东南向，流经商州区、丹凤县和商南县，于商南县汪家店乡月亮湾流入河南省。丹江在陕西境内的河段长249.6km，从河源至省界高差1184.8m，比降为4.75‰，流域面积为7510.8km2，约占全流域面积的40%。

板桥水文站所在板桥河，为丹江一级支流，发源于商州区马角山，流向由北向南，流程47.5km，至二龙山汇入丹江。流域面积588.2km2，河长47.5km，平均比降13.7‰，海拔730m～1300m，总落差570m。

图1　板桥水文站以上河流分布图

丹江流域地形地貌特点为西北高东南低的山地峡谷，多为土石组成的山丘区。流域内森林植被较好，覆盖率达到40%以上。丹江流域地处我国中纬度偏南地带，北部边缘又有秦岭作屏障，寒流不易侵入，使丹江流域同时具有亚热带气候和暖温带气候的特点。由于北部有秦岭高山阻挡，夏季东南及南部的暖湿气流常会带来大量的水汽，加上地势起伏悬殊，相对高差大，受地形抬升作用，常常形成局部暴雨。河道洪水多由降雨形成，暴雨时由于山体坡度大，汇流快，很快形成洪峰。暴雨停后，河道流量迅速减少，常形成尖瘦型的洪水过程，充分体现了河源段山区性洪水暴涨暴落的特点。来沙为上游降雨侵蚀与河床冲刷,特大暴雨时有泥石流发生。

图2　板桥水文站测验河段地形图

图3　自动水位测报系统组成示意图

图4　自动（原始）与人工观测水位过程线图

图5　自动（修正）与人工观测水位过程线图

1.2水文站概况

板桥水文站位于陕西省商州区板桥乡两岔河村，地处东经109°57′01″,北纬33°57′43″,是丹江干流源头站，距商洛市15km,北约15km为洛南县的四皓岭,仅以黄沙岭相隔，站房后紧靠西合铁路。控制流域面积493km2，距离板桥河口2.0km。

板桥水文站为国家基本水文站和省级重要水文站，属丹江上游区域代表站，设站目的主要是为防汛抗旱、水库水电站建设运行、水资源开发利用服务，测验项目有水位、流量、泥沙、降水及蒸发。该站多年平均降雨量为729.0mm，年际间变化较大，降雨季节变化明显，夏季6月～8月的降雨量约占年降雨量的40%～60%，汛期5月～10月的降雨量约占年降雨量的80%～90%。多年平均径流量为8752×104m3，输沙量为9.63×105t，历史调查最大流量为1957 年7月16日发生的1030m3/s，实测最大流量为1988年8月14日发生的588 m3/s，最小流量为1979年6月16日实测的0.025 m3/s。

该站测验河段基本顺直，左岸为人工河堤，右岸为石山坡，高水时漫溢堤顶，左岸形成漫滩，河床为沙砾石组成，冲淤变化较大。低水位水流不顺直，基本水尺断面上游200m有大荆河汇入，基本水尺断面下游约2km为二龙山水库库区，浮标、比降断面重合，上、下断面间距120m，基本水尺断面兼流速仪和浮标测流断面。

2013年前，板桥水文站测验项目均以人工方式进行观测和测验。2013年建设安装了自动雨量、水位测报和半自动流量测验设施设备，其中雨量自动监测设备建设在测站气象场内，通过有线连接RTU(远程终端控制系统）。自动水位监测设施设备建于测验河段左岸，所在位置和基本断面重合。

板桥水文站以上河流分布及测验河段情况见图1、图2。

1.3水位观测设施设备概况

（1）人工水位观测设施

人工水位观测设施以直立式水尺为主，借下河道路局部设斜坡水尺。基本水尺断面、上比降和下比降3个断面共设18支直立式水尺和3组斜坡水尺，人工观读水尺读数推求水位。

图6　水位误差频率曲线图

表1　2014年5月至9月误差和频率分析统计表

（2）自动水位测报设施设备

测站自动水位测报系统主要设施设备由基座、水位计支架、智能终端（RTU）、通信设备、供电电源（太阳能板）及避雷针等部分组成（见图3），其中核心设备为雷达水位计和RTU。板桥水文站雷达水位计为微码特公司生产，RTU为北京微码特SMARTDATA-1000型产品。

雷达水位计采用雷达波测量到水面的距离，实际上是一台雷达测距仪。雷达波测量不受温度、湿度、风速、降雨等环境因素影响。雷达水位计以非接触方式测量水位，亦不受水体影响，是水位测量最理想的设备。水位数据采集后进入RTU，再通过GPRS/GSM信道发送至测站办公室及商洛水情分中心，经接收处理进入查询处理终端机及分中心数据库。

2　平行对比观测及资料采用

2.1平行对比观测

2014年板桥水文站开展雷达水位计与人工水位平行对比观测。为了保证分析成果的代表性，需要高、中、低水时均有一定数量的对比观测数据，因此，对比平行观测安排在2014年主汛期进行。但由于该站2014年7月12日涨水，河道冲於变化大，主流偏离雷达水位计探头监测范围，无自动水位观测数据。2014年9 月12日主流回归雷达水位计探头监测范围，开始进行平行对比观测。平行对比观测期限为2014年9月12日至10月13日。

雷达水位计观测频次按24段制，即每1小时观测1次，每天24次，并在水位变幅较大时，按照水位观测规范，按6min及其倍数加密观测次数，以能控制水位变化过程。

2.2资料采用

由于人工水位观测频次按按12段制，水位变幅较大时按加密观测。为了使分析数据一致，资料采用遵循凡人工观测有资料的水位测次，对应的雷达水位计测次资料均采用。

3　水位数据对比分析

3.1分析方法步骤

（1）资料整理及合理性检查

①根据数据资料采用原则，按照时间对应，整理雷达水位计和人工观测水位数据，在同一张图上，点绘自动及人工水位过程线（见图4）。

②分析水位涨落是否一致，如果不一致，检查分析原因，分析对比数据序列是否满足对比分析要求。经检查，9月15日至9月18日自动观测水位有8次比人工观测水位偏大6.16m左右，明显不合理，因此根据人工水位进行了修正（见图5）。

（2）资料数据分析

①以人工站观测时间的人工水位数据与水位计自动观测水位数据，计算同时间两者水位误差。

②对水位误差进行频率计算，分析85% 和95%对应的误差（见图6）。

3.2对比观测结果分析

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（1）同步单次自动与人工水位对比

通过自动水位原始数据和人工观测数据以及同步水位比测数据，人工和自动监测数据误差较大发生在9月11日落水阶段，从对比数据上，最大误差为0.12m，自动水位小于人工水位。

（2）月平均自动与人工水位对比

根据时段自动及人工水位对比观测资料，分别计算2014年5月至9月平均水位，计算其误差，结果见下表。

（3）数据采集分析

根据数据分析，自动站数据采集除发生水位变幅外，采集数据为1h，水位采集还有奇异值出现，如9月17日15时至9 月18日9时，开始发生较正常水位高6.16m左右水位8次，且无任何规律。

（4）数据接收分析

4　水位对比分析结论

（1）通过对比数据分析，板桥水文站人工水位和自动水位变化趋势一致，总体误差变化不大，满足《水位观测标准》(GB/T50138.2010)规定要求。

（2）较大洪水过后受河床冲淤，易受河道变化、主槽变化影响，雷达水位计探头笼罩受限，出现水位误差较大，不能完全依靠自动水位计。

（3）特大、特小跳跃值系干扰造成，须剔除。

（4）雷达水位计仪器本身精度可靠，仪器可以投入生产实践。

5　建议与对策

（1）对设备采集时间制式进行重新设置，按6min时间滑动采集。

（2）对特异值，系电磁波干扰所致，资料应用时进行滤波，予以剔除。

（3）因断面冲淤、横比降造成较大误差时，采用人工观测订正。

（4）注意定期对雷达水位计进行人工校准。

6　结语

通过对比分析，DCRD1000A3型雷达水位计观测误差满足水位观测标准（GB/T50138.2010）的要求，自动监测设施的投入使用，使观测方法和信息采集传输由人工化向自动化、数字化转变，提高了水文监测的自动化水平，减轻水文职工的工作强度，缩短了测报历时，很大程度的提高了工作效率，同时减少水位观测的误差，并且提高了水文观测资料的精度和可靠性。今后可以将其作为一种常用的水位观测设备加以利用。陕西水利

（责任编辑：畅妮）

中图分类号：P332.3

文献标识码：B