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      雷達水位計在黃河上游水文站的應用

      發布:2022/5/16 16:29:55人氣:157
      雷達水位計是一種高精度的非接觸式水位測量儀器,不需要建測井,安裝方便,可直接測量自然河道水位。還可實現水位數據的遠傳及自動化處理,其水位跟蹤速度快、非接觸測量的特點以及受風、雨、沙、溫度、漂浮物影響小的特性,很適合在黃河上游溫差大的常年無封凍河段上使用。為了了解雷達水位計的安裝、操作及運行情況,研究人員經過大量的儀器檢測、調試及相關軟件的翻譯、運行測試等工作,充分掌握了儀器的工作原理和使用方法,為儀器的現場比測試驗打下了堅實的基礎。
      1.雷達水位計的特點
      雷達水位計是一種高精度的非接觸式水位測量儀器,不需建測井,安裝方便,可直接測量自然河道水位。該儀器與其他非接觸水位測量儀器相比具有以下特點。
      (1)水位跟蹤速度快,完全可滿足壩下水位變化速率快的特點;
      (2)受風、雨、沙、溫度、漂浮物影響小的特性,很適合在黃河上游溫差大、空氣密度變化劇烈的常年無封凍河段上使用;
      (3)該儀器具有遠傳的擴展功能,其數據通過GPRS模塊一發二收上傳到蘭州和小川水文站,可以對水位數據及時、準確地進行測量、存儲,并能實現水位數據的遠程實時接收、信息查詢、圖表顯示、打印等功能;
      (4)它具有耗電量少、測量周期短、無測量死角以及裝備距離短等優點。
      2.雷達水位計適用性評價
      為了充分考證雷達水位計的性能,在比測過程中,對在不同環境及測驗模式下,儀器的適用性和數據一致性進行了大量的試驗,充分驗證了雷達水位計的先進性以及測量精度高的特點。該儀器充分考慮到了設備野外安裝運行及無人值守的運行條件,使我們對新儀器、新設備的應用以及提高水文測報能力、測報技術水平和水文現代化建設有了更深刻的了解。
      3.雷達水位計儀器安裝
      雷達水位計先在小川水文站安裝完畢。為了使儀器高效、安全地運行,根據儀器的安裝要求,同時考慮方便比測、保證測量精度等因素,確定安裝方法,選擇安裝位置:雷達水位計傳感器由特制矩形鋼板焊接固定于水位計房浮子筒支架處,為使儀器能夠安全正常地運行,在傳感器外圍加裝鐵絲網進行防護,安裝高程為1624.99m,高于小川水文站歷史zui高水位,通過通訊線纜與置于水位計房內的數據采集存儲器連接,儀器采用DC12V不間斷電源進行供電,保證了儀器24h不間斷供電,使用Wbedien32綜合軟件進行儀器現場工作參數設置及數據提??;同時其數據進人現場采集系統RTU,在RTU的控制下每6min通過GPRS通訊模塊向蘭州、小川站房遠程傳輸。在蘭州或小川水文站可實時觀測到該儀器的水位數據,并有圖表輸出、歷史數據查詢、B/S顯示數據等項功能。
      另外由于小川水文站的水位計房距站房距離為1.50km,水位觀測費時費力,且人工觀測存在一定的誤差,該儀器的應用,將大大減輕職工的勞動強度,縮短測報時間,實現水位觀測的自動化、數字化,提高工作效率,減少操作人員的勞動強度,同時可避免人工操作帶來的差錯,提高測驗成果的精度和可靠性。
      4.雷達水位計在小川水文站比測情況
      4.1測站概況
      小川水文站于1948年設立,站址位于甘肅省永靖縣縣城(劉家峽小川鎮),距河源2021.90km,集水面積181770km²,占全流域面積的24.20%。小川站上距劉家峽水庫1.70km,下距鹽鍋峽水庫30km,是劉家峽水庫的出庫站和鹽鍋峽水庫的人庫站。
      測驗河段情況:該站測驗河段基本順直,窄深河道,矩形斷面。水流方向自東南轉向西北。斷面左岸邊30~40m河床為塊石,其余為砂卵石組成,測流斷面下80m處無護岸,形成回流;右岸為紅砂巖,部分為砌石護岸,沖淤變化不大?;?00~700m處為河心灘,使基本斷面水位壅高,形成本站良好的測站控制。因河道較為穩定,水面寬變幅不大,中高水位河寬在140~160m之間。中高水時測驗主要依靠流速儀纜道或測船,大洪水時采用浮標測流。
      小川水文站水位觀測主要依靠浮子式自記水位計(月記式),自記井屬島式水位自記井,建于1980年。測井位于基本水尺斷面上,1997年對水位計房進行了改造,現使用正常。該站主要觀測項目有水位、流量、泥沙、泥顆、降水、水溫等。
      小川水文站zui高水位1624.43m,zui低水位1616.52m,水位變幅為7.91m,zui大流量5360m³/s,zui大含沙量386kgm³。
      4.2雷達水位計在小川站的比測
      小川水文站雷達水位計從2006年1月25日開始比測。水位計傳感器高程標定為1624.99m。由于在此之前,雷達水位計和浮子式水位計的時間不一致,導致數據偏差較大,故無法用做比測資料,正式比測從2006年1月25日到2006年5月25日,比測總時間為118d。儀器參數設置:每6min采集一次數據,隨采隨存。經過4個多月的比測試驗,共獲得數據28080組,摘錄比測數據2808組。比測期間,水位從zui高1622.31m到zui低1619.05m,水位變幅達3.26m。據比測成果表數據統計分析,zui大誤差±0.04m,占摘錄比測數據總數的0.53%;±0.03m誤差占2.74%;±0.02m誤差占12.61%;±0.01m誤差占48.15%;0.00m誤差占35.97%:置信水平95%的綜合不確定度=2.30cm<3cm;系統誤差=0.015cm<1cm;均滿足規范要求。因此,在比測范圍內可以投產使用。
      通過對比測數據的相關分析,得出了儀器設備在現場的具體工作參數,進一步完善了儀器操作方法和操作規程,同時完成了《雷達水位計操作使用說明》的編寫,以及軟件界面的翻譯工作。
      比測用浮子式水位計為南京所生產的WYF℃電話遠傳浮子式水位儀,安裝在小川站自記水位計房2#靜水井筒上。
      5.雷達水位計在小川水文站比測結果評定
      根據《水位觀測標準》(GBJ-90),比測結果應符合《河流水文觀測技術與標準規范》第三篇第五章第5.2.3條規定:置信水平95%的綜合不確定度不應超過3cm,系統誤差不應超過1cm。按照IS0《導則》的B類不確定度標準,置信度為95%,綜合不確定度U0.95=2Sg*Sg可用下式表示:
      式中:Sg—標準差不確定度;Xi—為各次雷達水位讀數;X—為各次人工觀測平均值;N—觀測次數。
      根據小川水文站比測數據統計計算,標準差不確定度Sg用下式計算:
      則置信水平95%的綜合不確定度U0.95=2Sg=0.023m
      系統誤差:
      根據上式計算,置信水平95%以下不確定度為2.30cm≤3cm,系統誤差為0.015cm≤1cm,滿足規范規定的要求。
      綜上所述,本次比測變幅、次數、時限均滿足《河流水文觀測技術與標準規范》第三篇第五章第5.2.2條規定:比測時,將水位變幅分為幾段,每段比測數在30次以上,測次在漲落水面均勻分布,并包括水位平穩、急劇變化等情況下的比測值,長期自記水位計應取得一個月以上連續完整的比測記錄等。
      6.應用情況及社會效益
      不需要建測井,節省了大量的土建經費。通過在小川水文站對雷達水位計的現場安裝及應用比測試驗,進一步摸清了儀器的性能,驗證了該儀器水位跟蹤速度快,受溫差、空氣密度變化影響小等特點,積累了先進儀器現場使用的經驗,所測水位數據與浮子式水位計數據比測,其測量精度滿足規范要求。由于小川水文站的水位計房距站房距離為1.50km,水位觀測費時費力,且人工觀測存在一定的誤差,該儀器的應用,將大大減輕職工的勞動強度,縮短測報時間,實現水位觀測的自動化、數字化,提高工作效率,同時可避免人工操作帶來的差錯,提高測驗成果的精度和可靠性。這種新型水位計的投入應用,必將改善上游局所屬水文站的水位測報條件。
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