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雷达水位计在黄河上游水文站的应用

发布:2022/5/16 16:29:55人气:228
雷达水位计是一种高精度的非接触式水位测量仪器,不需要建测井,安装方便,可直接测量自然河道水位。还可实现水位数据的远传及自动化处理,其水位跟踪速度快、非接触测量的特点以及受风、雨、沙、温度、漂浮物影响小的特性,很适合在黄河上游温差大的常年无封冻河段上使用。为了了解雷达水位计的安装、操作及运行情况,研究人员经过大量的仪器检测、调试及相关软件的翻译、运行测试等工作,充分掌握了仪器的工作原理和使用方法,为仪器的现场比测试验打下了坚实的基础。
1.雷达水位计的特点
雷达水位计是一种高精度的非接触式水位测量仪器,不需建测井,安装方便,可直接测量自然河道水位。该仪器与其他非接触水位测量仪器相比具有以下特点。
(1)水位跟踪速度快,完全可满足坝下水位变化速率快的特点;
(2)受风、雨、沙、温度、漂浮物影响小的特性,很适合在黄河上游温差大、空气密度变化剧烈的常年无封冻河段上使用;
(3)该仪器具有远传的扩展功能,其数据通过GPRS模块一发二收上传到兰州和小川水文站,可以对水位数据及时、准确地进行测量、存储,并能实现水位数据的远程实时接收、信息查询、图表显示、打印等功能;
(4)它具有耗电量少、测量周期短、无测量死角以及装备距离短等优点。
2.雷达水位计适用性评价
为了充分考证雷达水位计的性能,在比测过程中,对在不同环境及测验模式下,仪器的适用性和数据一致性进行了大量的试验,充分验证了雷达水位计的先进性以及测量精度高的特点。该仪器充分考虑到了设备野外安装运行及无人值守的运行条件,使我们对新仪器、新设备的应用以及提高水文测报能力、测报技术水平和水文现代化建设有了更深刻的了解。
3.雷达水位计仪器安装
雷达水位计先在小川水文站安装完毕。为了使仪器高效、安全地运行,根据仪器的安装要求,同时考虑方便比测、保证测量精度等因素,确定安装方法,选择安装位置:雷达水位计传感器由特制矩形钢板焊接固定于水位计房浮子筒支架处,为使仪器能够安全正常地运行,在传感器外围加装铁丝网进行防护,安装高程为1624.99m,高于小川水文站历史zui高水位,通过通讯线缆与置于水位计房内的数据采集存储器连接,仪器采用DC12V不间断电源进行供电,保证了仪器24h不间断供电,使用Wbedien32综合软件进行仪器现场工作参数设置及数据提取;同时其数据进人现场采集系统RTU,在RTU的控制下每6min通过GPRS通讯模块向兰州、小川站房远程传输。在兰州或小川水文站可实时观测到该仪器的水位数据,并有图表输出、历史数据查询、B/S显示数据等项功能。
另外由于小川水文站的水位计房距站房距离为1.50km,水位观测费时费力,且人工观测存在一定的误差,该仪器的应用,将大大减轻职工的劳动强度,缩短测报时间,实现水位观测的自动化、数字化,提高工作效率,减少操作人员的劳动强度,同时可避免人工操作带来的差错,提高测验成果的精度和可靠性。
4.雷达水位计在小川水文站比测情况
4.1测站概况
小川水文站于1948年设立,站址位于甘肃省永靖县县城(刘家峡小川镇),距河源2021.90km,集水面积181770km²,占全流域面积的24.20%。小川站上距刘家峡水库1.70km,下距盐锅峡水库30km,是刘家峡水库的出库站和盐锅峡水库的人库站。
测验河段情况:该站测验河段基本顺直,窄深河道,矩形断面。水流方向自东南转向西北。断面左岸边30~40m河床为块石,其余为砂卵石组成,测流断面下80m处无护岸,形成回流;右岸为红砂岩,部分为砌石护岸,冲淤变化不大。基下500~700m处为河心滩,使基本断面水位壅高,形成本站良好的测站控制。因河道较为稳定,水面宽变幅不大,中高水位河宽在140~160m之间。中高水时测验主要依靠流速仪缆道或测船,大洪水时采用浮标测流。
小川水文站水位观测主要依靠浮子式自记水位计(月记式),自记井属岛式水位自记井,建于1980年。测井位于基本水尺断面上,1997年对水位计房进行了改造,现使用正常。该站主要观测项目有水位、流量、泥沙、泥颗、降水、水温等。
小川水文站zui高水位1624.43m,zui低水位1616.52m,水位变幅为7.91m,zui大流量5360m³/s,zui大含沙量386kgm³。
4.2雷达水位计在小川站的比测
小川水文站雷达水位计从2006年1月25日开始比测。水位计传感器高程标定为1624.99m。由于在此之前,雷达水位计和浮子式水位计的时间不一致,导致数据偏差较大,故无法用做比测资料,正式比测从2006年1月25日到2006年5月25日,比测总时间为118d。仪器参数设置:每6min采集一次数据,随采随存。经过4个多月的比测试验,共获得数据28080组,摘录比测数据2808组。比测期间,水位从zui高1622.31m到zui低1619.05m,水位变幅达3.26m。据比测成果表数据统计分析,zui大误差±0.04m,占摘录比测数据总数的0.53%;±0.03m误差占2.74%;±0.02m误差占12.61%;±0.01m误差占48.15%;0.00m误差占35.97%:置信水平95%的综合不确定度=2.30cm<3cm;系统误差=0.015cm<1cm;均满足规范要求。因此,在比测范围内可以投产使用。
通过对比测数据的相关分析,得出了仪器设备在现场的具体工作参数,进一步完善了仪器操作方法和操作规程,同时完成了《雷达水位计操作使用说明》的编写,以及软件界面的翻译工作。
比测用浮子式水位计为南京所生产的WYF℃电话远传浮子式水位仪,安装在小川站自记水位计房2#静水井筒上。
5.雷达水位计在小川水文站比测结果评定
根据《水位观测标准》(GBJ-90),比测结果应符合《河流水文观测技术与标准规范》第三篇第五章第5.2.3条规定:置信水平95%的综合不确定度不应超过3cm,系统误差不应超过1cm。按照IS0《导则》的B类不确定度标准,置信度为95%,综合不确定度U0.95=2Sg*Sg可用下式表示:
式中:Sg—标准差不确定度;Xi—为各次雷达水位读数;X—为各次人工观测平均值;N—观测次数。
根据小川水文站比测数据统计计算,标准差不确定度Sg用下式计算:
则置信水平95%的综合不确定度U0.95=2Sg=0.023m
系统误差:
根据上式计算,置信水平95%以下不确定度为2.30cm≤3cm,系统误差为0.015cm≤1cm,满足规范规定的要求。
综上所述,本次比测变幅、次数、时限均满足《河流水文观测技术与标准规范》第三篇第五章第5.2.2条规定:比测时,将水位变幅分为几段,每段比测数在30次以上,测次在涨落水面均匀分布,并包括水位平稳、急剧变化等情况下的比测值,长期自记水位计应取得一个月以上连续完整的比测记录等。
6.应用情况及社会效益
不需要建测井,节省了大量的土建经费。通过在小川水文站对雷达水位计的现场安装及应用比测试验,进一步摸清了仪器的性能,验证了该仪器水位跟踪速度快,受温差、空气密度变化影响小等特点,积累了先进仪器现场使用的经验,所测水位数据与浮子式水位计数据比测,其测量精度满足规范要求。由于小川水文站的水位计房距站房距离为1.50km,水位观测费时费力,且人工观测存在一定的误差,该仪器的应用,将大大减轻职工的劳动强度,缩短测报时间,实现水位观测的自动化、数字化,提高工作效率,同时可避免人工操作带来的差错,提高测验成果的精度和可靠性。这种新型水位计的投入应用,必将改善上游局所属水文站的水位测报条件。
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