秦 濤

雷達(dá)水位計(jì)在上海世博園內(nèi)的應(yīng)用與比測(cè)分析

秦 濤

為了保障上海世博會(huì)期間園區(qū)的防汛安全，加強(qiáng)對(duì)世博園的水情監(jiān)測(cè)，根據(jù)上海市防汛辦的要求，上海市水文總站于2010年4月10日新建臨時(shí)自動(dòng)測(cè)報(bào)站“白蓮涇站”，世博會(huì)結(jié)束后還將搬遷至別處繼續(xù)服役。該站位于白蓮涇與黃浦江交匯處，鄰近世博園白蓮涇入口，所測(cè)水位為黃浦江水位。

“白蓮涇站”因其所處地理位置的特殊性，與建立普通自動(dòng)測(cè)報(bào)站的要求上有著很大的不同。既要保證測(cè)站所測(cè)水位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠且不受水質(zhì)、氣溫等因素影響，又要滿足世博園區(qū)內(nèi)的整體景觀效果。傳統(tǒng)的浮子水位計(jì)雖然能滿足數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的要求，但是其水位計(jì)井筒建造體積巨大，顯然不能滿足世博園區(qū)的景觀要求。經(jīng)上海市水文總站相關(guān)專家討論，最終研究決定在該站采用德國(guó)E+H公司生產(chǎn)的FM R250型雷達(dá)水位計(jì)。

一、白蓮涇站情況概述

白蓮涇站供電方式采用42W單晶硅太陽(yáng)能電池板，通信方式采用GPRS數(shù)字移動(dòng)終端，數(shù)據(jù)采集儀采用南瑞ACS-300M M型數(shù)據(jù)采集器。其主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容為雨量和水位，每5m i n采集并發(fā)送一次水情信息。該站的雨量計(jì)采用的是南京水利水文自動(dòng)化研究所生產(chǎn)的JDZ05-1型翻斗式雨量計(jì)，雷達(dá)水位計(jì)采用的是FM R250型雷達(dá)水位計(jì)。該雷達(dá)水位計(jì)輸出信號(hào)為4-20 m A帶H ART協(xié)議；功率消耗最小60m W，最大900m W；工作頻率約為26GH z超寬頻系統(tǒng)；測(cè)量范圍最小0.5m，最多可達(dá)70m；測(cè)量誤差范圍為±5 m m；工作溫度在攝氏－40℃～80℃之間。

白蓮涇站自建站起至今運(yùn)行正常，沒(méi)有出現(xiàn)任何故障，共測(cè)得數(shù)據(jù)38125組，所測(cè)得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

二、雷達(dá)水位計(jì)原理及特點(diǎn)

1.原理

雷達(dá)水位計(jì)的測(cè)量原理與超聲波水位計(jì)類似，不同的是雷達(dá)水位計(jì)使用的是雷達(dá)波,其工作原理如圖1所示。傳感器首先發(fā)射一個(gè)26 GH z的短微波脈沖（即“脈沖過(guò)程”），然后傳感器接收來(lái)自水體的反射信號(hào)，并將這些信號(hào)傳到完整的評(píng)估系統(tǒng)。脈沖信號(hào)的運(yùn)行時(shí)間直接反映了實(shí)際的水位。

2.特點(diǎn)

雷達(dá)水位計(jì)發(fā)射的26 GH z的短微波脈沖不受溫度、濕度、氣壓等環(huán)境因素或風(fēng)雪雨沙等惡劣天氣的影響，性能相當(dāng)穩(wěn)定，使得雷達(dá)水位計(jì)在其工作范圍內(nèi)具有極高的精度，其誤差范圍為±5 m m，完全達(dá)到水位觀測(cè)的精度需求。溫度適應(yīng)范圍廣，操作溫度在攝氏－40℃～80℃之間，完全滿足各種極端天氣的溫度要求。但是雷達(dá)水位計(jì)幾乎都是在國(guó)外生產(chǎn)制造，所以一般價(jià)格較高，一旦損壞需寄回國(guó)外方可修理，致使其維修周期較長(zhǎng)。其主要特點(diǎn)有：

①非接觸測(cè)量，不受水體污染，不破壞水流結(jié)構(gòu)。

②雷達(dá)波不受溫度、濕度、氣壓影響。

圖1 工作原理圖

表1 誤差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

③不需建造測(cè)井，節(jié)省土建投資。

④法蘭或螺紋連接，安裝方便。

⑤無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)元器件。

⑥無(wú)機(jī)械磨損，穩(wěn)定耐用。

⑦供電電源和輸出信號(hào)使用同一根兩芯線纜。

⑧可通過(guò)菜單驅(qū)動(dòng)的字符顯示器在現(xiàn)場(chǎng)操作。

⑨價(jià)格高，一旦損壞維修周期長(zhǎng)。

三、數(shù)據(jù)比測(cè)

因白蓮涇站為臨時(shí)站，建站時(shí)間短，且沒(méi)有相同位置水文站的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行比測(cè)，故取與其相鄰的黃浦公園水文站、蘇州河閘外站和楊思水文站所測(cè)得水位數(shù)據(jù)進(jìn)行比測(cè)。同步水位觀測(cè)對(duì)比見(jiàn)圖2。

本次比測(cè)從2010年7月12日到2010年8月20日,比測(cè)總時(shí)間為40d。儀器參數(shù)設(shè)置:每5m i n采集1次數(shù)據(jù)，隨采隨存。經(jīng)過(guò)1個(gè)多月的比測(cè)試驗(yàn)，共獲得數(shù)據(jù)11520組，摘錄比測(cè)數(shù)據(jù)1152組，比測(cè)期間水位從最高3.94m到最低1.61m，水位變幅達(dá)2.33m。

《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ138-90）規(guī)定：置信水平95%的綜合不確定度不應(yīng)超過(guò)3cm,系統(tǒng)誤差不應(yīng)超過(guò)±1cm。按照ISO《導(dǎo)則》的B類不確定標(biāo)準(zhǔn)：U0.95=2Sg。

其中Sg可用公式表示：

式中：Sg為標(biāo)準(zhǔn)差不確定度；

xi為各次雷達(dá)水位讀數(shù)；

n為觀測(cè)次數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)差不確定度Sg用下式計(jì)算:

則置信水平95%的綜合不確定度U0.95=2Sg=0.0254 m。

系統(tǒng)誤差Sj可用公式表示：

根據(jù)上面兩式計(jì)算，置信水平95%綜合不確定度為2.54cm≤3 cm，系統(tǒng)誤差為0.1cm≤1.0 cm，此兩項(xiàng)指標(biāo)均滿足水文規(guī)范要求。

四、數(shù)據(jù)分析

圖2 相鄰站同步水位觀測(cè)對(duì)比圖

本次比測(cè)變幅、次數(shù)、時(shí)限均滿足《河流水文觀測(cè)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》第三篇第五章第5.2.2條規(guī)定：“比測(cè)時(shí),將水位變幅分為幾段，每段比測(cè)數(shù)在30次以上，測(cè)次在漲落水面均勻分布，并包括水位平穩(wěn)、急劇變化等情況下比測(cè)值，長(zhǎng)期自記水位計(jì)應(yīng)取得1個(gè)月以上連續(xù)完整的比測(cè)記錄”。雖不滿足新儀器比測(cè)的時(shí)間不得小于1個(gè)汛期的規(guī)定，但儀器正常運(yùn)行時(shí)間已達(dá)4個(gè)半月（上海地區(qū)汛期一般為4個(gè)月，因上海舉辦世博會(huì)，汛期延長(zhǎng)至6個(gè)月）。

本次比測(cè)結(jié)果中綜合不確定度U0.95達(dá)到規(guī)范要求，但其數(shù)值偏大。統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)誤差參見(jiàn)表1。

綜合不確定度偏大主要因素分析：

①黃浦江受潮汐影響水位變幅大、變化速度快。

②該處河段為通航河段，來(lái)往船只產(chǎn)生波浪等必然對(duì)其產(chǎn)生影響。

③河道內(nèi)水草、雜物等漂浮物也會(huì)影響其測(cè)量準(zhǔn)確度。

④相鄰測(cè)站同樣受潮汐、波浪影響，其所測(cè)得水位也可能存在一定測(cè)量誤差。

五、結(jié)論

FM R250型雷達(dá)水位計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠、裝卸維護(hù)簡(jiǎn)單、觀測(cè)傳輸快捷、精度高，適合在溫差大的常年無(wú)封凍河段上使用。通過(guò)誤差分析U0.95綜合不確定度和系統(tǒng)誤差不超過(guò)規(guī)范要求的3cm和±1cm，完全滿足防汛水位的觀測(cè)要求。但其存在價(jià)格較高、維修周期長(zhǎng)、U0.95綜合不確定度偏高、最大絕對(duì)誤差達(dá)11cm等缺點(diǎn)。

通過(guò)此次比測(cè)分析并綜合各方面特點(diǎn)，雷達(dá)水位計(jì)更適合作為浮子水位計(jì)的補(bǔ)充，在某些無(wú)法建立浮子水位測(cè)井的地方可以作為水位觀測(cè)儀器加以利用

上海市水文總站200232）