高寒地區冬季自動水位計的運行研究

石啟中

(新疆伊犁河流域開發建設管理局 烏魯木齊 830000)

浮子水位計由于運行穩定、精度較高、維護簡單，目前在我國水利系統運用比較廣泛。要建設龐大的水位觀測井，浮子水位計放在井內工作。但在高寒地區冬季由于井內水面的結冰，浮子經常被凍在冰蓋中無法正常運行。為打破傳統建井思路，利用較小的投資保證冬季水位計的正常運行，筆者結合工程實例，闡述一些改造思路與同仁交流。

1 工程概況

新疆特克斯河地處北緯42°～44°之間，屬于典型的融雪補給型河流，冬夏兩季的流量相差10倍左右，由于河床下切，冬季小流量時，以前建設的水位井已不能進水，自動水位計不能正常使用。若按照最低水位對原有水位井進行改造，則水位井開挖深度較大，土建設施投資較大。即使井底挖深較大，但由于進水管與河道相通處不可能太深，冬季遇到低溫天氣，河道結冰，進水管就有可能被凍，導致水位計無法正常運行。因此，多年來該河上的水文站水位計冬季都拆除，由人工觀測水位。隨著該河段水庫的建設，必須監測入庫流量的變化，人工觀測已不能滿足要求，且人工觀測必須鑿開冰蓋，既耗時又不安全，亟需改造傳統的建井模式，確保冬季水文數據的正常采集。

2 設計思路

首先對水位井的設計，必須滿足最低水位的要求，這就不能按照原先的地面建井思路，用引水管將河水引入觀測井。必須將主井深入河中，使水位計直接處在主河道中，解決水位低時不能進水的問題。其次就是冬季防凍保溫，必須用可靠的措施，確保在低溫時主井內不結冰，浮子水位計能隨著河水的漲落起伏變化。按照以上兩條設計思路，通過多次試驗，最終形成了一套符合冬季運行的水位觀測井的建設方案，在該河流中取得了很好的效果。

3 工程應用實例

3.1 水位井的建設

根據河道地形條件，水位井用φ350鋼管焊接成“├”形，要求“├”形豎向左半部分深入水中主河道中作為水位井，滿足最低水位要求，內部安裝浮子水位計。“├”形橫向右半部分作為連接件，與固定在岸邊的活動底座連接，底座處設計一個箱子，用來安裝水位編碼器，在“├”形橫豎的連接處設置兩個定滑輪(定滑輪為可拆卸式，便于浮子的安裝)，通過定滑輪改變浮子鋼絲繩的方向，由豎直變為水平方向，鋼絲通過水平橫管與岸上箱子內水位編碼器轉輪連接。豎管頂部設置可開啟頂蓋，用來拆裝水位計浮子及日常的維護。底座由上下法蘭連接，埋入地底的法蘭固定，內置一根鋼管作為轉軸，鋼管插入上部法蘭連接件內，上部可以繞軸轉動，水位計安裝時可將主井轉向岸邊，待水位計安裝完成主井轉到河中后，兩法蘭用螺栓固定。結構原理如圖1所示。

圖1 結構原理

圖2 浮子改造剖面

3.2 防凍改造

水位計由普通的浮子水位計改造而成，在浮子下部高度1/3處安裝一圈圓形400W可干燒加熱管，加熱管距浮子外壁3cm。加熱管用固定桿件與浮子下端突出的塑料長桿連接，保持其牢固，在外力作用下不變形。加熱管安裝后改變了原有的重錘與浮子的平衡系統，必須重新對浮子進行配重，取出浮子內配重塊，逐漸增加重量，以恢復到原有浮子與重錘平衡時的浮子入水深度為準，保持浮子在水中的平衡。浮子改造剖面見圖2。用220V交流電給加熱管供電，加熱管與電源線接頭處嚴格密封，確保在水中不漏電，電源端安裝微電腦定時開關，根據天氣變化定時供電，啟動加熱管。

3.3 應用效果分析

自2009年按照以上思路改造后，該成果在特克斯河水文站得到了很好的應用，解決了冬季水位觀測的難題，此項改造已經歷了-20℃低溫的考驗，盡管低溫時河道全面封凍，但由于加熱管的存在，水位井內仍然流水暢通，浮子水位計真實地反應了河道水位。豎向水位井由于直徑較小，受到的浮冰推力有限，在河道開河過程中雖然有浮冰的撞擊但未受到影響。實際應用過程中可根據氣溫高低調整加熱時間，減少耗電量。例如，運行中的經驗為:氣溫在-15～20℃之間通常加熱1h暫停1h，溫度高于-15℃通常加熱30min暫停1h，一般冬季4個月的電費在400元左右，用較小的投資解決了長期人工鑿冰觀測水位的歷史。現場安裝的水位井見圖3。

圖3 現場安裝的水位井

3.4 注意事項

水位井盡量建在河床有陡坎且岸邊能量測到最低水位的河段，豎井靠近岸邊布置，減少河道主流、水中漂浮物、浮冰對豎井的沖擊。該建井方案最好在冬季使用，汛期由于河流波浪較大，豎井直接插入河水中，井內水流擾動劇烈，水位計浮子頻繁擺動，致使鋼絲繩容易從滑輪上脫槽。

4 結語

該水位裝置的研究改造和現場投入運行具有以下特點:設計簡單，可靠性高;方便靈活，可以隨時拆裝，建設費用較低。冬季自動水位計運行正常，完全滿足水位傳輸的需要。