淺析無線傾斜式電子水尺在黑龍江上游冰凌水位實時監測的應用前景

蔡文國+張梅

摘 要：因受地理條件、氣候特征和河道特性的影響，黑龍江上游易產生冰壩，造成冰凌災害。基于現有的直立式水位自記平臺和氣泡式水位自記平臺方式的監測缺陷及地理環境特性，文章介紹了無線傾斜式電子水尺技術特性，提出了應用該電子水尺對黑龍江上游雍高水位進行實時監測的技術方案。

關鍵詞：電子水尺；實時連續監測；冰凌監測

中圖分類號：TP274 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0170-02

引言

黑龍江位于中國東北部，介于東經121°11′-135°05′，北緯 43°26′-53°33′，處于中高緯度區域，屬寒溫帶氣候。因受地理條件、氣候特性和河道特性等因素的影響，黑龍江每年融凍期河流都會出現凌春汛過程，尤其是位于黑龍江干流上游江段最易產生冰壩，其最高水位可達13.56m可導致大型的冰凌災害[1，2]。因此，水位作為水文和水資源預報領域中最基本、最重要的參數，是各級防汛指揮機構急需的實時冰凌監測數據用以防汛決策。

目前，我國黑龍江流域主要依靠人工觀測的方法來實現水位的監測，但因大部分水文監測站均位于交通不便、地理位置偏遠、無可靠供電的高寒地區，致使利用人工現場觀測獲得的水位精度低、實時性差、連續性差且觀測環境存在安全隱患[3]。為了更好的推動水文和水資源自動化、高效化、信息化的建設和發展，本文提出利用無線傾斜式電子水尺實現對黑龍江上游雍高水位實時監測的技術方案。

1 試驗監測區環境概述

黑龍江漠河江段地處寒溫帶氣候區，夏季溫熱多雨，冬季嚴寒漫長，氣候的變化特點是春季升溫快，秋季降溫快，夏季溫暖而短暫，冬季嚴寒而漫長，無霜期短。多年平均氣溫-5.5°C，極端最高氣溫39.8°C，極端最低氣溫-51.5°C，無霜期91d左右，年日照時數約2440h。年內6-9月份降水占全年的75%。年際間，最大年降水量是最小年降水量的2.3倍。多年平均降水量429.8mm，歷年最大年降水量624.7mm，歷年最小年降水量267.5mm，歷年最大日降水量129.9mm。

黑龍江省漠河縣從10月下旬左右出現流凌，于11月中旬封凍，次年4、5月份開江，封凍期長達6個月。由于受強烈的降溫影響，封江形式多為立封。由于渠道狹窄，島嶼沙洲眾多，加之地理位置和氣候條件的綜合作用，在春季開河時，如果升溫較快、河段冰蓄量較大且出現倒開江現象，多因冰塊卡塞形成冰壩而造成嚴重的冰凌、洪水災害，凌汛特征是陡漲陡落、過程較短。春汛主要是春季流域內集中降水和融雪而形成的。夏汛是流域內大范圍、高強度、長歷時暴雨而形成，主要是來源于上游額爾古納河和石勒 河特點是洪水封高量大，歷時長。冬季平均封江日期是11月12日，多年平均開江日期是4月30日，歷年最大冰厚是1.46m，平均最大冰厚1.05m。

2 黑龍江上游江段水位的主要監測方法

實時監測凌汛水情并掌握冰壩凌汛的發展狀況，是各級防汛指揮機構處置凌情采取的有效措施，同時為得到連續的、及時的、準確的情報，大興安嶺水文局建設了多處基本水位站及防汛水位站，目前使用的水位自動采集手段主要有直立式水位自記平臺配備浮子式水位計和氣泡式水位自記平臺配備氣泡式水位計。上述兩種方式的水位自動監測系統，經多年的試驗運行逐漸顯現出弊病，具體表現為：

2.1 直立式水位自記平臺

（1）開江前需人工融化井底冰層，但開江期氣溫低，融冰難度大。（2）黑龍江為中俄界江，中方一側多為漫灘，不易建設直立式水位自記平臺。（3）凌汛期洪水受冰凌卡塞影響陡漲陡落，直立式水位自記平臺易產生延時，導致采集數據失真。（4）發生冰壩致冰排上岸，直立式水位自記平臺井體易受損。

2.2 氣泡式水位自記平臺

（1）需在水位到達測量杯高程時方可設置基值，不適宜長戰線多站點調試。（2）輸氣管及測量杯易受冰排戧底影響易被掛斷。

3 無線傾斜式電子水尺實現冰凌期間河道水位的自動監測

基于黑龍江上游地區存在的直立式水位自記平臺和氣泡式水位自記平臺監測方案的缺陷及其特殊地理環境，急需水位自動連續采集設備，實現黑龍江上游水位的實時在線、長期連續、無人值守的監測。因此，采用無線傾斜式電子水尺的途徑解決上述難題。

3.1 無線傾斜式電子水尺的基本性能指標和特性

無線傾斜式電子水尺的基本性能指標如下：（1）主要技術指標達到《水位觀測標準》[4]。（2）通訊規約采用國家最新頒布的《水文監測數據通信規約》（20130110）。（3）實時數據召測：撥打站點的SIM卡手機號，三次振鈴后自動掛斷，無線端機會立刻采集當前實時數據并以GPRS/CDMA方式將數據發回中心站。（4）無線端機內置袖珍10AH/8.8AH（可選）大容量3.7V鋰電池，并配有6V充電引線接口，工程可直接接入6V/5～10W太陽能電池板或5V/6V開關電源，10AH鋰電池可供系統連續陰雨天氣正常工作25天以上。（5）可進行數據無線遠傳。（6）分辨率：1.0cm（全量程等精度測量）。（7）工作電壓：3.7～4.2V。（8）靜態電流：≤9mA（通訊模塊待機）。（9）靜態功耗：≤16mW。（10）工作溫度：-20°C～60°C，相對濕度不大于95%。（11）時鐘精度：≤30秒/年，可以中心時鐘同步。

無線傾斜式電子水尺的基本特性如下：（1）采用先進微處理器芯片為控制器、內置通訊電路的數字式水位傳感器，具備高可靠性及抗干擾性能。（2）防腐、防凍、耐熱、耐老化，可在泥槳、污液和腐蝕性液體、冰凍等多種惡劣的環境中使用；即不受等外界因素的影響。（3）采樣精度與長度無關，不同變幅的傳感器測量精度保持不變，都是1cm。（4）不受大氣壓力、濕度、含沙量、冰凍、泥槳、污液和腐蝕性液體等水中污染物及沉淀物的影響。（5）該類傳感器既可以單支使用，也可以多支階梯級聯使用。（6）對水位波浪做了數字濾波處理，確保水位的真實值。endprint

3.2 無線傾斜式電子水尺實現冰凌期間河道水位自動監測方案

無線傾斜式電子水尺集成了感應式水位測量體和無線數據通訊于一體的高性能水位測量裝置如圖1所示。感應式水位測量即感應式電子水尺，利用電子裝置監測水位變化，實現數字化分度，并將水位信號傳送至無線端機。無線端機采用先進微處理器芯片為控制器、內置遠程通訊模塊，集成RTU、DTU、太陽能充電控制器、防雷模塊、電話振鈴監測模塊等完成水位測量、數據保存、遠程數據通訊等功能，實現數字化分度。無線傾斜式電子水尺即在直立式電子水尺的基礎上，采用傾斜角度的三角函數值換算實時水位。

因監測水位均為中、高級水位且因受凌汛期流冰戧底作用影響，黑龍江上游主槽內建設的監測設施以及安裝的設備極易被流冰損毀，但采用傾斜式電子水尺進行凌汛期水位監測時，僅需將傾斜式電子水尺安裝于堤防上，即設計監測最低水位為堤腳高程，在監測斷面處將堤防由堤腳至堤頂開挖0.5m深溝槽，將電子水尺外套219鋼管固定在溝槽內，上方蓋混凝土蓋板與堤防找平，即可實現設備的安裝和實時數據的監測。整個系統采用蓄電池供電，并由太陽能電池板為蓄電池充電。電子水尺的水位基值及水尺斜率與水位換算關系由遙測終端機輸入，電子水尺采集的數據傳輸至遙測終端機，再由遙測終端機上傳至中心數據庫。

4 結束語

基于黑龍江上游利用直立式水位自記平臺和氣泡式水位自記平臺水位監測方案存在的缺陷及其特殊地理環境，黑龍江江段急需水位自動連續采集設備。通過對無線傾斜式電子水尺技術特性的分析，提出利用無線傾斜式電子水尺實現對黑龍江上游江段雍高水位進行實時監測的技術方案，可促進水文和水資源自動化、高效化、信息化的建設和發展，具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]陰法章，李桂芬，王春雷，等.黑龍江冰壩研究綜述[J].黑龍江水專學報，2007，32（2）：23-26.

[2]那濟海，周秀杰，許秀紅，等.黑龍江、松花江和嫩江冰壩凌汛發生原因及預報方法[J].自然災害學報，2011，20（2）：115-120.

[3]馬 ，馬福昌.移動式無線數字水位監測站的設計與應用[J].傳感器與微系統，2008，27（5）：87-92.

[4]GB/T 50138-2010.水位觀測標準[S].endprint