自記式水位觀測儀器概述

黃慧慧，秦 紅

(上海市青浦區(qū)水文勘測隊(duì)，上海 201700)

水位是指河流或其他水體的自由水面相對于某一基面的高程。它是反應(yīng)水體、水流變化的重要標(biāo)志，是水文觀測的基本要素。水位是防汛抗旱、規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、水資源調(diào)度等工作的重要依據(jù)。規(guī)范、準(zhǔn)確可靠連續(xù)的水位數(shù)據(jù)是水位觀測的基本要求。水位觀測最早采用人工記錄及機(jī)械式水位計(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展水位觀測的技術(shù)不斷發(fā)展。文章通過當(dāng)前主要的幾種水位監(jiān)測設(shè)備性能的比較對水位觀測設(shè)備的使用提出參考建議。

1 水位觀測儀器設(shè)備及工作原理

水位觀測儀器設(shè)備包括自記水位計(jì)和水位測針。自記水位計(jì)根據(jù)其工作原理可分為浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)、超聲波水位計(jì)、電子水尺、激光水位計(jì)等。

浮子式水位計(jì)由浮子、重錘、測量盤、鋼絲繩等組成，其主要利用杠桿原理讓浮子隨著水位變化而上下浮動(dòng)，繼而帶動(dòng)與浮子連接的鋼絲繩、掛輪、轉(zhuǎn)動(dòng)軸及帶動(dòng)測量盤轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到與重錘的力學(xué)平衡。

壓力式水位計(jì)根據(jù)壓力與水深之間的關(guān)系，通過壓力傳感器測量水位，該類設(shè)備分為兩類，一類為氣泡式即通過向引壓管中不斷輸氣，用可自動(dòng)調(diào)節(jié)的壓力天平將水壓力轉(zhuǎn)換成機(jī)械轉(zhuǎn)角量，從而帶動(dòng)傳感設(shè)備。另一類為電測型，它應(yīng)用固態(tài)壓阻器件作傳感器，可直接將水壓力轉(zhuǎn)變成電壓模量或頻率量輸出，用導(dǎo)線傳輸至岸上進(jìn)行處理和記錄。

雷達(dá)水位計(jì)通過測算天線發(fā)射出的雷達(dá)脈沖經(jīng)發(fā)射、反射到接收后的時(shí)間及雷達(dá)波長計(jì)算水位。

超聲波水位計(jì)：超聲波換能器向水面發(fā)射高頻脈沖信號，脈沖信號在傳播介質(zhì)中傳播后接觸到水面并被反射隨后被換能器接收，脈沖信號發(fā)射與接受時(shí)間差及脈沖信號在傳播介質(zhì)的傳播速度可以計(jì)算出水位。根據(jù)傳播介質(zhì)不同超聲波水位計(jì)可分為液介質(zhì)和氣介質(zhì)兩類。

電子水尺：利用水的微弱導(dǎo)電性原理,自下而上逐個(gè)探測感應(yīng)元件的導(dǎo)電性，導(dǎo)電性突然變大的感應(yīng)元件則為電子水尺與水面接觸位置。

激光水位計(jì)通過從激光傳感器發(fā)射出來的一束激光經(jīng)反射板反射回到傳感器中后兩束激光的相位差計(jì)算得到實(shí)際水位。

2 水位觀測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定情況

為了規(guī)范水位觀測行為，國家自20世紀(jì)80年代后陸續(xù)出臺(tái)了水位觀測標(biāo)準(zhǔn)、儀器設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)、檢定規(guī)程等一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(詳見表1)。經(jīng)過逐年更新增補(bǔ)，已形成了基本的水位觀測標(biāo)準(zhǔn)體系，現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)共19個(gè)。水位觀測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要有：《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50138-2010)、《海濱觀測規(guī)范》(GB/T 14914-2006)、水位測量儀器通用技術(shù)條件(GB/T 27993-2011)、水位計(jì)通用技術(shù)條件(SL/T 243-1999)、《水位觀測平臺(tái)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 384-2007)。針對不同的儀器設(shè)備也出臺(tái)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從規(guī)范內(nèi)容來看以浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)出臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)相對比較全面，基本涵蓋了儀器設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量分等及檢定規(guī)程；超聲波水位計(jì)、電子水尺僅涉及到儀器設(shè)備產(chǎn)品基本標(biāo)準(zhǔn)；雷達(dá)水位計(jì)無相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范出臺(tái)時(shí)間來看，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范更新較緩慢，大部分標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)時(shí)間超過5a以上，其中2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已出臺(tái)超過20a，4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頒布時(shí)間已超15a。5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頒布時(shí)間已超過10a。

表1 水位監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

3 水位計(jì)安裝維護(hù)分析

不同水位計(jì)由于監(jiān)測原理不同，其設(shè)備安裝方式也各不相同。

1)浮子式水位計(jì)適用安裝于測井內(nèi)，且無冰凍及無明顯淤積河段，因?yàn)樾枰ㄔO(shè)測井其建設(shè)成本相對比較高，維護(hù)須在儀器設(shè)備維護(hù)基礎(chǔ)上增加測井的維護(hù)已保證測井穩(wěn)固暢通。

2)壓力式水位計(jì)分為氣泡壓力式水位計(jì)、壓阻式水位計(jì)，他們都是通過支架將感應(yīng)元件安裝于最低水位以下，其設(shè)施要求相對較低，但氣泡式水位計(jì)須在對設(shè)備維護(hù)的基礎(chǔ)上對氣路進(jìn)行維護(hù)并進(jìn)行額外的校準(zhǔn)工作。

3)雷達(dá)式水位計(jì)通過支架將設(shè)備安裝于岸上，維護(hù)相對比較方便，但要求安裝時(shí)儀器設(shè)備與被測水面呈垂直狀態(tài)，儀器與水面之間不能有遮擋，雷達(dá)發(fā)射口距岸邊距離須大于雷達(dá)反射面的波束半徑[1]。

4)液介質(zhì)超聲波水位計(jì)通過支架將感應(yīng)元件安裝于水面以下，設(shè)施要求相對比較低但維護(hù)須對困難；氣介質(zhì)超聲波水位計(jì)通過支架將設(shè)備安裝于岸上，因?yàn)閮x器設(shè)備均位于岸上維護(hù)相對液介質(zhì)超聲波水位計(jì)方便。

5)電子水尺直接將設(shè)備安裝于支架或河道護(hù)岸或提防處，可以傾斜安裝。

6)激光式水位計(jì)通過支架將反射板安裝于水面上，維護(hù)時(shí)須對反射板進(jìn)行維護(hù)。

4 儀器使用影響因子

水位計(jì)按照監(jiān)測原理可分為接觸式和非接觸式兩大類，水位計(jì)監(jiān)測原理不同所受到的影響因子也不同，下文就不同水位計(jì)從機(jī)械磨損影響、傳感器姿態(tài)影響、漂移誤差等24項(xiàng)進(jìn)行分析得出各水位計(jì)的主要影響因子(詳見表2)。

表2 水位監(jiān)測儀器影響因素匯總表

1)浮子式水位計(jì)是當(dāng)前廣泛用于水文監(jiān)測中的水位計(jì)，其主要受到機(jī)械磨損、水體冰凍、井筒淤塞、水位突變等8個(gè)因子的影響。

2)氣泡壓力式主要受鹽度、溫度、含沙量、機(jī)械磨損、電磁感應(yīng)等影響，同時(shí)垃圾堆積、水流、水位突變等也會(huì)給氣泡壓力式水位計(jì)帶來觀測誤差；壓阻壓力式水位計(jì)與氣泡式水位計(jì)一樣主要受鹽度、溫度、含沙量、機(jī)械磨損、電磁感應(yīng)等影響，但其輸出時(shí)滯不明顯，另外大氣壓力對壓阻壓力式水位計(jì)影響較大。

3)雷達(dá)水位計(jì)傳感器姿態(tài)影響、漂移誤差水體冰凍影響、水面漂浮物影響、水位突變影響、雷電影響、電磁干擾影響、非固定尺長誤差。

4)超聲波水位計(jì)受設(shè)備姿態(tài)、雷電、電磁感應(yīng)、水位突變、非固定尺長、溫濕度等的影響，除此以外液介質(zhì)超聲波會(huì)受到輸出時(shí)滯、鹽度、水溫、水體污染、人為破壞、垃圾等的影響，氣介質(zhì)超聲波還受到漂移誤差、暴雨、浮塵霧霾、水體冰凍影響等影響。

5)電子水尺受到輸出遲滯、暴雨、水體冰凍、水體污染、水生生物、水面漂浮物、水體含沙量變化、水流條件、水位突變、雷電、電磁干擾、船只撞擊、人為破壞、溫濕度及垃圾等14個(gè)因素的影響。

6)激光式水位計(jì)主要受暴雨、浮塵霧霾、水面漂浮物、雷電、人為破壞等8個(gè)因素的影響。

5 結(jié) 語

從儀器誤差分析及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定情況來看，在不考慮建設(shè)及維護(hù)成本下，浮子式水位計(jì)精確度相對較高，維護(hù)也較方便在我國的使用范圍最廣，其廣泛用于地表水、地下水、海水等監(jiān)測；氣泡壓力式主要用于水體污染嚴(yán)重地區(qū)或腐蝕性較強(qiáng)的工業(yè)水監(jiān)測，近年也在水位變幅較緩、泥沙含量較低、漫灘較長的的河道有一定使用；壓阻壓力式水位計(jì)主要用于不方便建水位井的區(qū)域；超聲波水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)、激光水位計(jì)都是非接觸式傳感器多用于工業(yè)試劑存儲(chǔ)的液位監(jiān)測，在地表水監(jiān)測中適用于在風(fēng)浪較小、無水面泡沫及漂浮物的地方建設(shè)，超聲波水位計(jì)不適用于地表水監(jiān)測，而雷達(dá)水位計(jì)在黃河等多沙河道及部分水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)中得到應(yīng)用，但整體使用率較低；電子水尺但近年來其在城市道路積水監(jiān)測、灌區(qū)等水位變幅較小的場合中得到應(yīng)用。自計(jì)式水位計(jì)作為水位測量的主要儀器，其精度會(huì)隨著工業(yè)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展而不斷提高，但作為監(jiān)測的技術(shù)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)的制定和更新遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足技術(shù)發(fā)展的速度，因此建議管理部門加快標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的更新，進(jìn)一步促進(jìn)水位觀測工作發(fā)展[2]。

[1]許笠，王延樂，華小軍.雷達(dá)水位計(jì)在水情監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].人民長江，2014,45(02):74-77.

[2]陳衛(wèi) ， 馮能操 ， 羅維新，等.HS-40氣泡壓力式水位計(jì)在長江數(shù)字航道水位監(jiān)測中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程,2014(11) :64-68