水位快速變動下白格堰塞湖水位監測方法

(長江水利委員會水文局 長江上游水文水資源勘測局，重慶 400020)

堰塞湖水文應急監測中，水位是最基本、最重要的監測要素，是堰塞湖上下游水情預報、堰塞湖庫容量計算、堰塞湖潰壩分析、堰塞湖處置等的基礎數據。水文應急監測中，水位監測常用的方法有人工設立水尺觀讀，采用無協作目標全站儀接測，采用壓阻式、浮子式和水泡壓力式水位自計儀，非接觸式水位計等幾種方法[1-3]。人工設立水尺觀讀方法簡單、易行、有效，但當堰塞湖泄流時，水位急速上漲對觀測人員帶來巨大安全隱患，水尺也極易被洪水沖毀。非接觸水位計包括聲波式、激光式、雷達式等。其中，超聲波水位計受大氣環境變化影響很大，測量精度和穩定性較差；激光式水位計的測量精度理論上要優于超聲波式，但水面需要反射板，適用性不強[3]；雷達式水位計在測量量程較大或水位變率較大時，存在分辨力不高、測量精度不高和穩定性差等諸多問題[3]，且雷達水位計在換能器表面距水面高差在0.5 m以內、含沙量大于10 kg/s、換能器水面存在障礙物、波浪較大等情況，對水位測量產生較大誤差[2]。無協作目標全站儀性能可靠，在反射物具有一定反射能力條件下，反射信號穩定，反射物材對測距的精度影響較小等優勢[4-7]。依據白格堰塞湖特殊水情下的水位應急監測條件，在水位變幅率較小時采用自動監測設備，輔以人工觀讀水位方式。當水位變幅率較大時，由于自動監測設備靈敏度受限，而無協作目標全站儀具有測程較大、精度可靠等特性，是水文應急監測水位接測的首選。但在水位快速變動的河段，使用無協作目標全站儀觀測水位，激光信號從發射到接收需要一定時間，期間水位已變動，致使水位與時間匹配性差，水位監測成果可靠性差。再者無協作目標全站儀發射的激光信號為橫波，遇水體衰減嚴重，當水位上漲淹沒無協作目標全站儀預先瞄準目標時，致使無協作目標全站儀無反射信號。

在水位快速變動條件下，創新性地提出了基于無協作目標全站儀的水位預判觀讀法，實現了特殊水情下的水位監測的時效性、精確性、可靠性，為白格堰塞湖水情報汛、洪水演進分析計算提供了可靠的水位資料，為現場應急處置、堰塞湖下游梯級水庫安全有效應對，以及沿線地方政府組織人員安全轉移提供了科學的決策依據。白格堰塞湖水位應急監測通過多種途徑和方法，成功獲得超萬年一遇洪水完整水位過程和寶貴的實測流量資料[8]。

1 白格堰塞湖水位監測概況

表1 白格堰塞湖水文應急監測各站點位置關系Tab.1 Location relationship of hydrological emergencymonitoring stations for Baige barrier lake mornitioning

圖1 葉巴灘監測站與堰塞體位置關系示意Fig.1 Diagram of relationship between Yebatan monitoring station and barrier dam position

2 常規水位應急監測方法

水文應急監測環境一般都極為惡劣，應急監測應遵循如下原則：簡便、快速、安全、一定的精度[9-11]。目前水位應急監測常用的方法有人工觀讀、水位自記儀、免棱鏡全站儀接測等幾種方式[1]。人工觀讀水位較簡單實用，應急監測時主要采用直立式水尺，測定各水尺零點高程，加上觀讀的數值，即為當前水位值。

自記水位計根據其原理，可分為氣泡式水位計、浮子式水位計、壓力式水位計、雷達水位計、超聲波水位計、電子水尺、激光水位計等。目前自記水位計多采用氣泡式水位計，其主要組成部分包括空氣過濾頭、氣泵、單向閥、壓力傳感器、連接氣管、微處理器等[8]。其工作原理根據通氣管道氣體達到動態平衡時，水下通氣管壓力與大氣壓差值，即為水體的凈壓力值，根據壓力即可測算水位值。對水位變幅率不大的水體，用氣泡式水位計可取得良好的效果，如波羅、梨園監測站點。但當水位變幅率過大，根據氣泡式水位計工作原理，氣體傳導、數據處理需要一定時間，其靈敏度不足以反映水位變化，將產生較大誤差。

3 基于無協作目標全站儀水位預判監測方法

2018年11月13日白格堰塞湖工程措施處置泄流后，堰塞湖出現最大過流流量31 000 m3/s，葉巴灘洪峰流量為28 300 m3/s，葉巴灘水電站設計數據顯示，葉巴灘萬年一遇的洪水為10 600 m3/s[12-13]。洪峰過境時，堰塞體下游約190 km的巴塘水文站最大流速達到10.3 m/s[13-14]。葉巴灘水位最大上漲率達到15.44 m/10 min，22.68 m/30 min[12]。水位監測環境極其惡劣，人工設立水尺觀讀水位，人員安全隱患大，水尺極易被沖毀。氣泡式水位計因靈敏度、流速、量程等因素影響，誤差較大[13]。無協作目標全站儀通過發射、接收激光信號來獲取目標位置信息，而激光為橫波，遇水體后能量衰減嚴重，水位上漲時，預先瞄準水位待測點，如水邊的巖石，因水位過快上漲被淹沒，發射的激光能量極大衰減，無法獲取激光發射信號，致使無法測取水位數據。

3.1 無協作目標全站儀工作原理

無協作目標全站儀是激光技術與傳統全站儀技術的有機結合，作業時不需要發射棱鏡或反射片即可實現測距、測角，達到測量被測目標三維坐標信息的功能。其工作原理為內部集成光電測距模塊產生與全站儀水平軸同軸的紅外激光束，由于激光具有單色性好、方向性強等特點，因此具有良好的量測性能，其工作原理如圖2所示。

圖2 無協作目標全站儀工作原理Fig.2 Working principle of total station withoutcooperative target

無協作目標全站儀測距多為脈沖式測距，通過計算信號發射與接收信號時間差計算與被測目標的距離，其測距計算式為

(1)

式中，S為測距儀中心至被測目標距離，c為光速，t為信號發射與接收時間差。其測角原理同傳統全站儀，被測目標三維坐標解算原理見圖3。

圖3 無協作目標全站儀坐標解算原理Fig.3 Principle of coordinate calculation of total stationwithout cooperative target

其三維坐標解算為

采用套袋法，貯藏前稱取肉樣的質量為M1，用細線吊起，外面加套一個食品級保鮮袋并封好袋口，肉樣不得與保鮮袋內壁接觸，于貯藏條件下懸掛24h后，用濾紙吸取肉樣表面的水分后，稱重肉樣的質量為M2，按照以下公式計算貯藏過程中的汁液損失率，每個處理測定3個平行樣品。

(2)

式中，α為水平角，β為垂直角。

3.2 水位預判監測方法

無協作目標全站儀具有自動化程度高、方便快捷的優點。對于視野開闊、視線內無遮擋、反射物體完全暴露的地方，無協作目標全站儀直接瞄準被測物體即可輕松地獲取被測目標的三維坐標，實現單人測量模式；在無協作目標測距中由于無需作業人員到達被測點立尺，降低了野外作業人員的工作強度和作業風險，提高了工作效率[15]，在水文應急搶險中具有很好的適用性。

水位預判監測方法為：當水位快速上漲時，為避免水體淹沒待測水位點造成能量衰減，導致無協作目標全站儀不能接收信號的問題，根據水位上漲率，預先選擇比當前水位高出0.2～0.5 m處，鎖定全站儀豎盤進行水位點觀測，其狀態如圖4(a)所示。保持全站儀鎖定豎盤狀態，利用全站儀望遠鏡觀測水位變化。當水位上漲至十字絲所處位置，如圖4(b)所示，則發出指令至時間觀測人員記錄時間，則完成上漲時一次水位觀讀。當水位快速下降時，則先觀測時間，其狀態如圖4(b)所示，然后觀測對應時刻所對應的水位值，如圖4(a)所示。如此觀測水位高程精度無損失，對應水位時刻值正確，從而保證水位監測成果的可靠性。

圖4 水位上漲時水位預判監測法Fig.4 Predictive monitoring method of water levelwhen water level rises

3.3 白格堰塞湖葉巴灘水位觀測

葉巴灘水位站位于堰塞體下游60 km，水位上漲率高達1.54 m/min，人工設立水尺被沖毀，自動水位測報失去反應，無協作目標電子全站儀信號不能接收[11]。河道水流速度高，上漲率極快，從事水文工作36 a，參加過唐家山堰塞湖、舟曲泥石流水文監測的專家，時任長江委水文局局長王俊稱：這輩子第一次見[12]。

3.3.1 葉巴灘水位應急監測

水位是水文應急監測最基礎資料，白格堰塞湖葉巴灘水位站水位監測采用Topcon 7502無協作目標電子全站儀，利用水位預判法實施水位快速變動條件下的水位應急監測。Topcon 7502無協作目標電子全站儀測距精度為(2±2 ppm)mm，測角精度為2″，無協作測程1 000 m，水位觀測結果見表2。

葉巴灘水位應急監測過程線見圖5。

3.3.2 水位監測精度評定

利用恢復正常狀態水位自記儀與基于無協作目標電子全站儀監測水位成果進行比較，評判水位監測精度性、可靠性，比較結果見表3。通過表2可知，二者校差均小于10 cm，具有較高可靠性，較好的精度。

4 白格堰塞湖水位監測

根據目前技術手段結合應急監測環境，白格堰塞

表2 葉巴灘水文站水位監測成果

圖5 葉巴灘水文站水位過程線Fig.5 Water level process line ofYebatan Hydrological Station

日期時刻全站儀水位自計儀水位差值2018.11.1320:102759.802759.720.082018.11.1320:152759.492759.58-0.092018.11.1320:202759.122759.040.082018.11.1320:252758.722758.79-0.072018.11.1320:302758.492758.52-0.032018.11.1320:402757.612757.610.00

湖水位監測主要采用人工設立水尺觀讀、氣泡式水位計、無協作目標全站儀觀讀水位等方法。水位應急觀測布置原則如下。

(1) 水位觀測布置應有一定冗余度。水位觀測范圍冗余：根據歷史水位資料、堰塞湖水位資料，充分考慮水位觀測范圍，各站點布置水位監測值應大于可能上漲水位。水位觀測方法冗余：應采用多種方法進行水位應急監測，以保證水位資料的完整可靠性。

(2) 堰塞湖潰壩后水體流速較大，人工設立水尺應具有一定穩固性，以免被水沖毀。其次應充分考慮水位過快上漲時，觀測人員安全觀測及撤離措施。

(3) 水位上漲過快時，應考慮氣泡式水位計靈敏度與適用范圍，應做好與人工觀讀或無協作目標全站儀觀讀水位的校測。

(4) 無協作目標全站儀觀讀水位應綜合地質條件穩定性、人員安全、便于各級水位觀測等因素，設置一定監測基準點及輔點。

白格堰塞湖各站點水位觀測方法見表4。白格堰塞湖各監測站點水位變化過程線見圖6。

表4 白格堰塞湖各站點水位監測方法Tab.4 Water level monitoring methods for each station ofBaige barrier lake

圖6 白格堰塞湖各監測站點水位過程線Fig.6 Water level process lines of monitoring stationsof Baige barrier lake

5 結 論

堰塞湖災害處置時，水位是水文應急監測的最基本、最重要的觀測要素。白格堰塞湖從形成到實施工程措施泄流潰壩后，采用多種水位監測方法結合，收集到極端水情條件下完整水位監測資料。堰塞湖經自然溢流或工程措施發生泄流后，水位快速變動，當常規的水位監測手段存在有數據無法獲取、作業危險系數大等不足時，為精確可靠獲取水位快速變動條件下的堰塞湖水位監測成果，應采用無協作目標電子全站儀預判水位監測方法。經過白格堰塞湖應急處理的水位監測工作，得出如下結論。

(1) 采用無協作目標電子全站儀，可實現遠距離安全地帶進行水位監測，保障作業人員安全。

(2) 利用預判法監測水位，保證水位觀測值與時間一致性匹配，實現水位快速變動條件下水位精確監測。

(3) 利用無協作目標電子全站儀可實現水位快速變動條件下下水位可靠性監測。取得的水位變化的過程線，為堰塞湖處置提供了可靠的水位資料，收集特殊水文條件下的水文應急監測成果，豐富了水位應急監測手段。