天然河道水位高精度測(cè)量一體化裝置的研制與應(yīng)用

徐新華 唐洪武徐雷諾吳 峰 余金煌王式成 宋青山 苗 苗

（1.淮河水利委員會(huì) 蚌埠 233001 2.河海大學(xué) 南京 210098 3.安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會(huì)）水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000 4.阜陽船閘管理處 阜陽 236000 5.山東省水利廳 濟(jì)南 250014）

天然河道水位高精度測(cè)量一體化裝置的研制與應(yīng)用

徐新華1唐洪武2徐雷諾2吳 峰3余金煌3王式成2宋青山4苗 苗5

（1.淮河水利委員會(huì) 蚌埠 233001 2.河海大學(xué) 南京 210098 3.安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會(huì)）水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000 4.阜陽船閘管理處 阜陽 236000 5.山東省水利廳 濟(jì)南 250014）

通過對(duì)現(xiàn)狀水位觀測(cè)技術(shù)及設(shè)備分析，針對(duì)天然河道水位高精度測(cè)量研制的一體化裝置，系統(tǒng)集成消浪、激光測(cè)距、數(shù)據(jù)采集及傳輸、計(jì)算機(jī)等成熟技術(shù)，解決長(zhǎng)期困擾我國(guó)天然河道水位觀測(cè)工作量大、受波浪影響大、精度低等關(guān)鍵技術(shù)難題。經(jīng)實(shí)際使用，穩(wěn)定性好，精度高，并獲專利授權(quán)。

水位高精度測(cè)量 集成消浪結(jié)構(gòu) 一體化裝置

1 天然河道高精度水位測(cè)量現(xiàn)狀及研究意義

在水利工程運(yùn)行管理和水文測(cè)報(bào)中，需要對(duì)天然河流的水位進(jìn)行測(cè)量，尤其是主汛期間，更需對(duì)實(shí)時(shí)水位及最高洪水位進(jìn)行精確的檢測(cè)，從而積累洪水位觀測(cè)資料，以便對(duì)河段河道防洪技術(shù)、防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，對(duì)下游防洪有著指導(dǎo)性的意義，對(duì)行蓄洪區(qū)來講，水位精度測(cè)量直接決定行蓄洪區(qū)的是否啟用，是地方防汛指揮和人民群眾最為關(guān)心的事情。對(duì)水利工程運(yùn)行及安全管理，擋水建筑物壩前壩后水位直接影響工程安全，因此，高精度水位測(cè)量極為重要。

現(xiàn)階段的天然河流水位的測(cè)量，均由水文站進(jìn)行，但由于天然河道水文站多地處偏僻，工作環(huán)境惡劣，水位觀測(cè)受多種不確定性因素影響大，水位觀測(cè)精度一直制約國(guó)人的水文測(cè)驗(yàn)工作。根據(jù)《中華人民共和國(guó)水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ158-90）（下簡(jiǎn)稱《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》）規(guī)定，水位測(cè)量精度允許誤差在2～3cm之間，但在實(shí)際工作中，由于受波浪、雜物、河道淤積等多種因素影響，觀測(cè)非常困難，精度很難保證。

目前常用的觀測(cè)儀器主要包括：各種水尺，浮子式水位計(jì)，氣泡式、壓力式式、超聲波水位計(jì)和雷達(dá)水位計(jì)等，這些儀器由野外環(huán)境限制，對(duì)觀測(cè)精度影響較大，穩(wěn)定性、耐久性差。主要是：①浮子式水位計(jì)。目前使用較多，利用數(shù)碼盤進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過浮筒隨水位變化進(jìn)行測(cè)定。需要建設(shè)較大豎井和連通管道，運(yùn)行成本高，管道淤積難處理，個(gè)別地方由于受水位觀測(cè)條件制約，需要建設(shè)倒虹吸管及真空處理，增加相應(yīng)處理設(shè)備，水位校正需要每天由人工在河道中用水尺讀基準(zhǔn)數(shù)值，再到水位計(jì)上進(jìn)行標(biāo)定，而人工讀數(shù)本身就受波浪等因素影響，誤差大。②氣泡式和壓力水位計(jì)。需在水下工作，受水質(zhì)、水體微生物及波浪影響大，成本高、儀器校正復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用故障率高，維修較困難，基點(diǎn)高程標(biāo)定影響觀測(cè)精度。③超聲波水位計(jì)和雷達(dá)水位計(jì)。直接對(duì)水面觀測(cè)，受波浪和漂浮物干擾大，精度難保證，造價(jià)高，需相應(yīng)輔助設(shè)施配套，難以適應(yīng)野外工作環(huán)境和規(guī)模推廣。

目前水位觀測(cè)存在的主要問題是：受儀器安裝、附屬配套設(shè)施和天氣的影響大，觀測(cè)工作量大，尤其是未能很好地解決儀器觀測(cè)受波浪影響問題，儀器在實(shí)際工作中由于受安裝埋設(shè)、天氣、自然、基點(diǎn)高程標(biāo)定、人為等因素影響，實(shí)際誤差進(jìn)一步放大。觀測(cè)資料記錄及整理自動(dòng)化程度差，受人為因素影響多，精度差，實(shí)際測(cè)量誤差難滿足精度要求。在實(shí)際野外環(huán)境天然河道水位測(cè)量中，由于人為因素多，水位觀測(cè)難以與流速、流量等其他水文要素同步測(cè)量，現(xiàn)有的觀測(cè)儀器沒有從根本上解決波浪對(duì)水位觀測(cè)影響問題。

目前，國(guó)內(nèi)外水位觀測(cè)多集中在單個(gè)水位傳感器方面，對(duì)水位觀測(cè)成套裝置，系統(tǒng)的融合性方面投入研究較少，儀器設(shè)備整體融合后，各類傳感器在天然河道環(huán)境情況下性能大大降低，系統(tǒng)總體性能不理想、不穩(wěn)定、精度差。

因此，現(xiàn)階段急需一種可對(duì)天然河道水位進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度測(cè)量的裝置。

2 水位測(cè)量一體化裝置及系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)

為解決現(xiàn)階段天然河道高精度水位觀測(cè)儀器存在的成本高、觀測(cè)受環(huán)境和人為因素雙重影響、觀測(cè)結(jié)果精度差、誤差大等缺點(diǎn)，通過對(duì)常用水位觀測(cè)設(shè)備通用性、耐久性、適用性進(jìn)行分析，融合現(xiàn)代電子、通訊等工程技術(shù)，研究提出天然河道水位高精度測(cè)量的一體化裝置。通過研制的集成消浪結(jié)構(gòu)，保證儀器在靜水中觀測(cè)，避免或減小了波浪干擾；現(xiàn)代激光測(cè)距可保證觀測(cè)精度達(dá)毫米級(jí)；通過數(shù)據(jù)采集單元及公網(wǎng)無線傳輸技術(shù)，保證數(shù)據(jù)傳輸及遠(yuǎn)程通訊；太陽能及充電鋰電可保證野外環(huán)境下持續(xù)供電15天以上；后臺(tái)計(jì)算機(jī)程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理及輸出，并可根據(jù)不同的客戶要求開發(fā)手機(jī)客戶端。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，該裝置采用了如下設(shè)計(jì)方案（示意圖見圖1）：

主要特征如下：（1）包括基座，基座上分別設(shè)有支架和轉(zhuǎn)接管，支架的上側(cè)連接一個(gè)固定板，固定板上分別安裝太陽能電池板、激光測(cè)距儀和數(shù)據(jù)收發(fā)器，太陽能電池板分別與激光測(cè)距儀和數(shù)據(jù)收發(fā)器電連接，激光測(cè)距儀和數(shù)據(jù)收發(fā)器通信連接，數(shù)據(jù)收發(fā)器與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過無線信號(hào)傳輸。

（2）轉(zhuǎn)接管分別連接濾波管和觀測(cè)管，觀測(cè)管內(nèi)設(shè)有一個(gè)浮動(dòng)靶標(biāo)，浮靶標(biāo)與激光測(cè)距儀的信號(hào)采集端口感應(yīng)配合。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，有以下進(jìn)一步的技術(shù)方案：

（3）數(shù)據(jù)收發(fā)器通過天線與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)無線信號(hào)傳輸。

（4）觀測(cè)管通過一組連接件連接固定在所述支架上。

（5）濾波管的內(nèi)壁設(shè)有向內(nèi)凸起的螺旋環(huán)，濾波管的端部套接一個(gè)接頭，接頭為三通式筒狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)三通式出口處再聯(lián)接三通式筒狀結(jié)構(gòu)，三通式筒狀結(jié)頭內(nèi)安裝有過濾設(shè)施，消除或減小波浪干擾，使得河水在進(jìn)入觀測(cè)管后由動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化為靜態(tài)。三通式消浪接頭，既可有效消除順?biāo)鞣较虻乃?，同時(shí)也避免了垂直水流方向的波浪沖擊。

當(dāng)濾波管內(nèi)有淤泥時(shí)，可隨時(shí)在閥門處連接外接干凈水源對(duì)濾波管進(jìn)行沖洗，當(dāng)洪水水位升高時(shí)，也可打開閥門接頭，將另一套與該裝置相同的濾波管連接在該裝置的外接管上。

（6）觀測(cè)管采用透明管，在支架上連接一個(gè)與觀測(cè)管對(duì)應(yīng)配合的標(biāo)尺。觀測(cè)管還可以采用不透明的管，在側(cè)壁上設(shè)有一個(gè)通長(zhǎng)的觀測(cè)窗口。

轉(zhuǎn)接管上通過閥門連接一個(gè)外接管，外接管可用于管道沖洗及管道接長(zhǎng)。

（7）后臺(tái)信息處理終端采用計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)采集到觀測(cè)信號(hào)通過程序?qū)邮招畔⑦M(jìn)行處理，生成水位過程線、曲線及記錄表。

（8）水尺可進(jìn)行人工觀測(cè)及校正。天然河道水位高精度測(cè)量的一體化裝置已獲專利授權(quán)（ZL 2014 2 0377038.6，CN201410324338.2（發(fā)明專利實(shí)審））。

3 天然河道水位高精度測(cè)量一體化裝置技術(shù)創(chuàng)新及特點(diǎn)

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

（1）獨(dú)創(chuàng)消浪結(jié)構(gòu)和連通管結(jié)構(gòu)，成功解決水位觀測(cè)受波浪影響問題。

（2）減輕水文觀測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度，避免誤測(cè)。尤其野外惡劣環(huán)境條件下，對(duì)我國(guó)偏遠(yuǎn)河道和行蓄洪區(qū)汛期水位觀測(cè)，可發(fā)揮難以替代的作用；人工與自動(dòng)觀測(cè)可實(shí)時(shí)對(duì)比。

（3）促進(jìn)行業(yè)科技進(jìn)步。水位觀測(cè)向自動(dòng)化、智能化邁進(jìn)，可有效保證觀測(cè)資料的準(zhǔn)確性、可靠性、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性，對(duì)保障我國(guó)江河防洪安全和水生態(tài)環(huán)境安全有重要現(xiàn)實(shí)意義。

（4）觀測(cè)精度高。觀測(cè)精度為2mm，對(duì)提高我國(guó)水文觀測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有重要促進(jìn)作用，增強(qiáng)我國(guó)在水文觀測(cè)領(lǐng)域的國(guó)際影響力及競(jìng)爭(zhēng)力。

（5）水位觀測(cè)集成一體化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便，不受天氣影響，資料自動(dòng)整理。

（6）系統(tǒng)造價(jià)低，野外獨(dú)立水位觀測(cè)點(diǎn)全套裝置5萬元左右，便于規(guī)模推廣使用。

4 專利應(yīng)用情況及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

該專利已用于淮河吳家渡水文站、南京長(zhǎng)江下關(guān)潮水位站、蚌埠閘下、鳳陽港及淮河蚌埠段多座橋梁壅水等水位原型觀測(cè)，觀測(cè)成果通過驗(yàn)收。

根據(jù)《2014年全國(guó)水利普查成果總報(bào)告》（水利部2014年），全國(guó)流域面積在100km2以上的河流有22909條，1000km2以上的河流有2221條。1100km2以上湖泊2865個(gè)，水庫(kù)98002座，其中小型水庫(kù)93308座。

目前我國(guó)大型水庫(kù)、湖泊和主要河流控制站，均設(shè)置水位觀測(cè)站，但受單個(gè)站點(diǎn)造價(jià)高影響，數(shù)量較少，難以滿足要求，觀測(cè)精度低，受人為影響大，資料整理困難。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水文水位觀測(cè)站單站平均造價(jià)（包括觀測(cè)井和附屬設(shè)施）均超過100萬元（不含人員工資），由于造價(jià)高，中小型水庫(kù)和偏僻河流，只有簡(jiǎn)單的水尺觀測(cè)，甚至沒有觀測(cè)站，同時(shí)，觀測(cè)受天氣和人為影響大，觀測(cè)極為困難。而我國(guó)真正缺乏觀測(cè)資料的正是中小河流、湖泊和偏僻水庫(kù)、行蓄洪區(qū)等，每年出險(xiǎn)的水庫(kù)中，多數(shù)為小水庫(kù)及中小河道堤防，因此，該裝置對(duì)防洪工程和和中小河流水位監(jiān)測(cè)有重要現(xiàn)實(shí)意義。

該裝置造價(jià)低，維護(hù)簡(jiǎn)單。僅按全國(guó)小水庫(kù)總數(shù)的四分之一進(jìn)行升級(jí)改造，可節(jié)約費(fèi)用：

93308座×（100－5）萬元／座×25%＝221.6億元

全國(guó)其他河道、湖泊及大型水庫(kù)等也需進(jìn)行改造升級(jí)，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益可觀。

該裝置設(shè)備獨(dú)立成套，系統(tǒng)自成一體，較好地解決了長(zhǎng)期困擾我國(guó)天然河道水文觀測(cè)受波浪影響、精度低、資料整理困難等關(guān)鍵技術(shù)難題，填補(bǔ)我國(guó)天然河湖高精度水位測(cè)量空白，對(duì)行業(yè)科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)起重要促進(jìn)作用