HC.WQX—氣泡水位計在城市內澇監測應用淺析

梁計和

摘 要：將HC.WQX10-1氣泡水位計作為前端傳感器，利用氣泡式水位計非接觸長距離可轉彎探測氣管的優點，將YCZ-2A-101作為遙測終端，構建城市內澇監測站技術方案，以解決城市下沉隧道安裝內澇監測站的技術困難。這個方法效果理想，具有較好的推廣和應用價值。

關鍵詞：氣泡水位計；遙測終端；下沉隧道；城市內澇

中圖分類號：P641.8；P335 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.022

現代大中城市高樓林立，車水馬龍，交通網密集，遇到特殊天氣，比如強降雨時，容易引發城市內澇。住建部數據顯示，全國62%的城市發生過內澇，且頻率有上升趨勢。國家防總及各級三防部門對此非常重視，迫切組建城市內澇監測預警系統，以減少人們的生命財產損失。在此方面，廣東省佛山水文分局已走在全省的前列，已建造成68個城市內澇監測站，基本上滿足佛山城市內澇的監測和預警要求。本文即在城市內澇的監測和預警建設過程中，將遇到的一些困難和解決問題的經驗總結出來，以期為日后的工作提供參考。

佛山城市內澇監測預警系統是在廣東省水雨情遙測系統應用的基礎上，啟用YCZ-2A-101遙測終端加報功能，在水雨情遙測系統接收平臺上創建的，而城市內澇監測站建設則是系統建設的關鍵技術之一，所以，對其建設提出以下要求：①安裝地點選擇在有代表性的水浸低洼地帶；②安全、美觀且不影響行人和車輛的通行；③有太陽光照射，以利于供電系統工作；④有夠強的集群網信號且受到的干擾小；⑤監測可靠性要高、精度要高；⑥具有防盜功能。

對于有代表性的水浸黑點，將電子水尺作為前端傳感器，采用立桿式機箱安裝，效果理想可靠。但是，下沉隧道是城市內澇最容易發生的地方，同時，這里也是發生內澇時最危險的地方。下沉隧道車多、路肩窄、沒有太陽能、通信信號不好，在隧道的上層立桿安裝遙測終端設備，使用HC.WQX10-1氣泡式水位計，利用測量氣管可延長、可轉彎的特點，把氣室安裝在隧道水浸的最低處，很好地解決了下沉隧道內澇監測和安裝時的技術困難。

1 儀器工作原理和主要技術指標

1.1 氣泡水位計工作原理

氣泡水位計是一種非接觸式測量液位的傳感器，由氣室、氣泵、氣管、氣閥、壓力傳感器、RTU運算控制部件和輸出部件組成，如圖1所示。

氣室安裝在距離液體的深度為H的地方，氣泵通過氣閥和氣管向氣室充氣，管內氣體通過氣室排出，加電啟動氣泵到一段時間氣泵停止充氣，經過△T時間后，氣室和氣管的氣壓達到平衡。這時，氣室內的氣壓壓強P等于當時的大氣壓強P0和液體深度產生的壓強Ph之和，即P=P0+Ph，Ph=H×γ，H

通過鍵盤設置YCZ-2A-101遙測終端，設置WS=06，外設可掛HC.WQX10-1氣泡水位計功能，YCZ-2A-101終端機每隔5 min進行一次采集操作。首先向HC.WQX10-1氣泡水位計供電，發出采集指令，HC.WQX10-1氣泡水位加電后，氣泵啟動2 s通過氣管向氣室充氣，待管內氣壓平衡后，測試氣管內的氣壓和當時的大氣壓，通過邏輯運算轉換成液位高度，再經RS485接口輸出給遙測終端機；遙測終端機的RTU采集到的是一個平均數據，這組數據是在5 min內每隔2 s連續采集8次，去掉最大值和最小值，剩下中間6次的平均數，記下這組數據的采集時間和發送狀態，送到顯示屏上顯示，并按時間順序保存在NVRAM中。

通過鍵盤設置YCZ-2A-101遙測終端，即：①設置加報閾值JB=00000 cm；②設置加報升降變幅Y2=01 cm，Y1=01 cm。當液浸深度同時滿足①②條件時，在5 min內液位變幅值大于等于1 cm，YCZ-2A-101遙測終端把測量到的數據通過移動集群網用GPRS報文格式向城市內澇預警系統中心發送數據，每隔5 min發1次，每次傳1組數據，以滿足城市內澇監測預警對及時性的要求；當水浸深度不滿足①②條件時，5 min內液位變幅值小于1 cm，YCZ-2A-101遙測終端把測量到的數據通過移動集群網用GPRS報文格式向城市內澇預警系統中心發送，每隔1 h發1次，每次傳12組數據，以達到省電省費效果。城市內澇預警系統中心收到數據后，將數據入庫，由自動程序加工處理。

1.3 儀器主要技術指標

1.3.1 HC.WQX10-1主要技術指標

HC.WQX10-1的體積為168 mm×101 mm×51 mm，量程為0～3 m，供電電壓為8～16 VDC，靜態值守電流小于等于0.6 mA（12 V），平均工作電流小于等于10 mA（12 V），分辨率為1 mm，測量精度為±3 mm，工作方式為壓觸式/定時式，通訊接口為RS485/4～20 mA，無測量盲區，氣管長度為0～500 m，測管規格為8 mm，壓縮機類型為微型活塞圓筒壓縮機。

1.3.2 YCZ-2A-101遙測終端主要技指標

YCZ-2A-101遙測終端的輸入電壓為10～30 VDC；值守電流小于1.5 mA；工作電流小于15 mA（不含通信）；通訊接口有3個RS232C，1個RS485接口；傳感接口為增量口、并行口、串行口、頻率口和模擬量口；平均無故障時間MTBF大于等于1 000 000 h；通訊模塊為GPRS模塊；支持2G/3G/4G網絡；協議支持TCP/IP、AT指令集、SMS。

2 氣泡水位計應用前誤差分析

由相關文獻資料可知，影響氣泡水位計精度的因素有2個，即氣管長度和水體含沙量。為此，將氣泡水位計安裝在內澇監測站前，在馬口水文站開展了誤差分析，擬在掌握氣泡水位計誤差規律后解決在下沉式隧道安裝的技術難題。

2.1 氣管長度對精度的影響

HC.WQX10-1按定時充氣方式工作，氣泵開啟時定時向氣管和氣室充氣，氣室內氣壓變化經歷由脈動到平穩的過程，氣管越長，管內氣壓從脈動變平穩所需的時間越長，氣室內壓力變化曲線如圖3所示。

t0—氣泵向氣管和氣室充氣時刻；t1—氣泵停止時刻；t2—停泵后，氣管和氣室的氣壓趨于穩定RTU取樣時刻

由圖3可知，當t2一定時，不同長度趨于穩定時的P值是有所差別的，氣管越長，P值的誤差越大。根據內澇監測站不是經常有水浸地方的特點，將HC.WQX10-1氣泡水位計裝在有潮漲潮落的馬口水文站同一個自記井內，與WFH-2浮子水位計進行比較試驗。

先用50 m氣管作試驗，測得2016-10-30這24 h的水位數據，具體如圖4所示，同時，記錄WFH-2浮子水位計測得的水位過程，如圖5所示。

將氣管長度增加到150 m，其他條件不變時，測得2016-11-08這24 h的水位過程線如圖6所示，記錄WFH-2浮子水位計測得的水位過程如圖7所示。

圖4是50 m氣管生成的水位過程線圖，從2016-10-30T0：00—2016-10-31T0：00時間段，從數據庫中讀出圖4、圖5對應的水位值，每隔5 min1個水位數據，共289個數據進行誤差統計。圖6是150 m氣管生成的水位過程線圖，從2016-11-08T0：00—2016-11-08T0：00，從數據庫中讀出圖6、圖7對應的水位值，每隔5 min1個水位數據，共289個數據進行誤差統計，生成統計表，具體如表1所示。

從遙測數據庫水位過程線中可以看出，用50 m氣管測試氣泡水位計HC.WQX10-1測得的水位過程線和用機械量程式WFH-2水位計測得的水位過程線一樣平滑。用150 m氣管測試氣泡水位計時，HC.WQX10-1測得的水位過程線和用機械量程式WFH-2水位測得的水位過程線平滑度差別比較大，WFH-2水位計測得的水位過程線比較平滑，HC.WQX10-1測得的水位過程線不平滑，有尖鋒跳動。

表1數據分析差值分布表明，用50 m氣管時，水位差值小、誤差分布集中，只有正誤差，最大差值為0.02 m，系統誤差為0.01 m，誤差可控；用150 m氣管測試時，最大誤差為-0.03 m，誤差有正值和負值，分布分散，誤差值偏大，誤差不可控。以此推算，當氣泡水位計氣管變長時，氣泡水位計的誤差會增加，氣管長度每增加100 m，誤差增加0.01 m，且誤差不穩定。

2.2 含沙量對氣泡水位計精度的影響

水體中含沙量及其變化直接影響到氣泡水位計的水位測量誤差。對于極細微粒徑的泥沙，可將其視作可溶性物質，而泥沙含量會改變水體容量，測得的靜水壓力也會發生變化。含沙量對靜水壓力影響可用式（1）表示，即：

Ps=Hγ+0.000 62Cs·Hγ. （1）

式（1）中：Ps為靜水壓強；H為氣室入水深度；γ為水體密度；Cs為含沙量。

近10年來，馬口水文站的最大含沙量為0.890 kg/m?。一般情況下，內澇水體含沙量不會超過此值，由此值計算出對Ps影響小于0.01%.當含沙量為0時，Ps=Hγ；當含沙量相同時，深度越大，對Ps的影響越大；當深度相同時，含沙量越大，對Ps的影響越大。

3 氣泡水位計安裝應用實例分析

3.1 華寶下沉隧道安裝內澇監測站應用

廣東省佛山市內澇監測預警系統在路面上有68個水浸監測站點，64個路面上的水浸監測站點采用立桿式電子水尺安裝。其中，有4個城市下沉隧道內澇監測站，即華寶隧道、季華立交、季華隧道、汾江隧道，由于路肩窄，沒有太陽光，通信差等原因，不能采用立桿式安裝。下沉隧道水浸的最低點處路肩寬0.5 m，排水溝0.4 m，到隧道出口處的距離分別是華寶隧道97 m、季華立交56 m、汾江隧道84 m、季華隧道94 m。根據這些特點，對于這4個隧道，采用HC.WQX10-1氣泡水位計作前端傳感器，YCZ-2A-101作終端機箱的安裝方式，先在隧道水浸的最低點處固定氣室，裝上長度約100 m的氣管，氣管用PVC管套住，一路延伸到機箱處；機箱安立在隧道頂層安裝條件適合的地方，效果理想，很好地解決了在下沉隧道安裝城市內澇監測站的技術難題。佛山市禪城區華寶下沉隧道安裝內澇監測站的應用實例如圖8所示，測試效果水浸過程如圖9所示。其他3站效果也很理想，這里不再贅述。

3.2 安裝內澇站使用氣泡水位計體會與建議

經過半年，將氣泡水位計安裝在內澇監測站使用，應用效果理想，效益顯著，解決了在城市下沉隧道安裝內澇監測站的技術難題。在這項工作中，筆者有以下幾點體會和建議：①第三代氣泡水位計的精度高，具有免氣瓶、免測井、免維護的優點，利用氣管可轉彎的特點，在下沉隧道、地鐵隧道選用氣泡水位計監測內澇是理想的選擇。②安裝方便，將氣室固定在要監測的地方，用PVC管將氣管一直套到終端機的位置，越短越好，一般在100 m左右為宜。③維護方便。當氣泡水位計損壞時，只需換氣泡水位的主機，不需要更換氣管，測試簡單。在內澇應用中，對于氣管氣密性測試，即將氣室端的氣管堵住，過了幾分鐘，水位快速上升到10 m，說明氣管沒漏氣。④防雷效果好。氣泡水位計伸長探測的部分是氣管，沒有電子元件，不引雷。⑤氣泡水位計工作時要啟動氣泵，它長期運行會發生機械磨損，與電子水尺相比，可靠性會低一點，但精度和可靠性仍然可控。

參考文獻

[1]張維，歐陽里程.廣州城市內澇成因及防治對策[J].廣東氣象，2011（6）：49-53.

[2]朱曉原，張留柱，姚永熙.水文測驗實用手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

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