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.安徽省（水利部淮河水利委員會(huì)）水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000 4.阜陽(yáng)船閘管理處 阜陽(yáng) 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.安徽省（水利部淮河水利委員會(huì)）水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000 4.阜陽(yáng)船閘管理處 阜陽(yáng) 236000 5.山東省水利廳 濟(jì)南 250014）

通過(guò)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(lái)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(pán)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)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(wèn)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(wèn)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(méi)有從根本上解決波浪對(duì)水位觀測(cè)影響問(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)數(shù)據(jù)采集單元及公網(wǎng)無(wú)線傳輸技術(shù)，保證數(shù)據(jù)傳輸及遠(yuǎn)程通訊；太陽(yáng)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(kāi)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(jiàn)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(yáng)能電池板、激光測(cè)距儀和數(shù)據(jù)收發(fā)器，太陽(yáng)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(guò)無(wú)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(guò)天線與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)無(wú)線信號(hào)傳輸。

（4）觀測(cè)管通過(guò)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(guò)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(mén)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(kāi)閥門(mén)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(guò)閥門(mén)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(guò)程序?qū)邮招畔⑦M(jìn)行處理，生成水位過(guò)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(wèn)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(wàn)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(yáng)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(guò)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(guò)100萬(wàn)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(méi)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(wàn)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