關(guān)于水位觀測(cè)及數(shù)據(jù)資料整編方法研究綜述

于騰

對(duì)于水利事業(yè)而言，水文信息具有非常重要的價(jià)值，其對(duì)于汛期預(yù)警以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，而水位就是水文測(cè)驗(yàn)中最基本的觀測(cè)要素，本文注重對(duì)水文信息的采集過程中的水位的觀測(cè)方法和保證其必要的精度進(jìn)行概述，最后通過科學(xué)高效的整編方法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行整編，為各部門提供所需數(shù)據(jù)。

水位觀測(cè)的目的和要求

水位是指：河流或其它水體的自由水面相對(duì)于某一基面的高程，其單位以米（m）表示。

水位是反映水體、水流變化的重要標(biāo)志，是水文測(cè)驗(yàn)中最基本的觀測(cè)要素，是水文測(cè)站常規(guī)的觀測(cè)項(xiàng)目。在水文測(cè)驗(yàn)中，常用水位直接或間接的推算其它水文要素，如由水位通過水位流量關(guān)系，推求流量；通過流量推算輸沙率；由水位計(jì)算水面比降等，從而確定其它水文要素的變化特征。

影響水位變化的因素

水位的變化主要取決于水體自身水量的變化，約束水體條件的改變，以及水體受干擾的影響等因素。

基面與水準(zhǔn)點(diǎn)

水位是水體（如河流、湖泊、水庫(kù)、沼澤等）的自由水面相對(duì)于某一基面的高程。一般都以一個(gè)基本水準(zhǔn)面為起始面，這個(gè)基本水準(zhǔn)面又稱為基面。各國(guó)以某一海濱地點(diǎn)的特征海水位為準(zhǔn)，這樣的基準(zhǔn)面也稱絕對(duì)基面。另外，水文測(cè)驗(yàn)中除使用絕對(duì)基本面外還涉有假定基本，測(cè)站基面，凍結(jié)基面等。

（一）絕對(duì)基面

一般是以某一海濱地點(diǎn)的特征海水面為準(zhǔn)，這個(gè)特征海水面的高程定為0.000米，目前我國(guó)使用的有大連、大沽、黃海、廢黃河口、吳淞、珠江等基面。

（二）假定基面

若水文測(cè)站附近沒有國(guó)家水準(zhǔn)網(wǎng)，其水準(zhǔn)點(diǎn)高程暫時(shí)無法與全流域統(tǒng)一引據(jù)的某一絕對(duì)基面高程相連接，可以暫時(shí)假定一個(gè)水準(zhǔn)基面，作為本站水位或高程起算的基準(zhǔn)面。

（三）測(cè)站基面

測(cè)站基面是假定基面的一種，它適用于通航的河道上，一般將其確定在測(cè)站河庫(kù)最低點(diǎn)以下0.5～1.0米的水面上，對(duì)水深較大的河流，可選在歷年最低水位以下0.5～1.0米的水面作為測(cè)站基面。

（四）凍結(jié)基面

凍結(jié)基面也是水文測(cè)站專用的一種固定基面。一般是將測(cè)站第一次使用的基面固定下來,作為凍結(jié)基面。

水位的直接觀測(cè)設(shè)備

（一）水尺的種類

水尺分直立式、傾斜式、矮樁式和懸錘式四種。其中直立式水尺應(yīng)用最普遍，其它三種，則根據(jù)地形和需要選定。

（二）水尺的布置和零點(diǎn)離程的測(cè)量

水尺設(shè)置的位置必須便于觀測(cè)人員接近，直接觀讀水位，并應(yīng)避開渦流、回流、漂浮物等影響。在風(fēng)浪較大的地區(qū)必要時(shí)應(yīng)采用靜水設(shè)施。

水尺布設(shè)范圍，應(yīng)高于測(cè)站歷年最高、低于測(cè)站歷年最低水位0.5m。

同一組的各支基本水尺，應(yīng)設(shè)置在同一斷面線上。當(dāng)因地形限制或其它原因必須離開同一斷面線時(shí)，其最上游與最下游一支水尺之間的同時(shí)水位差不應(yīng)超過1cm。

同一組的各支比降水尺，當(dāng)不能設(shè)置在同一斷面線上時(shí)，偏離斷面線的距離不能超過5m ,同時(shí)任何兩支水尺的順流向距離不得超過上、下比降斷面距離的1/200。

五、水位的間接觀測(cè)設(shè)備

間接觀測(cè)設(shè)備主要由感應(yīng)器、傳感器與記錄裝置三部分組成。感應(yīng)水位的方式有浮筒式、水壓式、超聲波式等多種類型。以下按感應(yīng)分類如下：

浮子式水位計(jì)

利用浮子跟蹤水位升降，以機(jī)械方式直接傳動(dòng)記錄。用浮子式水位計(jì)需有測(cè)井設(shè)備(包括進(jìn)水管)，適合岸坡穩(wěn)定、河床沖淤不大的低含沙河段。

1.工作原理：

儀器以浮子感測(cè)水位變化，工作狀態(tài)下，浮子、平衡錘與懸索連接牢固，懸索懸掛在水位輪的“V”形槽中。平衡錘起拉緊懸索和平衡作用，調(diào)整浮子的配重可以使浮子工作于正常吃水線上。在水位不變的情況下，浮子與平衡錘兩邊的力是平衡的。當(dāng)水位上升時(shí)，浮子產(chǎn)生向上浮力，使平衡錘拉動(dòng)懸索帶動(dòng)水位輪作順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，水位編碼器的顯示讀數(shù)增加；水位下降時(shí)，則浮子下沉，并拉動(dòng)懸索帶動(dòng)水位輪逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，水位編碼器的顯示器讀數(shù)減小。

2.特點(diǎn)：

浮子式位計(jì)適用于長(zhǎng)期測(cè)量水庫(kù)、河流、湖泊、壩體測(cè)壓管等的水位，是監(jiān)測(cè)水位變化的有效監(jiān)測(cè)設(shè)備。水位計(jì)采用磁光編碼原理進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、沒有溫漂和時(shí)漂的影響，信號(hào)可直接接入計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)水位變化的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

（二）水壓式水位計(jì)

通過測(cè)量水體的靜水壓力，實(shí)現(xiàn)水位測(cè)量的儀器稱為壓力式水位計(jì)。壓力式水位計(jì)又分為氣泡式壓力水位計(jì)和壓阻式兩種。通過氣管向水下的固定測(cè)點(diǎn)通氣，使通氣管內(nèi)的氣體壓力和測(cè)點(diǎn)的靜水壓力平衡，從而實(shí)現(xiàn)了通過測(cè)量通氣管內(nèi)氣體壓力來實(shí)現(xiàn)水位測(cè)量，這種裝置通常稱之為氣泡式水位計(jì)。

壓力水位計(jì)的組成

將傳感器固定在河底，用引壓管消除大氣壓力，從而直接測(cè)得水位。壓力式水位計(jì)有兩類。一類為氣泡型，在引壓管中不斷輸氣，用自動(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)記錄機(jī)構(gòu)。另一類為壓阻式，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。

2.壓力式水位工作原理

相對(duì)于某一個(gè)測(cè)點(diǎn)而言，測(cè)相對(duì)于該點(diǎn)處的高程，加上本測(cè)點(diǎn)實(shí)際水深即為水位。

即：水位=測(cè)點(diǎn)高程+測(cè)點(diǎn)處的水深

測(cè)點(diǎn)處的水深為：H=p/r

式中：p—測(cè)點(diǎn)的靜水壓強(qiáng),g/cm；

H—測(cè)點(diǎn)水深，即測(cè)點(diǎn)至水面距離,cm；

r—水體容重g,/cm3。

當(dāng)水體容重已知時(shí)，只要用壓力傳感器或壓力變換器精確測(cè)量出測(cè)點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)值，就可推算出對(duì)應(yīng)的水位值。

氣泡水位計(jì)工作原理與壓阻式壓力水位計(jì)相同。

（三）超聲波水位計(jì)

超聲波水位計(jì)是一種把聲學(xué)和電子技術(shù)相結(jié)合的水位測(cè)量?jī)x器。按照聲波傳播介質(zhì)的區(qū)別可分為液介式和氣介式兩大類。

1.超聲波水位計(jì)的結(jié)構(gòu)與組成

超聲波水位計(jì)一般由換能器、超聲發(fā)收控制部分、數(shù)據(jù)顯示記錄部分和電源組成。對(duì)于液介式儀器，一般把后三部分組合在一起；對(duì)于氣介式儀器一般把超聲發(fā)收控制部分和數(shù)據(jù)處理部分的一部分與換能器組合在一起形成超聲傳感器，而把其余部分組合在一起形成顯示記錄儀。

（1）原理

當(dāng)超聲波在空氣中傳播遇到水面后被反射，儀器測(cè)得聲波往返于傳感器到水面之間的時(shí)間，根據(jù)超聲波在空氣中傳播速度計(jì)算距離，再用傳感器安裝高度減去所測(cè)至水面距離即得水位。計(jì)算方法是：

V=331.45+0.61T

式中：T—?dú)鉁兀?/p>

t—聲波往返時(shí)間。

由于超聲波在空氣中的傳播速度是溫度的函數(shù)，正確的修正波速是保證測(cè)量精度的關(guān)鍵，為此HW—1000C非接觸超聲波水位計(jì)，采用溫度實(shí)時(shí)修正方法實(shí)現(xiàn)聲波校準(zhǔn)，以使測(cè)量精度達(dá)到規(guī)范要求。

（2）用途

1）河流、明渠水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

2）水庫(kù)壩前、壩下尾水水位監(jiān)測(cè)攔物柵壓差監(jiān)測(cè)。

3）調(diào)壓塔水位監(jiān)測(cè)。

4）潮水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

5）城市供水、排污水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

（3）主要特點(diǎn)

1）在水位測(cè)量過程中沒有任何部件接觸水體，實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。

2）不受高速水流沖擊，不受水面漂浮物的纏繞、堵塞或撞擊以及水質(zhì)電化反應(yīng)的影響。

3）設(shè)備按裝不需建造水位計(jì)臺(tái)，基建投資小。

4）設(shè)備無運(yùn)動(dòng)部件，不會(huì)因部件磨損銹蝕而產(chǎn)生故障，壽命長(zhǎng)可靠性好。

原始資料的收集是基礎(chǔ)性的，資料的整理審核好比水文測(cè)驗(yàn)產(chǎn)品的加工工序，而水文整編則是水文產(chǎn)品的最后一道工序即質(zhì)量檢驗(yàn)，通過整編可以檢查測(cè)驗(yàn)工作的成敗與否。另外,通過對(duì)水文資料的分析研究，對(duì)改進(jìn)測(cè)驗(yàn)方法，提高效率也具有很重要的意義。

（作者單位：青海大學(xué)水利電力學(xué)院）