水位觀測儀器的選擇與應(yīng)用

王承飛

【摘要】水位值觀測是一種最基本的水文實驗項目，水位觀測儀器的質(zhì)量，性能直接關(guān)系到水文數(shù)據(jù)收集的質(zhì)量結(jié)果，因此，選擇水位觀測設(shè)備的好壞直接關(guān)系到數(shù)據(jù)收集的連續(xù)性和質(zhì)量結(jié)果的可靠性，對于水文技術(shù)的現(xiàn)代化具有十分重要的意義。

【關(guān)鍵詞】水文儀器；水位計；聲學(xué)水位計

一、前言

巢湖流域水位觀測從護(hù)岸的混凝土墩直立式水尺觀讀、直立式木樁搪瓷水尺觀讀，后逐漸推廣利用工程塊石護(hù)坡穩(wěn)定的條件修建斜坡式水位觀測，后來又推廣應(yīng)用非接觸氣式（超聲波）水位計，將水位觀測向現(xiàn)代化邁進(jìn)了一大步。巢湖水位觀測存在的問題，在于非汛期小流量過程中，固定的自記水位計塔脫河情況普遍，仍需要最原始的水尺“直接”方式觀測水位。因此，研究出一套適合大多數(shù)測量場所使用，并且造價低、施工方便的水位測量裝置意義重大。根據(jù)這種需求，在巢湖流域水位測報系統(tǒng)建設(shè)中，研發(fā)“激光測距儀在巢湖水位站測量水位上應(yīng)用的可行性”，這是一個需要研究和解決的課題。

二、幾種水位觀測儀器的使用情況

1、JY-10型水壓式水位計

（1）儀器結(jié)構(gòu)JY一10型水壓式水位計是由長江水利委員會漢口水文總站研制生產(chǎn)的，長江口水文水資源勘測局徐六涇水文站于1983年購置了第一臺水壓式水位計，該儀器由壓力傳感器、氣路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)及記錄設(shè)備等組成，是一種無測井自動記錄水位的儀器。

（2）工作原理JY—l0型水壓式水位計工作原理是應(yīng)用靜水壓力的基本原理，由壓力傳感器測定感壓管口處的壓力（水深）變化以記錄水位過程的記錄儀器。用于測壓的壓力傳感器為單一自動跟蹤、自動補(bǔ)償?shù)闹亓ζ胶庀到y(tǒng)。

2、浮子式水位計

儀器結(jié)構(gòu)楊林水位站于1985年底開始安裝HcJ-1型日記水位計和SWY-20型月記水位計。兩臺均系浮子式水位觀測儀器，是由重慶水文儀器廠研制生產(chǎn)的，儀器由浮筒、懸索、平衡錘、水位輪、記錄筆、記錄紙、石英鐘及箱體組成。要求在具有防浪井設(shè)備或無 風(fēng)浪的水面上使用。

工作原理浮子式水位計由浮筒感應(yīng)水位變化帶動水位輪旋轉(zhuǎn)，浮筒和平衡錘用塑膠銅線連接懸掛在水位輪上，水位漲落使浮筒升降帶動水位輪正反旋轉(zhuǎn)。記錄紙是裝在記錄滾筒外面的。

3、SSA1-1型聲學(xué)水位計

（1）儀器結(jié)構(gòu)1995年以后，祟頭連興港、六效、共青圩水位站相繼換置了SSA1—1型聲學(xué)水位計今年，徐六涇水位站也購置了這種型號的水位計，該儀器是由國家海洋局第三海洋研究所、廈門海天高新技術(shù)研究所研制的SSA1—1型聲學(xué)水位計由超聲波探頭、溫度傳感器和測量儀表組成，采用非接觸聲學(xué)測量方法及軟件捎波技術(shù)采集信號數(shù)據(jù)，適用于海洋、江河湖泊的水位測量。應(yīng)當(dāng)指出的是1995年購置的儀器只作了一階溫度補(bǔ)償，2000年購置的儀器作了二階溫度補(bǔ)償。因而更加準(zhǔn)確

（2）工作原理SSA1—1聲學(xué)水位計基于聲學(xué)測距原理，通過安裝在水面以上某個高程上的超聲傳感器（探頭），將具有一定頻率、功率和寬度的電脈沖信號轉(zhuǎn)換成同頻率的聲脈沖波，定向朝水面發(fā)射，（超）聲波在介質(zhì)中（空氣）以一定的速度傳播，當(dāng)聲波束遇到不同密度的介質(zhì)分界面（水面）時，又反射至超聲傳感器，再被轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，送徽處理器作相應(yīng)處理最后把代表實際水位的數(shù)據(jù)傳送給記錄儀顯示并存儲。

三、巢湖流域人工水位觀測現(xiàn)狀

巢湖河段具有多處水位觀測點(diǎn)。由于該河段巢湖水文變化復(fù)雜、測驗條件困難，為適應(yīng)巢湖條件，多年來經(jīng)過不斷探索和實踐，巢湖水位觀測技術(shù)，由直立木樁搪瓷水尺、混凝土墩水尺、工程護(hù)坡斜坡型水尺。

（1）以直立木樁搪瓷水尺為主的第一階段：巢湖河段為寬、淺、散亂的游蕩型河床，屬于河網(wǎng)區(qū)主流擺動頻繁，洪水期河床沖淤比較大，巢湖河道多為通航航道，受航運(yùn)交通、上游來水漂浮物、下游潮汐眾多影響導(dǎo)致水尺損壞沖失嚴(yán)重，嚴(yán)重影響水位觀測的連續(xù)性，并因頻繁補(bǔ)設(shè)水尺而增加了勞動強(qiáng)度。

（2）以建立混凝土墩水尺、工程護(hù)坡斜坡型水尺主的第二階段：為克服直

立木樁搪瓷水尺易沖失的情況，根據(jù)工程穩(wěn)定情況和河勢穩(wěn)定的情況下，在護(hù)岸設(shè)立了混凝土墩水尺、工程護(hù)坡斜坡型水尺。

（3）推廣應(yīng)用非接觸超聲波水位計階段：針對巢湖使用直立木樁搪瓷水尺、混凝土墩水尺、工程護(hù)坡斜坡型水尺仍存在的問題。

四、激光測距儀測量巢湖水位的可行性

1、激光測距儀的測量水位裝置工作原理

采用水準(zhǔn)儀等測量儀器的水平調(diào)整方式，利用3、4個可調(diào)螺絲進(jìn)行精確整平，使激光測距儀光線處于精確水平位置；然后利用經(jīng)緯儀垂直角度測量原理對準(zhǔn)水準(zhǔn)基點(diǎn)上樹立的標(biāo)尺（基點(diǎn)高程H、水尺讀數(shù)I），測出基點(diǎn)距儀器中心的長度L1和垂直角度α1，換算出測距儀水平光線高程H1；而后再將激光測距儀光線照準(zhǔn)水邊參照物（水面上浮子或水邊固體物水邊線）測量距離L2和垂直角度α2，換算出水位數(shù)值H2。本文設(shè)計的激光水位測量裝置，其計算方法如下：

（1）計算測距儀水平光線高程H1

H1=L1*sinα1+H+I

（2）計算水位高程H2

H2=H1-L2*sinα2

2、實現(xiàn)水位測量的可行性主要條件

（1）參照物（水面上浮子或水邊固體物水邊線）的設(shè)計出于視力和安全原因，激光測距儀的光線不能對準(zhǔn)彩色液體（水）或玻璃測量，解決這一問題的方法就是在水面上布置參照物（水面上浮子或水邊固體物），要求必須上下活動自如，正確反應(yīng)出水位變化，即在水面上設(shè)置一個由細(xì)鋼絲繩鏈接的帶有反光設(shè)置泡沫材質(zhì)的固體結(jié)構(gòu)或在水邊穩(wěn)定固體物用油漆刻制明顯的反光標(biāo)記。

（2）激光測距儀測水位裝置的可維護(hù)性

激光測距儀測水位裝置能否正常運(yùn)行，可維護(hù)性是關(guān)鍵，在該裝置中，能否對參照物（浮子或其他固體物）進(jìn)行維護(hù)，是該裝置能否用于工程實際的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。正常運(yùn)行時參照物應(yīng)處于自由狀態(tài)，當(dāng)需要檢修時，可使用一種專用的配套設(shè)計工具，使參照物能正確自如的反應(yīng)水位變化情況。

3、應(yīng)用激光測距儀觀測巢湖水位的優(yōu)點(diǎn)

在巢湖流域上應(yīng)用激光測距儀觀測水位對比現(xiàn)在使用的水位觀測方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）體積小巧，攜帶方便，能靈活應(yīng)用于各個工程的水位觀測中；

（2）不受河流變化的影響，增大了水位觀測范圍，給實現(xiàn)水位連續(xù)觀測的奠定了堅實基礎(chǔ)；

（3）可大幅縮短測量時間和大幅度的降低了各工程水位觀測所需費(fèi)用；

（4）200米范圍內(nèi)測量精度可以達(dá)到0.002米，且望遠(yuǎn)鏡可以進(jìn)行視度調(diào)節(jié)，可以進(jìn)行更加精準(zhǔn)的觀察，大大提高了水位觀測精度；

（5）可以測量高度，高差，光線距離，傾斜角度；

（6）多種測量模式：最近、最遠(yuǎn)和連續(xù)測量功能；

（7）可消除人為因素產(chǎn)生的測量誤差；

（8）測量結(jié)果的保存、檢索、統(tǒng)計處理變得簡單易行。

結(jié)束語

通過以上對在巢湖工程水位觀測點(diǎn)上應(yīng)用激光測距儀觀測水位方法的分析，該方法的研發(fā)和應(yīng)用，將徹底克服現(xiàn)巢湖水位觀測中出現(xiàn)的各種問題，可為國家防汛指揮系統(tǒng)、國家水調(diào)自動化系統(tǒng)水位觀測提供一種新型的觀測手段，也可廣泛用于水庫、湖泊、水電站等新建水位遙測站中，可以較低的工程費(fèi)用實現(xiàn)水位連續(xù)觀測的目的，其社會和經(jīng)濟(jì)效益意義重大，具有很好的推廣使用價值。

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