淺析無線傾斜式電子水尺在黑龍江上游冰凌水位實(shí)時(shí)監(jiān)測的應(yīng)用前景

蔡文國+張梅

摘 要：因受地理?xiàng)l件、氣候特征和河道特性的影響，黑龍江上游易產(chǎn)生冰壩，造成冰凌災(zāi)害?；诂F(xiàn)有的直立式水位自記平臺和氣泡式水位自記平臺方式的監(jiān)測缺陷及地理環(huán)境特性，文章介紹了無線傾斜式電子水尺技術(shù)特性，提出了應(yīng)用該電子水尺對黑龍江上游雍高水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：電子水尺；實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測；冰凌監(jiān)測

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0170-02

引言

黑龍江位于中國東北部，介于東經(jīng)121°11′-135°05′，北緯 43°26′-53°33′，處于中高緯度區(qū)域，屬寒溫帶氣候。因受地理?xiàng)l件、氣候特性和河道特性等因素的影響，黑龍江每年融凍期河流都會出現(xiàn)凌春汛過程，尤其是位于黑龍江干流上游江段最易產(chǎn)生冰壩，其最高水位可達(dá)13.56m可導(dǎo)致大型的冰凌災(zāi)害[1，2]。因此，水位作為水文和水資源預(yù)報(bào)領(lǐng)域中最基本、最重要的參數(shù)，是各級防汛指揮機(jī)構(gòu)急需的實(shí)時(shí)冰凌監(jiān)測數(shù)據(jù)用以防汛決策。

目前，我國黑龍江流域主要依靠人工觀測的方法來實(shí)現(xiàn)水位的監(jiān)測，但因大部分水文監(jiān)測站均位于交通不便、地理位置偏遠(yuǎn)、無可靠供電的高寒地區(qū)，致使利用人工現(xiàn)場觀測獲得的水位精度低、實(shí)時(shí)性差、連續(xù)性差且觀測環(huán)境存在安全隱患[3]。為了更好的推動(dòng)水文和水資源自動(dòng)化、高效化、信息化的建設(shè)和發(fā)展，本文提出利用無線傾斜式電子水尺實(shí)現(xiàn)對黑龍江上游雍高水位實(shí)時(shí)監(jiān)測的技術(shù)方案。

1 試驗(yàn)監(jiān)測區(qū)環(huán)境概述

黑龍江漠河江段地處寒溫帶氣候區(qū)，夏季溫?zé)岫嘤辏緡?yán)寒漫長，氣候的變化特點(diǎn)是春季升溫快，秋季降溫快，夏季溫暖而短暫，冬季嚴(yán)寒而漫長，無霜期短。多年平均氣溫-5.5°C，極端最高氣溫39.8°C，極端最低氣溫-51.5°C，無霜期91d左右，年日照時(shí)數(shù)約2440h。年內(nèi)6-9月份降水占全年的75%。年際間，最大年降水量是最小年降水量的2.3倍。多年平均降水量429.8mm，歷年最大年降水量624.7mm，歷年最小年降水量267.5mm，歷年最大日降水量129.9mm。

黑龍江省漠河縣從10月下旬左右出現(xiàn)流凌，于11月中旬封凍，次年4、5月份開江，封凍期長達(dá)6個(gè)月。由于受強(qiáng)烈的降溫影響，封江形式多為立封。由于渠道狹窄，島嶼沙洲眾多，加之地理位置和氣候條件的綜合作用，在春季開河時(shí)，如果升溫較快、河段冰蓄量較大且出現(xiàn)倒開江現(xiàn)象，多因冰塊卡塞形成冰壩而造成嚴(yán)重的冰凌、洪水災(zāi)害，凌汛特征是陡漲陡落、過程較短。春汛主要是春季流域內(nèi)集中降水和融雪而形成的。夏汛是流域內(nèi)大范圍、高強(qiáng)度、長歷時(shí)暴雨而形成，主要是來源于上游額爾古納河和石勒 河特點(diǎn)是洪水封高量大，歷時(shí)長。冬季平均封江日期是11月12日，多年平均開江日期是4月30日，歷年最大冰厚是1.46m，平均最大冰厚1.05m。

2 黑龍江上游江段水位的主要監(jiān)測方法

實(shí)時(shí)監(jiān)測凌汛水情并掌握冰壩凌汛的發(fā)展?fàn)顩r，是各級防汛指揮機(jī)構(gòu)處置凌情采取的有效措施，同時(shí)為得到連續(xù)的、及時(shí)的、準(zhǔn)確的情報(bào)，大興安嶺水文局建設(shè)了多處基本水位站及防汛水位站，目前使用的水位自動(dòng)采集手段主要有直立式水位自記平臺配備浮子式水位計(jì)和氣泡式水位自記平臺配備氣泡式水位計(jì)。上述兩種方式的水位自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)多年的試驗(yàn)運(yùn)行逐漸顯現(xiàn)出弊病，具體表現(xiàn)為：

2.1 直立式水位自記平臺

（1）開江前需人工融化井底冰層，但開江期氣溫低，融冰難度大。（2）黑龍江為中俄界江，中方一側(cè)多為漫灘，不易建設(shè)直立式水位自記平臺。（3）凌汛期洪水受冰凌卡塞影響陡漲陡落，直立式水位自記平臺易產(chǎn)生延時(shí)，導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)失真。（4）發(fā)生冰壩致冰排上岸，直立式水位自記平臺井體易受損。

2.2 氣泡式水位自記平臺

（1）需在水位到達(dá)測量杯高程時(shí)方可設(shè)置基值，不適宜長戰(zhàn)線多站點(diǎn)調(diào)試。（2）輸氣管及測量杯易受冰排戧底影響易被掛斷。

3 無線傾斜式電子水尺實(shí)現(xiàn)冰凌期間河道水位的自動(dòng)監(jiān)測

基于黑龍江上游地區(qū)存在的直立式水位自記平臺和氣泡式水位自記平臺監(jiān)測方案的缺陷及其特殊地理環(huán)境，急需水位自動(dòng)連續(xù)采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)黑龍江上游水位的實(shí)時(shí)在線、長期連續(xù)、無人值守的監(jiān)測。因此，采用無線傾斜式電子水尺的途徑解決上述難題。

3.1 無線傾斜式電子水尺的基本性能指標(biāo)和特性

無線傾斜式電子水尺的基本性能指標(biāo)如下：（1）主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》[4]。（2）通訊規(guī)約采用國家最新頒布的《水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約》（20130110）。（3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)召測：撥打站點(diǎn)的SIM卡手機(jī)號，三次振鈴后自動(dòng)掛斷，無線端機(jī)會立刻采集當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并以GPRS/CDMA方式將數(shù)據(jù)發(fā)回中心站。（4）無線端機(jī)內(nèi)置袖珍10AH/8.8AH（可選）大容量3.7V鋰電池，并配有6V充電引線接口，工程可直接接入6V/5～10W太陽能電池板或5V/6V開關(guān)電源，10AH鋰電池可供系統(tǒng)連續(xù)陰雨天氣正常工作25天以上。（5）可進(jìn)行數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)傳。（6）分辨率：1.0cm（全量程等精度測量）。（7）工作電壓：3.7～4.2V。（8）靜態(tài)電流：≤9mA（通訊模塊待機(jī)）。（9）靜態(tài)功耗：≤16mW。（10）工作溫度：-20°C～60°C，相對濕度不大于95%。（11）時(shí)鐘精度：≤30秒/年，可以中心時(shí)鐘同步。

無線傾斜式電子水尺的基本特性如下：（1）采用先進(jìn)微處理器芯片為控制器、內(nèi)置通訊電路的數(shù)字式水位傳感器，具備高可靠性及抗干擾性能。（2）防腐、防凍、耐熱、耐老化，可在泥槳、污液和腐蝕性液體、冰凍等多種惡劣的環(huán)境中使用；即不受等外界因素的影響。（3）采樣精度與長度無關(guān)，不同變幅的傳感器測量精度保持不變，都是1cm。（4）不受大氣壓力、濕度、含沙量、冰凍、泥槳、污液和腐蝕性液體等水中污染物及沉淀物的影響。（5）該類傳感器既可以單支使用，也可以多支階梯級聯(lián)使用。（6）對水位波浪做了數(shù)字濾波處理，確保水位的真實(shí)值。endprint

3.2 無線傾斜式電子水尺實(shí)現(xiàn)冰凌期間河道水位自動(dòng)監(jiān)測方案

無線傾斜式電子水尺集成了感應(yīng)式水位測量體和無線數(shù)據(jù)通訊于一體的高性能水位測量裝置如圖1所示。感應(yīng)式水位測量即感應(yīng)式電子水尺，利用電子裝置監(jiān)測水位變化，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化分度，并將水位信號傳送至無線端機(jī)。無線端機(jī)采用先進(jìn)微處理器芯片為控制器、內(nèi)置遠(yuǎn)程通訊模塊，集成RTU、DTU、太陽能充電控制器、防雷模塊、電話振鈴監(jiān)測模塊等完成水位測量、數(shù)據(jù)保存、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊等功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化分度。無線傾斜式電子水尺即在直立式電子水尺的基礎(chǔ)上，采用傾斜角度的三角函數(shù)值換算實(shí)時(shí)水位。

因監(jiān)測水位均為中、高級水位且因受凌汛期流冰戧底作用影響，黑龍江上游主槽內(nèi)建設(shè)的監(jiān)測設(shè)施以及安裝的設(shè)備極易被流冰損毀，但采用傾斜式電子水尺進(jìn)行凌汛期水位監(jiān)測時(shí)，僅需將傾斜式電子水尺安裝于堤防上，即設(shè)計(jì)監(jiān)測最低水位為堤腳高程，在監(jiān)測斷面處將堤防由堤腳至堤頂開挖0.5m深溝槽，將電子水尺外套219鋼管固定在溝槽內(nèi)，上方蓋混凝土蓋板與堤防找平，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安裝和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測。整個(gè)系統(tǒng)采用蓄電池供電，并由太陽能電池板為蓄電池充電。電子水尺的水位基值及水尺斜率與水位換算關(guān)系由遙測終端機(jī)輸入，電子水尺采集的數(shù)據(jù)傳輸至遙測終端機(jī)，再由遙測終端機(jī)上傳至中心數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié)束語

基于黑龍江上游利用直立式水位自記平臺和氣泡式水位自記平臺水位監(jiān)測方案存在的缺陷及其特殊地理環(huán)境，黑龍江江段急需水位自動(dòng)連續(xù)采集設(shè)備。通過對無線傾斜式電子水尺技術(shù)特性的分析，提出利用無線傾斜式電子水尺實(shí)現(xiàn)對黑龍江上游江段雍高水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的技術(shù)方案，可促進(jìn)水文和水資源自動(dòng)化、高效化、信息化的建設(shè)和發(fā)展，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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[4]GB/T 50138-2010.水位觀測標(biāo)準(zhǔn)[S].endprint