冰期水位自動觀測關鍵技術(shù)集成

熊運阜，梁貴生，路新川，沈國庭，孫 超，陳 潔

(1.黃河萬家寨水利樞紐有限公司,山西 太原 030002； 2.黃河寧蒙水文水資源局，內(nèi)蒙古 包頭 014030；3.大連中?？萍及l(fā)展有限公司,遼寧 大連 116085)

隨著北方冬季氣溫降低，河流會由開敞的自由水面凍結(jié)為帶冰蓋狀態(tài)。由于冰和河岸岸壁的凍結(jié)附著及冰花的堆積，靠近岸邊的部分冰蓋常常不能隨水位的升降而垂直運動。同樣，由于水位計測井空間狹小，如果測井表面的水凍結(jié)成冰蓋，當厚度達到一定程度后，它也不會隨著自由水位的升降而垂直運動。如果在測井中使用浮子式自記水位計，浮子鋼絲繩同測井壁凍結(jié)在一起，導致設備在冬季結(jié)冰期無法使用。河流中離岸邊較遠的寬敞水面上的冰蓋，如主河道水面上的冰蓋，則會隨著自由水面的升降而垂直運動，這給自動觀測水位提供了機會。經(jīng)過數(shù)年的努力，用于黃河主河道冬季結(jié)冰期的氣介自動水位計隨著安裝技術(shù)的革新而得以實現(xiàn)自動監(jiān)測[1-3]。黃河冬季凍結(jié)自動水位測量屬于水文監(jiān)測的一部分，文獻研究表明目前就數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳遞設計[4]，后臺數(shù)據(jù)處理[5]，建立網(wǎng)絡系統(tǒng)[6]，甚至使用手機APP獲取信息[7],都有較廣泛的討論。但就傳感技術(shù)而言，特別是水文參數(shù)多種傳感技術(shù)聯(lián)合應用和應用中的經(jīng)驗問題，顯得偏少。本文旨在介紹黃河冬季結(jié)冰期水位自動監(jiān)測選擇何種類型自記水位計、設計何種樣式安裝設施、如何進行運行維護管理、如何對影響因素進行技術(shù)處理等關鍵技術(shù)問題，也討論如何聯(lián)合同步應用雷達測冰技術(shù)[8]。

1 自記水位計選型

現(xiàn)有自記水位計分為液介式和氣介式兩大類。液介式自記水位計，傳感器安裝于水面或水下，通過直接感知水位或水深或壓力或介質(zhì)特性變化來測定水位；氣介式自記水位計，傳感器一般安裝在自由水面上方，通過測量傳感器到水面的距離，由傳感器高程來計算自由面高程。

1.1 液介式自記水位計

液介式自記水位計主要有浮子式水位計、壓力式水位計、電子水尺等。

浮子式自記水位計(圖1)，利用浮子直接跟蹤水位，以機械方式直接傳動記錄，適合岸坡穩(wěn)定、河床沖淤不大、無結(jié)冰期河段，但需要修建測井、水中不能有損壞或卡住水位計的雜物，不適用于結(jié)冰河段。

圖1 浮子式水位計

圖2 壓力式水位計

壓力式自記水位計(圖2)，運用壓敏元件作傳感器，利用壓力與水深成正比關系的靜水壓力原理，以測點以上水柱壓力高度加上該點高程測定水位?？梢圆唤y井，但測量精度易受水溫和含沙量影響，也不適用于含冰水體測量。

電子水尺(圖3)，測量電極間介質(zhì)導電性，由獲取的電極間介質(zhì)導電性數(shù)據(jù)來判斷水位和冰厚。誤差不受環(huán)境因素影響，只取決于電極間距，測量精度高，穩(wěn)定可靠，使用方便，避免了傳統(tǒng)水位傳感器的零漂、溫漂和受水質(zhì)、雜草影響的缺點。通過電子水尺獲得的數(shù)據(jù)，還可以分析出冰結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化情況，從而判斷出冰厚的變化。電子水尺安裝時需要深入水中，長度要與最大水位變幅一致。因此，建造水位井易受冰凌凍結(jié)影響，不建水位井容易遭受流動冰凌撞擊破壞。

圖3 電子水尺

1.2 氣介式自記水位計

目前，氣介式自記水位計主要有超聲波自記水位計、激光自記水位計、雷達自記水位計等。

超聲波水位計(圖4)，其工作原理是超聲波脈沖由傳感器(換能器)發(fā)出，聲波經(jīng)水體表面反射后被同一傳感器或超聲波接收器接收，由聲波發(fā)射和接收間的時間來計算傳感器到被測水體表面的距離,再結(jié)合探頭標高計算出被測水體表面高程(水位)。超聲波水位計不能用于霧氣或粉塵大的測量現(xiàn)場，測量精度易受濕度、風浪尤其溫度的影響，通常要測定溫度并進行溫度影響改正。

圖4 超聲波水位計

激光水位計(圖5)，運用激光測距原理，發(fā)射激光到靶面，再接收靶面反射光。根據(jù)發(fā)射、接收間隔時間、激光傳播速度計算出實際距離，再結(jié)合儀器標高計算出實際水位。其特點是測量精度高，可以達到mm級；缺點是因激光會直接穿透水體，需在水面放置反射板。

圖5 激光水位計

雷達水位計(圖6)，利用電磁波對水面進行照射并接收其回波，由此獲得河面水位至雷達水位計的距離、距離變化率等信息，進而計算出水位。雷達水位計具有測量精度高、抗干擾能力強，受溫度、濕度、風力影響小的特點。正在研制的新型雷達水位計，不僅能夠測量自由水面水位，還能夠同時測量水深。對于結(jié)冰河流能夠同時測量冰面高程和冰蓋厚度的變化情況。如果貼近冰面安裝，在測量冰面高程、冰厚變化過程的同時也可以測出水深變化過程。在冰面上拖動也可以測量全斷面冰厚[8]和水深；利用無人機掛載，飛行到觀測人員無法到達的地方，如斷面浮動冰花層，可以測量冰厚和冰面高程。

圖6 雷達水位計

1.3 自記水位計選型

液介式自記水位計，其傳感器直接跟水體接觸，易受水中雜質(zhì)、雜草、污染物等影響，還需建造水位測井，結(jié)冰期受固定冰蓋影響。氣介式自記水位計，采用非接觸式測量，傳感器不用安裝到水中，因而不受水中雜質(zhì)、雜草、污染物等影響，也不需建造水位測井，在冰期只需考慮岸邊結(jié)冰影響。在氣介式自記水位計中，超聲波自記水位計受溫度影響較大，激光自記水位計需要水面反射靶標，兩者都不如雷達自記水位計應用廣泛。由此可見，雷達自記水位計可作為冰期水位觀測關鍵技術(shù)集成的優(yōu)先選擇，尤其是能夠集成冰面高程測量和冰厚生長過程觀測的新型雷達水位計，一旦試驗成功，將是冰期水位自動觀測儀器的首選。

2 自記水位計安裝方式設計

目前的氣介式自記水位計采用懸臂安裝方式(圖7)。這種結(jié)構(gòu)下，懸臂伸出長度一般不會超過8 m。自記水位觀測必須要能夠觀測到斷面的最低水位到最高水位的變幅。為了避免出現(xiàn)低水位時儀器觀測不到水位的脫流問題，常常需要在水中建造基礎。水中施工難度大，工程造價高，而且安裝維修不方便。

在冬季冰期，河流情況更加復雜。不僅岸冰和冰花堆積會加大自由冰蓋到岸邊的距離，流動冰凌或移動冰蓋也具有超強破壞力。河流中的建筑物，如果不做防冰凌撞擊、破壞防護設計，將會被摧毀破壞。

圖7 水位計懸臂安裝方式

在有冰凌的情況下，雷達水位計的安裝，若仍采用一般懸臂結(jié)構(gòu)方式，再做防冰凌撞擊、破壞防護設計，則須在河流水中建造工程基礎，其工程規(guī)模要比無冰凌情況大很多，施工難度大，造價高，往往難以實現(xiàn)。因此，需要設計出一套適合有冰凌河流的、懸臂伸出長度足夠、安裝運行維護方便、工程造價小的氣介式自記水位計安裝結(jié)構(gòu)形式。

萬家寨庫區(qū)在自記水位站建設實踐中，將鋼管柱改變?yōu)殇摷芩?，將懸臂改變?yōu)榛剞D(zhuǎn)臂，增加鋼塔拉線、回轉(zhuǎn)臂斜拉線和側(cè)拉線，構(gòu)成鋼塔—回轉(zhuǎn)臂氣介式自記水位計安裝結(jié)構(gòu)設施(圖8)[3]。

圖8 鋼塔-回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)示意圖

這種結(jié)構(gòu)可以對鋼塔高度、回轉(zhuǎn)臂長度和斜拉線、側(cè)拉線組數(shù)進行調(diào)配組合，以適應不同斷面特征的安裝要求，不僅可以避免水位計脫流現(xiàn)象發(fā)生，而且還能避免在水中進行基礎建設，大大減少土建工程量，節(jié)省投資。同時，回轉(zhuǎn)臂能夠回轉(zhuǎn)至岸上，安裝運行維護工作更加方便安全。

2.1 鋼塔-回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

鋼塔-回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)參數(shù)主要指回轉(zhuǎn)臂長度、回轉(zhuǎn)臂拉線組數(shù)、鋼塔高度。

回轉(zhuǎn)臂長度由斷面特征確定。對于某個具體斷面而言，一般將土建基礎放在斷面最高水位附近，回轉(zhuǎn)臂安裝高度至少高于最高水位1 m。土建基礎位置與最低水位間的水平距離再加3 m安全距離即為回轉(zhuǎn)臂長度?；剞D(zhuǎn)臂拉線組數(shù)，由回轉(zhuǎn)臂長度確定,參考表1中的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

鋼塔高度，由回轉(zhuǎn)臂以上和回轉(zhuǎn)臂以下兩部分組成?；剞D(zhuǎn)臂以下塔高以盡量減少土建工程量、使工程造價最小為原則，在土建結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化時確定。回轉(zhuǎn)臂以上塔高由回轉(zhuǎn)臂長度確定。根據(jù)萬家寨水庫的經(jīng)驗，一般可取回轉(zhuǎn)臂長度的1/3作為臂上塔高。臂上塔高和回轉(zhuǎn)臂長度，確定了位于回轉(zhuǎn)臂最遠端的斜拉線與回轉(zhuǎn)臂夾角的大小，該夾角應≥18°?；剞D(zhuǎn)臂上、下塔高之和再加埋深即為鋼塔總高。

表1 拉線與回轉(zhuǎn)臂長度之間的經(jīng)驗關系

2.2 鋼塔結(jié)構(gòu)及鋼材規(guī)格確定

為了方便儀器箱、天線和太陽能板等的安裝，鋼塔結(jié)構(gòu)采用等邊三角形截面棱柱架(圖9)。鋼塔由三根立柱、橫支撐和斜支撐組成，截面邊長為60 cm。立柱鋼管、橫支撐和斜支撐螺紋鋼直徑配置因塔高不同而不同，可參考表2中的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

表2 立柱管徑與塔高的關系

圖9 鋼塔結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 塔臂連接件設計

塔臂連接件是確?；剞D(zhuǎn)臂與鋼塔相連并能回轉(zhuǎn)的關鍵部件，設計成“T”字形，由45 cm的16#槽鋼和100 cm的DN80鋼管焊接而成，通過帶絲扣的φ20 mm圓鋼U形環(huán)和螺母，將槽鋼連接到鋼塔柱管上。將DN80鋼管端頭封堵，并在端頭套焊DN100長30 cm鋼管，便于同回轉(zhuǎn)臂鋼管套接相連。

2.4 回轉(zhuǎn)臂鋼管規(guī)格確定

回轉(zhuǎn)臂鋼管管徑規(guī)格因回轉(zhuǎn)臂長度不同而不同。應根據(jù)回轉(zhuǎn)臂的長度、斜拉線和側(cè)拉線的組數(shù)，按照結(jié)構(gòu)材料強度、剛度和穩(wěn)定性等力學條件要求進行回轉(zhuǎn)臂鋼管直徑設計計算來確定。表1為萬家寨水庫水位站的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，可供參考。表1中的尖端指回轉(zhuǎn)臂遠離鋼塔方向的懸掛儀器的那一端。

2.5 拉線固定要點

拉線有三種：鋼塔拉線、斜拉線和側(cè)拉線。鋼塔拉線主要用于平衡風和回轉(zhuǎn)臂對鋼塔的作用力，增強鋼塔穩(wěn)定性。斜拉線的作用是使回轉(zhuǎn)臂伸出的長度足夠，并能保持水平狀態(tài)。斜拉線在塔頂?shù)墓潭ㄎ恢茫仨毻圻B接件在塔上的固定位置保持在同一鉛直線上，以保證回轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)時經(jīng)過的平面為一個水平面。側(cè)拉線用于固定回轉(zhuǎn)臂，抵抗風力影響，使回轉(zhuǎn)臂在水平面內(nèi)保持直線，防止其在水平方向上擺動，維持工作狀態(tài)穩(wěn)定。側(cè)拉線組數(shù)和在回轉(zhuǎn)臂上的位置分布，同斜拉線一致。側(cè)拉線固定端到回轉(zhuǎn)臂軸線的水平距離應不小于其在回轉(zhuǎn)臂軸線上投影長度的一半，使其與回轉(zhuǎn)臂在水平面上的投影夾角≥45°(圖10)。側(cè)拉線固定端高程應低于回轉(zhuǎn)臂安裝高程30～80 cm，使其與回轉(zhuǎn)臂在垂直面上投影的夾角為2°～5°。因此，側(cè)拉線固定柱的位置、高程，須現(xiàn)場勘查確定。

圖10 回轉(zhuǎn)臂、側(cè)拉線示意圖

3 安裝與運行維護

鋼塔一般以埋設方式安裝。鋼塔安裝前，土建基礎及安裝平臺已經(jīng)做好。鋼塔安裝時，要求用2臺全站儀在相互垂直方向上進行測量控制，保證鋼塔豎立固定后呈鉛直狀態(tài)，并按接近120°夾角間隔埋設3根鋼塔拉線，以增強鋼塔的穩(wěn)定性。鋼塔埋設安裝完畢后，將塔臂連接件固定在鋼塔的預定位置上。

回轉(zhuǎn)臂、斜拉線、側(cè)拉線、水位傳感儀器等安裝與測試均在安裝平臺上進行。安裝過程中，要用儀器對回轉(zhuǎn)臂中心線進行控制和復核，使其保持水平。安裝測試完成后，利用側(cè)拉線將回轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動到工作位置，并做好側(cè)拉線的固定。一般情況下，回轉(zhuǎn)臂工作位置基本垂直于安裝平臺。

回轉(zhuǎn)臂固定于工作位置后，需要再次復核其中心線是否水平，并測量探頭高程、當時水位和進行水位比測，確定出準確的探頭高程數(shù)據(jù)，以供使用。

雷達水位計運行過程中，要定期進行水位對比觀測、檢查鋼塔鉛直度、回轉(zhuǎn)臂平直度，檢查鋼塔拉線、斜拉線、側(cè)拉線有無松動等，確保水位計及安裝設施運行正常，觀測數(shù)據(jù)準確可靠。

4 運用實例及影響因素處理建議

萬家寨庫區(qū)設有24處自記水位站，全部采用鋼塔—回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，安裝德國進口型號VEGAPULS 68頻率26G雷達進行水位自動測量?；剞D(zhuǎn)臂長度最短5 m，最長31 m，大多數(shù)在10～25 m之間。鋼塔埋設基礎土建工程簡單，大多數(shù)挖坑砂石土埋，僅澆筑2 m×2 m×0.2 m混凝土面層，少部分需要少量漿砌石工程。水位觀測過程中，基本沒有脫流現(xiàn)象發(fā)生。儀器安裝、檢修維護沒有高空作業(yè)，非常方便、安全。圖11為VEGAPULS 68型雷達水位計記錄的2017年冬季萬家寨庫區(qū)冰塞段各站水位過程線。

注：①拐上(73.5 km); ②房子灘(69.1 km);③水泥廠(64.5 km); ④岔河口(58.8 km); ⑤大沙灣(45.5 km)圖11 萬家寨水庫冰塞段水位過程線

萬家寨水庫庫尾拐上水位站(圖12)，同時安裝有VEGAPULS 68型雷達水位計和正在試驗研制的新型雷達，進行水位對比觀測和冰厚同步觀測，觀測結(jié)果見圖13。結(jié)果表明，無論是VEGAPULS 68型雷達水位計，還是新型雷達水位計，觀測結(jié)果日內(nèi)均有波動。VEGAPULS 68型雷達日內(nèi)波動變蝠，一般為±2 cm、最大為±3 cm，滿足生產(chǎn)運用水位觀測要求。新型雷達觀測值日內(nèi)波動變蝠比VEGAPULS 68型雷達更小，觀測值穩(wěn)定性更好，更值得選擇應用。對于測值的日內(nèi)波動，也可采取增加溫度觀測模塊，對測值進行溫度修正。

圖12 萬家寨水庫拐上水位站

圖13 不同雷達水位觀測結(jié)果對比

雷達水位計測得的是自由冰面高程。由自由冰面高程到自由水面高程還需要考慮冰蓋密度及冰上積雪因素影響。冰上積雪可采取人工清除方式處理。冰蓋密度影響的修正需要測定冰蓋厚度，可人工定期觀測，也可安裝電子水尺進行自動觀測。萬家寨庫尾拐上站安裝的新型雷達能同時測量自由冰蓋表面高程和冰蓋厚度，目前設備研制方正在定型試驗，一旦比測參數(shù)率定完成，根據(jù)冰密度是水密度的0.9倍，由冰蓋表面高程減去冰蓋厚度的1/10即得到水位。

5 結(jié) 論

利用雷達水位計，采用鋼塔—回轉(zhuǎn)臂安裝方式，可以實現(xiàn)冰期河流自由水面上冰蓋表面高程的自動化觀測。冰上積雪進行人工清除；溫度影響幅度很小可以忽略，也可增加溫度自動觀測模塊對測值進行溫度改正；冰蓋厚度可定期進行人工測定，也可安裝電子水尺實現(xiàn)自動觀測，或者采用新型雷達實現(xiàn)冰蓋表面高程、冰蓋厚度同步集成觀測。對冰蓋表面高程進行冰厚改正即可得到自由水面高程，從而解決了北方河流冰期水位自動化觀測難題。

參考文獻：

[1] 高貴成, 褚杰輝, 高國甫,等. 非接觸式超聲波水位計鋼塔設計[J]. 氣象水文海洋儀器, 2001(4):23-28.

[2] 賈俊亮, 賀俊華, 宋婧,等. 自記水位計滑動式懸臂設計和應用[J]. 晉中學院學報, 2012, 29(3):92-95.

[3] 熊運阜, 王平娃, 劉合永,等. 氣介式自記水位計鋼塔-回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設計與應用[J]. 人民黃河, 2017, 39(4):17-20.

[4] 黃艷. 大型水庫監(jiān)控系統(tǒng)的應用研究[J]. 黑龍江水利,2017,3 (11):44-48.

[5] 謝世堯. 水文監(jiān)測信息系統(tǒng)需求分析[J]. 黑龍江水利,2016,2 (3):4-8.

[6] 馬傳波. 遼寧省旱情監(jiān)測與網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)技術(shù)研究與設計[J]. 黑龍江水利,2016,2 (3):41-46.

[7] 王嵩. 基于遼寧省基礎水信息平臺的手機APP設計與實現(xiàn)[J].黑龍江水利,2016,2(6): 48-50.

[8] 曹曉衛(wèi), 李春江, 顏小飛, 等. 利用探地雷達探測黃河彎道及橋墩周圍冰層厚度[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2016, 14(6):91-95.

Abstract：In this paper, based on the summary of the advantages and disadvantages of the existing water level automatic observation equipments during the freezing season in winter, the fact that the surface of the floating ice cover on the wide water surface can only be observed with the rise and fall of the surface of the water by automatic observation equipments, selection of automatic measurement hydrographs was introduced. The key technology integration such as structure design installation and operation maintenance of steel tower-revolving arm air coupled hydrograph was discussed. The technical solutions to the factors such as snow thickness cover on the free ice sheet, ice sheet thickness, ice sheet density, and temperature change were proposed, and were put into practice in Wanjiazhai reservoir area.

Keywords：ice covered period; automatic measurement; steel tower; revolving arm; air coupled hydrograph