國內外水位計/測深儀技術標準現狀對比分析

劉 彧，徐 紅，齊 瑩，宋小艷

（中國水利水電科學研究院，北京100038）

水位/水深是反映水體、水流變化的水力要素和重要參數，是水位測驗中最基本的觀測要素，也是推求流量的重要參數以及防汛、抗旱、水資源調度管理、水利工程管理運行、水文預報等工作的重要依據和重要資料，廣泛應用于堤防、水庫、電站、堰閘、排澇等工程的規(guī)劃、設計、施工等過程中。

水位計/測深儀是用于測量水位/水深的儀器設備，是明渠水文測驗中應用最多、最經典的量水設備，它廣泛應用于明渠標準斷面、堰槽、渠系建筑物等量水設備與設施的水位/水深測量。在實際應用中，相關的檢定和校準就顯得尤為重要，而標準中有關檢定和校準的相關規(guī)定是評定其計量特性的重要技術依據。

在實地水位/水深測量中，受現場條件限制，一般會存在計量儀器設備現場檢定/校準工況條件不滿足標準要求的情況，而我國水量量測設備大都缺少現場的檢定/校準規(guī)范，因此亟待填補相關空白。

1 國內外水位計/測深儀技術標準現狀及對比分析

筆者共收集了33項國內外水位計/測深儀技術標準（見表1），其中國際標準3項、歐盟標準1項、美國標準2項、德國標準1項、英國標準3項、法國標準2項、韓國標準3項、澳大利亞標準3項、意大利標準1項、挪威標準1項、捷克標準2項、中國標準11項。除等同采用標準外，不重復技術標準為16項。

1.1 國內外水位計/測深儀標準間的關系

由表1可以看出，歐盟、德國、英國、法國、韓國、澳大利亞、意大利、挪威、捷克共17項水位計/測深儀標準均是等同采用相應的國際標準。但是，各國采用國際標準的時效性有所不同：歐盟、德國、英國、法國、意大利、挪威、捷克基本上是國際標準發(fā)布后實現了在時間上同步或一年內等同采用國際標準。韓國標準則是集中年度對國際標準進行了等同采用后統(tǒng)一發(fā)布，通常較國際標準發(fā)布時間滯后6～7 a。澳大利亞雖然等同采用國際標準，但未能及時更新采用國際標準的最 新版本。

表1 國內外水位計/測深儀現行有效標準清單

美國水位計/測深儀標準文本未體現其與國際標 準是否是等同采用的對應關系，但美國標準在規(guī)范性引用文獻中均列出了相應的國際標準。我國11項水位計/測深儀標準文本中均未在標準文本或“規(guī)范性引用文件（或標準）”中體現標準與國際標準、國外標準的等同采用或引用關系。不過，我國標準在涉及的水位計/測深儀產品類型、技術內容、技術參數等方面，均與國際、國外相關標準有對應關系。

1.2 國內外水位計/測深儀標準體系對比分析

國際標準化組織（ISO）制定的水位測量設備標準中包括了水位測量設備的規(guī)格、安裝、不確定度評定，并在附錄中簡要介紹了9類水位測量設備，未包含測量方法?；芈暅y深儀標準中則介紹了儀器的性能標準、回聲測深儀的現場使用（包括校準）和操作手冊。

美國發(fā)布的水位測量方法標準和地表水深測量方法標準中包括了測量設備的介紹、操作方法和校準。而我國則按水位計/測深儀的產品類型分別制定了系列標準，標準內容包括基本性能參數、工作環(huán)境條件、通用技術條件、試驗條件及方法等，并按產品類型制定了相關的檢定/校準標準，其中：《壓力式水位計檢定規(guī)程》《雷達水位計檢定規(guī)程》《超聲波水位計檢定規(guī)程》《電子水尺檢定規(guī)程》已作為擬編標準納入2014版水利技術標準體系表。與國際（指ISO標準）、國外標準相比，我國水位計/測深儀的產品標準數量較多，測量方法只有1項，涵蓋對象只限于地表水位的測量，測量方法標準偏少。綜上所述，本文提出14項我國水位計/測深儀缺失的技術標準，見表2。

2 國內外水位計/測深儀技術標準的主要技術參數對比分析

2.1 水位計技術標準的主要技術參數對比分析

本文對10項國內外技術內容不重復的水位計技術標準進行對比分析。

表2 我國水位計/測深儀缺失標準清單

2.1.1 產品性能技術參數對比分析

國際標準《水文測驗-水位測量設備》（ISO 4373—2008）中將水位計分為 9 類［1］，見表 3。

表3 《水文測驗-水位測量設備》（ISO 4373—2008）水位計分類

美國標準《開放水體水位測量的標準試驗方法》（ASTM D5413—93（2013））把水位測量方法分為 3類［2］，見表 4。

表4 《開放水體水位測量的標準試驗方法》（ASTM D5413—93（2013））水位計分類

我國標準水位計分類在各項標準中，《水位測量儀器通用技術條件》（GB/T 27993—2011）將水位測量儀器按工作原理分為水尺（含電子水尺）、接觸（跟蹤）式、浮子式、壓力式、聲波式、雷達式、激光式和其他形式；按記錄方式分為人工觀讀記錄、模擬記錄、打印記錄、存儲器記錄、其他形式［3］。

《水位測量儀器系列標準》GB/T 11828將水位測量儀器分為7種：浮子式水位計、壓力式水位計、地下水位計、超聲波式水位計、電子水尺、遙測水位計、水位測針。其中：《水位測量儀器第1部分：浮子式水位計》（GB/T 11828.1—2002）將浮子式水位計按傳感器輸出信號分為增量編碼式、全量編碼式、電模擬量式，按水位編碼器編碼原理分為機械編碼式、光電編碼式、磁電編碼式、模數編碼式，按記錄方式分為固態(tài)存儲記錄、打印記錄、模擬記錄［4］；《水位測量儀器第2部分：壓力式水位計》（GB/T 11828.2—2005）將壓力式水位計按傳感器感知相對測點的位置分為直接式、氣泡式，按記錄的方式劃分為打印記錄式、固態(tài)存儲記錄式、模擬記錄式，按感壓傳感器的種類劃分為壓阻式、電容式、振弦式、應變式、石英晶體式［5］；《水位測量儀器第4部分：超聲波水位計》（GB/T 11828.4—2011）將超聲波水位計按聲波傳播介質的不同分為液介式超聲波水位計和氣介式超聲波水位計［6］；《水位測量儀器第5部分：電子水尺》（GB/T 11828.5—2011）將電子水尺分為觸點式、電容式、靜磁柵式和磁致伸縮式，電容式又包括電容感應式和容柵式兩種［7］；《水位測量儀器第6部分：遙測水位計》（GB/T 11828.6—2008）將遙測水位計按傳感原理分為浮子式、跟蹤式、壓力式、聲波式、電子水尺式、雷達式、激光式，按傳感器輸出信號分為增量編碼式、全量編碼式、電模擬量、電頻率量式，按記錄方式分為模擬劃線記錄、固態(tài)存儲記錄、打印記錄和其他記錄［8］。

從各項標準中可以看出，水位計的基本參數包括測量范圍、分辨力、水位變率、模擬記錄周期、記錄時段等，國際標準《水文測驗-水位測量設備》（ISO 4373—2008）規(guī)定了水位計不同等級的測量范圍、分辨力，水位變率則要求制造商應在設備規(guī)格說明書和說明書上注明［1］。美國水位標準和國際地下水位計標準則未規(guī)定水位計基本性能參數的具體指標［2，9］。我國水位計的產品標準和通用技術條件標準基本上對水位計基本性能參數進行了具體規(guī)定，《水位測量儀器通用技術條件》（GB/T 27993—2011）于 2011年 12月 30日發(fā)布、2012年6月1日實施，將2011年及之后發(fā)布的水位計產品標準與其對比分析可以發(fā)現，水位計產品標準的基本參數與通用技術條件標準的基本參數規(guī)定是協(xié)調一致的［3］。

2.1.2 計量性能技術參數對比分析

國際、國外的水位計標準中對校準的相關規(guī)定內容較少，側重于規(guī)定校準的工作程序，如建立基準、設立參考標準、水位計所需的校準頻率等，對校準的具體技術參數、校準方法未作統(tǒng)一規(guī)定。如《地表水深的測量方法》（ASTM D 5073—2002（2013））中規(guī)定：安裝前控制設備一般不需要預校準，但是遠程站安裝時連接所有系統(tǒng)的組件需要檢驗。對于野外校正，利用手動式水位計對水位和時間進行校正［9］。我國則針對水位計的不同類型，對浮子式水位計的靈敏閾、測量誤差、回差、重復性誤差、再現性誤差和計時誤差做出相應規(guī)定［10］。

《水位觀測標準》（GB/T 50138—2010）也提及了自記水位計的校測：自記水位計的校測應定期或不定期進行，校測頻次可根據儀器穩(wěn)定程度、水位漲落率和巡測條件等確定；每次校測時，應記錄校測時間、校測水位值、自記水位值、是否重新設置水位初始值等信息，以之作為水位資料整編的依據。同時，給出了自記水位計可選用的校測方法［11］。

2.1.3 測量方法技術參數對比分析

《地表水深的測量方法》（ASTM D 5073—2002（2013））在水位測量方法中規(guī)定必須遵循儀器廠商提供的操作方法，標準中未給出觀測時間、觀測次數、觀測點、觀測斷面選取等技術信息［9］。

我國的《水位觀測標準》（GB/T 50138—2010）中給出了河道站的水位觀測、水庫、湖泊、堰閘站的水位觀測、潮水位站的水位觀測、枯水位觀測、高洪水位觀測和附屬項目觀測的具體操作方法和步驟，對觀測的水位平穩(wěn)要求、觀測時間點、觀測間隔、觀測次數、水位記錄、布置要求等進行了明確［11］，可操作性強。

2.2 測深儀技術標準的主要技術參數對比分析

對6項國內外技術內容不重復的測深儀技術標準進行對比分析。

2.2.1 產品性能技術參數對比分析

國際標準《水文測驗-水深的直接測量和懸掛設備》（ISO 3454—2008）中把測深儀分為 2 類［12］，見表5。

表5 《水文測驗-水深的直接測量和懸掛設備》（ISO 3454—2008）對測深儀的分類

國際標準《水文測驗-水深測量回聲測深儀》（ISO 4366—2007）把回聲測深儀分為 3 種［13］，見表 6。

表6 《水文測驗-水深測量回聲測深儀》（ISO 4366—2007）對測深儀的分類

美國標準《地表水深的測量方法》（ASTM D 5073—2002（2013））把測深儀分為 2 種［9］，見表 7。

表7 《地表水深的測量方法》（ASTM D 5073—2002（2013））對測深儀的分類

我國標準《水深測量儀器系列標準》GB/T 27992將水深測量儀器分為4種：水文測桿、測深錘、超聲波（回聲）測深儀、投入式壓力測深儀?！端顪y量儀器第1部分：水文測桿》（GB/T 27992.1—2011）將測桿分為手持式測桿和機械操縱式測桿。手持式測桿可以分為3種：通用式、單一測深式、涉水用測桿。機械操縱式測桿分為長測桿、半測桿和無偏角纜道用測桿3種型式［14］?！端顪y量儀器第3部分：超聲波測深儀》（GB/T 27992.3—2016）將超聲波測深儀分為纜道型、船載型和手持型3大類［15］。

從各項標準中可以看出，測深儀器設備主要包括水文測桿和超聲波測深儀，其基本參數主要包括測桿直徑、測桿長度、測桿直線度，超聲波測深儀的測量范圍、分辨力、盲區(qū)、電纜長度等。

《水文測驗-水深測量回聲測深儀》（ISO 4366—2007）規(guī)定由儀器設備制造商應提供：①設備運行的一個或多個頻率；②換能器波束寬度；③深度測量的實際分辨率；④儀器測量的最大和最小深度；⑤更新測量的頻率、數據速率；⑥船舶姿態(tài)補償要求；⑦數據記錄的計算機和接口要求；⑧關于上述所有因素的深度測量的預期精度［13］?！端粶y驗-水深的直接測量和懸掛設備》（ISO 3454—2008）標準規(guī)定了測桿的適用流速和水深，且懸索應具有足夠的強度以支撐電流計和探測器的質量，其載荷下的伸長率不得超過0.5%，測深設備的其他性能參數未涉及［12］。《地表水深的測量方法》（ASTM D 5073-2002（2013））側重介紹了測量儀器的特點、工作原理、組成和安裝，對設備的基本性能參數未明確具體規(guī)定［9］。而我國3項測深儀標準中均對相關產品的基本參數作了具體規(guī)定［14-16］。

2.2.2 計量性能技術參數對比分析

國際、國外的測深儀標準中對校準的相關規(guī)定內容較少，側重于規(guī)定校準的工作程序，如《水文測驗水深測量設備回聲測深儀》（ISO 4366—2007）的校準方法是調整回波測深儀以重現由獨立參考測量的深度，主要參考是條形檢查。靜態(tài)桿比較應在場地的整個深度范圍內以1～2 m的間隔進行。測深桿檢查應在每天的開始和結束時進行。若水體產生密度或彈性變化，則可能需要更頻繁的校準［13］。

我國則針對測深儀的不同類型，對超聲波測深儀的盲區(qū)、測量誤差和重復性誤差等參數規(guī)定了詳細的檢定方法和檢定步驟，可操作性強。

2.2.3 測量方法技術參數對比分析

《水位測驗-水深的直接測量和懸掛設備》（ISO 3454—2008）給出了測深設備的適用范圍，如測深桿可用于中等速度（最高2 m/s）下5～6 m的水深測量。測桿可用于深度達1 m、速度為1 m/s的水深測量；測深線適用于較大的水深測量。手持懸掛設備可用于深度達3 m、速度為2 m/s的水深測量。機械懸掛設備可用于深度約6 m、速度約3 m/s的水深測量［12］。

3 結 語

與國際、國外標準相比，我國現行有效技術標準在內容上基本涵蓋了常用的水位計/測深儀，并對常用的儀器設備設施的產品性能、測量方法、計量性能等技術參數作了規(guī)定，標準內容相對全面系統(tǒng)，可操作性強。

通過對比分析國內外常用水量計量儀器設備設施的產品標準、計量標準、測量方法標準，并結合當前我國水量計量工作的需求，提出了我國缺失的水位計/測深儀的14項計量技術標準。今后我國水量計量技術標準的制修訂工作可以重點關注并做好缺失標準和存在差異的技術參數的相關研究工作［17-18］。

我國制定的水位計/測深儀產品標準在形式和技術參數的規(guī)定方面區(qū)別較大。國際、美國制定的水位計/測深儀技術產品標準均為綜合性標準，即每一項水位計或測深儀標準中均涵蓋了常用的多種類型的水位計或測深儀產品，而我國標準則依據水位計/測深儀的不同類型，分別單獨制定了產品標準；國際、美國標準的計量標準未單獨制定，但其相關內容均包含在測量方法標準中，我國的水位計/測深儀則依據其不同類型單獨制定了計量檢定規(guī)程。我國的水位計/測深儀測量方法標準與國際、美國相同，均為綜合性標準，其內容涵蓋了常用類型的水位計/測深儀。

今后，相關研究可及時跟蹤國際、國外發(fā)達國家水量計量先進技術的發(fā)展動態(tài)和標準建設，積極參加與水量計量相關的國際計量比對和交流合作，加強“一帶一路”沿線國家的技術交流，提升我國水量計量技術水平和國際互認能力，提高在國際水量計量領域的話語權，助力我國水量計量技術“走出去”發(fā)布中文標準的英文版本，及時翻譯國際、發(fā)達國家的水量計量技術標準，供國內同行使用［19］。