淺析山區(qū)河流水位計的選取

孫先春

（馬鞍山市當涂縣水政監(jiān)察大隊，安徽 馬鞍山 243100）

1 大別山區(qū)地貌和河流特征

大別山位于安徽、湖北、河南交界處，西接桐柏山，東延為霍山（也稱皖山）和張八嶺，東西綿延約380km，南北寬約175km。一般海拔500～800m，山地主要部分海拔1500m 左右，是長江與淮河的分水嶺。山地面積約占全部山區(qū)15%，其余多為低山丘陵。山間谷地寬廣開闊，并有河漫灘和階地平原，是主要農(nóng)耕地區(qū)。大別山區(qū)河道兩岸多為高山，河床常為砂、卵石或巖石組成。山地多深谷陡坡，坡度多在25°～50°，河道比降較大、流量與水位變幅較大，洪水持續(xù)期短，枯水期流量很小，暴雨之后流量猛增。

2 目前水文廣泛應(yīng)用的水位計

2.1 浮子式水位計

浮子式水位計是目前我國水位監(jiān)測使用最多的水位計，所占比例在90%左右。浮子式水位計是以浮子感測水位，軸角編碼器編碼的機械式遙測水位傳感器。其工作機理是：在水位觀測站的測井中，安裝一個浮子作為水位感測元器件，當水位變化時，浮子靈敏地感應(yīng)到水位變化，并相應(yīng)地漲落運動，同時把此水位漲落的直線運動借助懸索傳遞給水位輪，使水位輪產(chǎn)生圓周運動，并準確地將直線位移轉(zhuǎn)換為角位移量。后來在此基礎(chǔ)上發(fā)展出浮子式編碼水位計，并配合固態(tài)存貯器使用。當水位旋轉(zhuǎn)的同時，軸角編碼器將水位模擬量A 轉(zhuǎn)換，并編碼成相應(yīng)的數(shù)字編碼D，用芯電纜并行輸出至測站顯示器，直接顯示水位。浮子式水位計結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、工作可靠，使用、維修方便。

2.2 氣泡式水位計

氣泡式水位計通過壓縮泵壓縮空氣，經(jīng)氣管從固定于水中最低水位線下的管頭打入水中，這些空氣經(jīng)單向閥壓入儲氣罐中，儲氣罐中的氣體分兩路分別向壓力控制單元中的壓力傳感器和通入水下的通氣管中輸送，當氣泵停止打氣時，單向閥閉合，水下通氣管口被氣體封住，從而形成了一個密閉的連接壓力傳感器和水下通氣管口的空腔。根據(jù)壓力傳遞原理可知，在通氣管道內(nèi)的氣體達到動態(tài)平衡時，水下通氣管口所承受的壓力經(jīng)過通氣管傳遞到壓力控制單元的壓力傳感器上，以測算出水下通氣管口的壓力值，用此壓力值減去大氣壓力值，即可得到水頭的凈壓值以及水柱的高度，經(jīng)換算便可得出測量水位值。

2.3 雷達式水位計

雷達式水位計是通過發(fā)射的電磁波打到被測水面上，然后接收經(jīng)水面反射回來的電磁波的時間t，通過公式h=ct/2，計算出雷達水位計離水面的距離h，再根據(jù)相關(guān)高程換算從而得到水位值。

3 大別山區(qū)河流水位測量的特殊需求和類型比較

3.1 大別山區(qū)河流對水位計的特殊需求

大別山區(qū)河流多在山地，河道比降較大，暴雨洪水前后水位漲落幅度大，帶來的泥沙和推移質(zhì)、懸疑質(zhì)較多，洪水對河道的沖擊力大。因此，大別山區(qū)的河流水位計要求必須量程夠大，設(shè)備堅固能抵抗沖擊，耐受山區(qū)氣候不易損壞。

3.2 大別山區(qū)水位計類型比較

3.2.1 建設(shè)難度和成本方面

浮子式水位計一般需要依托水位觀測井，直接在水位計測井的平臺上安裝，設(shè)備即放在測井房內(nèi)，安裝較簡單。浮子式水位計一套設(shè)備加建井費用在30～40 萬元，如在大別山區(qū)使用浮子水位計，施工難度和費用都要增加。

氣泡式水位計不需要建井，但是需要在水中建立氣泡管墩、固定管口，在管口周圍設(shè)置鐵網(wǎng)罩對管口進行保護，對排氣管管道布設(shè)要求極高，在山區(qū)施工難度加大。目前一套氣泡式水位計約10 萬元，加上安裝和土建施工費用，總的造價約20 萬元。

雷達式水位計一般固定在橋墩或者閘門附近的建筑物上，安裝方便、建設(shè)周期很短，設(shè)備加上土建費用一般在10～15 萬元。

3.2.2 測量精度和使用方面

浮子式水位計采集數(shù)據(jù)及時準確，不僅滿足防汛要求，而且完全滿足水文整編對資料的要求。但是由于大別山區(qū)地勢落差較大，有些采用浮子水位計的水位站存在自計井進水口不能滿足采集低水位的要求，因此出現(xiàn)低水位時無法測到水位或水位數(shù)據(jù)失效。氣泡式水位計數(shù)據(jù)采集基本滿足防汛要求，但氣管距離稍長容易松動，測量效果達不到標準要求，并且壓縮空氣很濕潤，易在氣泡管道內(nèi)和管口引起一些附屬物的生長影響使用。雷達式水位計為非接觸式水位計，采集的數(shù)據(jù)上下存在3～5mm 鋸齒波動，僅適用一般防汛站。

4 目前大別山區(qū)三種水位計應(yīng)用典例

4.1.黃泥莊站浮子式水位計

黃泥莊水文站位于六安市金寨縣南溪鎮(zhèn)丁埠村，是大別山區(qū)500～1000km2區(qū)域代表站，梅山水庫入庫控制站，也是史河的一個重要水位站。該河段為沙卵石河床，兩岸為自然山體，河道及斷面均比較穩(wěn)定。水位站上游5km 處有黃莊電站一座，下游約600m 處建有甲河電站一座，致使本站斷面處于水庫蓄水區(qū)內(nèi)。本站為山區(qū)性河流，水情變化受降雨影響，暴漲暴落。由于受上下兩座電站發(fā)電影響，河道水位在短時間內(nèi)變幅較大，該站采用浮子水位計，完整地記錄了水位變化，滿足了汛期防汛和水文整編對資料的要求。2021 年汛期黃泥莊站水位過程線圖見圖1。

圖1 2021 年汛期黃泥莊站水位過程線圖

4.2.曉天站氣泡式水位計

曉天水文站位于舒城縣曉天鎮(zhèn)和睦村的曉天河，是大別山區(qū)200～500km2區(qū)域代表站，龍河口水庫入庫控制站。該河段為沙石河床，河段較順直，右岸為山體，左岸為人工修筑公路堤埂，自然邊坡。水位站上游1.2km 為曉天河支流石龍河匯入處，下游約1.5km 有石梁和彎道。本站為山區(qū)性河流，水情變化受降雨影響，暴漲暴落。曉天河深水區(qū)位于右側(cè)河道，左側(cè)河道為灘地，深水區(qū)原先并沒有建井，為保證全年高水低水期間水位數(shù)據(jù)采集完整準確，在右側(cè)深水區(qū)安裝氣泡式水位計，并將氣管用水泥固定，完整記錄了曉天河水位漲落情況。2021 年汛期曉天站水位過程線圖見圖2。

圖2 2021 年汛期曉天站水位過程線圖

4.3.五顯站雷達式水位計

五顯水位站位于舒城縣五顯鎮(zhèn)五顯河，是大別山區(qū)龍河口水庫上游一條重要河流，河長23km，集水面積117km2，河流平均比降7.58‰，水位站上游約90m、下游約300m 處各有攔水壩一座。該站未建井，但是五顯河上架有五顯大橋，便于安裝雷達式水位計，懸臂支撐穩(wěn)定，雷達探頭無遮擋，可以準確測得五顯河水位漲落過程，滿足一般防汛要求。2021 年汛期五顯站水位過程線圖見圖3。

圖3 2021 年汛期五顯站水位過程線圖

5 結(jié)語

綜上分析，大別山區(qū)河道類型復雜，要根據(jù)實際情況選擇水位計。在周邊環(huán)境適合建井或有測井的水文站，建議仍然采用測井加浮子式水位計；在邊坡陡峭、建井不方便但有水工建筑物可依附，對防汛要求不高的河段，盡量使用雷達式水位計；對于建井困難、但周圍易布設(shè)氣管并且河灘相對較短（不超過100m）的河道，可以使用氣泡式水位計