天然河道水位高精度测量一体化装置的研制与应用

徐新华 唐洪武徐雷诺吴 峰 余金煌王式成 宋青山 苗 苗

（1.淮河水利委员会 蚌埠 233001 2.河海大学 南京 210098 3.安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院 蚌埠 233000 4.阜阳船闸管理处 阜阳 236000 5.山东省水利厅 济南 250014）

天然河道水位高精度测量一体化装置的研制与应用

徐新华1唐洪武2徐雷诺2吴 峰3余金煌3王式成2宋青山4苗 苗5

（1.淮河水利委员会 蚌埠 233001 2.河海大学 南京 210098 3.安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院 蚌埠 233000 4.阜阳船闸管理处 阜阳 236000 5.山东省水利厅 济南 250014）

通过对现状水位观测技术及设备分析，针对天然河道水位高精度测量研制的一体化装置，系统集成消浪、激光测距、数据采集及传输、计算机等成熟技术，解决长期困扰我国天然河道水位观测工作量大、受波浪影响大、精度低等关键技术难题。经实际使用，稳定性好，精度高，并获专利授权。

水位高精度测量 集成消浪结构 一体化装置

1 天然河道高精度水位测量现状及研究意义

在水利工程运行管理和水文测报中，需要对天然河流的水位进行测量，尤其是主汛期间，更需对实时水位及最高洪水位进行精确的检测，从而积累洪水位观测资料，以便对河段河道防洪技术、防洪标准进行研究，对下游防洪有着指导性的意义，对行蓄洪区来讲，水位精度测量直接决定行蓄洪区的是否启用，是地方防汛指挥和人民群众最为关心的事情。对水利工程运行及安全管理，挡水建筑物坝前坝后水位直接影响工程安全，因此，高精度水位测量极为重要。

现阶段的天然河流水位的测量，均由水文站进行，但由于天然河道水文站多地处偏僻，工作环境恶劣，水位观测受多种不确定性因素影响大，水位观测精度一直制约国人的水文测验工作。根据《中华人民共和国水位观测标准》（GBJ158-90）（下简称《水位观测标准》）规定，水位测量精度允许误差在2～3cm之间，但在实际工作中，由于受波浪、杂物、河道淤积等多种因素影响，观测非常困难，精度很难保证。

目前常用的观测仪器主要包括：各种水尺，浮子式水位计，气泡式、压力式式、超声波水位计和雷达水位计等，这些仪器由野外环境限制，对观测精度影响较大，稳定性、耐久性差。主要是：①浮子式水位计。目前使用较多，利用数码盘进行计数，通过浮筒随水位变化进行测定。需要建设较大竖井和连通管道，运行成本高，管道淤积难处理，个别地方由于受水位观测条件制约，需要建设倒虹吸管及真空处理，增加相应处理设备，水位校正需要每天由人工在河道中用水尺读基准数值，再到水位计上进行标定，而人工读数本身就受波浪等因素影响，误差大。②气泡式和压力水位计。需在水下工作，受水质、水体微生物及波浪影响大，成本高、仪器校正复杂，实际应用故障率高，维修较困难，基点高程标定影响观测精度。③超声波水位计和雷达水位计。直接对水面观测，受波浪和漂浮物干扰大，精度难保证，造价高，需相应辅助设施配套，难以适应野外工作环境和规模推广。

目前水位观测存在的主要问题是：受仪器安装、附属配套设施和天气的影响大，观测工作量大，尤其是未能很好地解决仪器观测受波浪影响问题，仪器在实际工作中由于受安装埋设、天气、自然、基点高程标定、人为等因素影响，实际误差进一步放大。观测资料记录及整理自动化程度差，受人为因素影响多，精度差，实际测量误差难满足精度要求。在实际野外环境天然河道水位测量中，由于人为因素多，水位观测难以与流速、流量等其他水文要素同步测量，现有的观测仪器没有从根本上解决波浪对水位观测影响问题。

目前，国内外水位观测多集中在单个水位传感器方面，对水位观测成套装置，系统的融合性方面投入研究较少，仪器设备整体融合后，各类传感器在天然河道环境情况下性能大大降低，系统总体性能不理想、不稳定、精度差。

因此，现阶段急需一种可对天然河道水位进行实时高精度测量的装置。

2 水位测量一体化装置及系统技术设计

为解决现阶段天然河道高精度水位观测仪器存在的成本高、观测受环境和人为因素双重影响、观测结果精度差、误差大等缺点，通过对常用水位观测设备通用性、耐久性、适用性进行分析，融合现代电子、通讯等工程技术，研究提出天然河道水位高精度测量的一体化装置。通过研制的集成消浪结构，保证仪器在静水中观测，避免或减小了波浪干扰；现代激光测距可保证观测精度达毫米级；通过数据采集单元及公网无线传输技术，保证数据传输及远程通讯；太阳能及充电锂电可保证野外环境下持续供电15天以上；后台计算机程序对采集的数据进行处理及输出，并可根据不同的客户要求开发手机客户端。

为了实现上述目的，该装置采用了如下设计方案（示意图见图1）：

主要特征如下：（1）包括基座，基座上分别设有支架和转接管，支架的上侧连接一个固定板，固定板上分别安装太阳能电池板、激光测距仪和数据收发器，太阳能电池板分别与激光测距仪和数据收发器电连接，激光测距仪和数据收发器通信连接，数据收发器与远程计算机通过无线信号传输。

（2）转接管分别连接滤波管和观测管，观测管内设有一个浮动靶标，浮靶标与激光测距仪的信号采集端口感应配合。

在上述技术方案的基础上，有以下进一步的技术方案：

（3）数据收发器通过天线与远程计算机无线信号传输。

（4）观测管通过一组连接件连接固定在所述支架上。

（5）滤波管的内壁设有向内凸起的螺旋环，滤波管的端部套接一个接头，接头为三通式筒状结构，每个三通式出口处再联接三通式筒状结构，三通式筒状结头内安装有过滤设施，消除或减小波浪干扰，使得河水在进入观测管后由动态转化为静态。三通式消浪接头，既可有效消除顺水流方向的水能，同时也避免了垂直水流方向的波浪冲击。

当滤波管内有淤泥时，可随时在阀门处连接外接干净水源对滤波管进行冲洗，当洪水水位升高时，也可打开阀门接头，将另一套与该装置相同的滤波管连接在该装置的外接管上。

（6）观测管采用透明管，在支架上连接一个与观测管对应配合的标尺。观测管还可以采用不透明的管，在侧壁上设有一个通长的观测窗口。

转接管上通过阀门连接一个外接管，外接管可用于管道冲洗及管道接长。

（7）后台信息处理终端采用计算机，计算机采集到观测信号通过程序对接收信息进行处理，生成水位过程线、曲线及记录表。

（8）水尺可进行人工观测及校正。天然河道水位高精度测量的一体化装置已获专利授权（ZL 2014 2 0377038.6，CN201410324338.2（发明专利实审））。

3 天然河道水位高精度测量一体化装置技术创新及特点

图1 系统基本结构示意图

（1）独创消浪结构和连通管结构，成功解决水位观测受波浪影响问题。

（2）减轻水文观测劳动强度，避免误测。尤其野外恶劣环境条件下，对我国偏远河道和行蓄洪区汛期水位观测，可发挥难以替代的作用；人工与自动观测可实时对比。

（3）促进行业科技进步。水位观测向自动化、智能化迈进，可有效保证观测资料的准确性、可靠性、连续性、实时性，对保障我国江河防洪安全和水生态环境安全有重要现实意义。

（4）观测精度高。观测精度为2mm，对提高我国水文观测技术标准有重要促进作用，增强我国在水文观测领域的国际影响力及竞争力。

（5）水位观测集成一体化，结构简单、安装维护方便，不受天气影响，资料自动整理。

（6）系统造价低，野外独立水位观测点全套装置5万元左右，便于规模推广使用。

4 专利应用情况及社会经济效益

该专利已用于淮河吴家渡水文站、南京长江下关潮水位站、蚌埠闸下、凤阳港及淮河蚌埠段多座桥梁壅水等水位原型观测，观测成果通过验收。

根据《2014年全国水利普查成果总报告》（水利部2014年），全国流域面积在100km2以上的河流有22909条，1000km2以上的河流有2221条。1100km2以上湖泊2865个，水库98002座，其中小型水库93308座。

目前我国大型水库、湖泊和主要河流控制站，均设置水位观测站，但受单个站点造价高影响，数量较少，难以满足要求，观测精度低，受人为影响大，资料整理困难。据统计，我国水文水位观测站单站平均造价（包括观测井和附属设施）均超过100万元（不含人员工资），由于造价高，中小型水库和偏僻河流，只有简单的水尺观测，甚至没有观测站，同时，观测受天气和人为影响大，观测极为困难。而我国真正缺乏观测资料的正是中小河流、湖泊和偏僻水库、行蓄洪区等，每年出险的水库中，多数为小水库及中小河道堤防，因此，该装置对防洪工程和和中小河流水位监测有重要现实意义。

该装置造价低，维护简单。仅按全国小水库总数的四分之一进行升级改造，可节约费用：

93308座×（100－5）万元／座×25%＝221.6亿元

全国其他河道、湖泊及大型水库等也需进行改造升级，经济和社会效益可观。

该装置设备独立成套，系统自成一体，较好地解决了长期困扰我国天然河道水文观测受波浪影响、精度低、资料整理困难等关键技术难题，填补我国天然河湖高精度水位测量空白，对行业科技进步和产业结构优化升级起重要促进作用