冰期水位自动观测关键技术集成

熊运阜，梁贵生，路新川，沈国庭，孙 超，陈 洁

(1.黄河万家寨水利枢纽有限公司,山西 太原 030002； 2.黄河宁蒙水文水资源局，内蒙古 包头 014030；3.大连中睿科技发展有限公司,辽宁 大连 116085)

随着北方冬季气温降低，河流会由开敞的自由水面冻结为带冰盖状态。由于冰和河岸岸壁的冻结附着及冰花的堆积，靠近岸边的部分冰盖常常不能随水位的升降而垂直运动。同样，由于水位计测井空间狭小，如果测井表面的水冻结成冰盖，当厚度达到一定程度后，它也不会随着自由水位的升降而垂直运动。如果在测井中使用浮子式自记水位计，浮子钢丝绳同测井壁冻结在一起，导致设备在冬季结冰期无法使用。河流中离岸边较远的宽敞水面上的冰盖，如主河道水面上的冰盖，则会随着自由水面的升降而垂直运动，这给自动观测水位提供了机会。经过数年的努力，用于黄河主河道冬季结冰期的气介自动水位计随着安装技术的革新而得以实现自动监测[1-3]。黄河冬季冻结自动水位测量属于水文监测的一部分，文献研究表明目前就数据传递系统中的数据传递设计[4]，后台数据处理[5]，建立网络系统[6]，甚至使用手机APP获取信息[7],都有较广泛的讨论。但就传感技术而言，特别是水文参数多种传感技术联合应用和应用中的经验问题，显得偏少。本文旨在介绍黄河冬季结冰期水位自动监测选择何种类型自记水位计、设计何种样式安装设施、如何进行运行维护管理、如何对影响因素进行技术处理等关键技术问题，也讨论如何联合同步应用雷达测冰技术[8]。

1 自记水位计选型

现有自记水位计分为液介式和气介式两大类。液介式自记水位计，传感器安装于水面或水下，通过直接感知水位或水深或压力或介质特性变化来测定水位；气介式自记水位计，传感器一般安装在自由水面上方，通过测量传感器到水面的距离，由传感器高程来计算自由面高程。

1.1 液介式自记水位计

液介式自记水位计主要有浮子式水位计、压力式水位计、电子水尺等。

浮子式自记水位计(图1)，利用浮子直接跟踪水位，以机械方式直接传动记录，适合岸坡稳定、河床冲淤不大、无结冰期河段，但需要修建测井、水中不能有损坏或卡住水位计的杂物，不适用于结冰河段。

图1 浮子式水位计

图2 压力式水位计

压力式自记水位计(图2)，运用压敏元件作传感器，利用压力与水深成正比关系的静水压力原理，以测点以上水柱压力高度加上该点高程测定水位。可以不建测井，但测量精度易受水温和含沙量影响，也不适用于含冰水体测量。

电子水尺(图3)，测量电极间介质导电性，由获取的电极间介质导电性数据来判断水位和冰厚。误差不受环境因素影响，只取决于电极间距，测量精度高，稳定可靠，使用方便，避免了传统水位传感器的零漂、温漂和受水质、杂草影响的缺点。通过电子水尺获得的数据，还可以分析出冰结构的动态变化情况，从而判断出冰厚的变化。电子水尺安装时需要深入水中，长度要与最大水位变幅一致。因此，建造水位井易受冰凌冻结影响，不建水位井容易遭受流动冰凌撞击破坏。

图3 电子水尺

1.2 气介式自记水位计

目前，气介式自记水位计主要有超声波自记水位计、激光自记水位计、雷达自记水位计等。

超声波水位计(图4)，其工作原理是超声波脉冲由传感器(换能器)发出，声波经水体表面反射后被同一传感器或超声波接收器接收，由声波发射和接收间的时间来计算传感器到被测水体表面的距离,再结合探头标高计算出被测水体表面高程(水位)。超声波水位计不能用于雾气或粉尘大的测量现场，测量精度易受湿度、风浪尤其温度的影响，通常要测定温度并进行温度影响改正。

图4 超声波水位计

激光水位计(图5)，运用激光测距原理，发射激光到靶面，再接收靶面反射光。根据发射、接收间隔时间、激光传播速度计算出实际距离，再结合仪器标高计算出实际水位。其特点是测量精度高，可以达到mm级；缺点是因激光会直接穿透水体，需在水面放置反射板。

图5 激光水位计

雷达水位计(图6)，利用电磁波对水面进行照射并接收其回波，由此获得河面水位至雷达水位计的距离、距离变化率等信息，进而计算出水位。雷达水位计具有测量精度高、抗干扰能力强，受温度、湿度、风力影响小的特点。正在研制的新型雷达水位计，不仅能够测量自由水面水位，还能够同时测量水深。对于结冰河流能够同时测量冰面高程和冰盖厚度的变化情况。如果贴近冰面安装，在测量冰面高程、冰厚变化过程的同时也可以测出水深变化过程。在冰面上拖动也可以测量全断面冰厚[8]和水深；利用无人机挂载，飞行到观测人员无法到达的地方，如断面浮动冰花层，可以测量冰厚和冰面高程。

图6 雷达水位计

1.3 自记水位计选型

液介式自记水位计，其传感器直接跟水体接触，易受水中杂质、杂草、污染物等影响，还需建造水位测井，结冰期受固定冰盖影响。气介式自记水位计，采用非接触式测量，传感器不用安装到水中，因而不受水中杂质、杂草、污染物等影响，也不需建造水位测井，在冰期只需考虑岸边结冰影响。在气介式自记水位计中，超声波自记水位计受温度影响较大，激光自记水位计需要水面反射靶标，两者都不如雷达自记水位计应用广泛。由此可见，雷达自记水位计可作为冰期水位观测关键技术集成的优先选择，尤其是能够集成冰面高程测量和冰厚生长过程观测的新型雷达水位计，一旦试验成功，将是冰期水位自动观测仪器的首选。

2 自记水位计安装方式设计

目前的气介式自记水位计采用悬臂安装方式(图7)。这种结构下，悬臂伸出长度一般不会超过8 m。自记水位观测必须要能够观测到断面的最低水位到最高水位的变幅。为了避免出现低水位时仪器观测不到水位的脱流问题，常常需要在水中建造基础。水中施工难度大，工程造价高，而且安装维修不方便。

在冬季冰期，河流情况更加复杂。不仅岸冰和冰花堆积会加大自由冰盖到岸边的距离，流动冰凌或移动冰盖也具有超强破坏力。河流中的建筑物，如果不做防冰凌撞击、破坏防护设计，将会被摧毁破坏。

图7 水位计悬臂安装方式

在有冰凌的情况下，雷达水位计的安装，若仍采用一般悬臂结构方式，再做防冰凌撞击、破坏防护设计，则须在河流水中建造工程基础，其工程规模要比无冰凌情况大很多，施工难度大，造价高，往往难以实现。因此，需要设计出一套适合有冰凌河流的、悬臂伸出长度足够、安装运行维护方便、工程造价小的气介式自记水位计安装结构形式。

万家寨库区在自记水位站建设实践中，将钢管柱改变为钢架塔柱，将悬臂改变为回转臂，增加钢塔拉线、回转臂斜拉线和侧拉线，构成钢塔—回转臂气介式自记水位计安装结构设施(图8)[3]。

图8 钢塔-回转臂结构示意图

这种结构可以对钢塔高度、回转臂长度和斜拉线、侧拉线组数进行调配组合，以适应不同断面特征的安装要求，不仅可以避免水位计脱流现象发生，而且还能避免在水中进行基础建设，大大减少土建工程量，节省投资。同时，回转臂能够回转至岸上，安装运行维护工作更加方便安全。

2.1 钢塔-回转臂结构参数确定

钢塔-回转臂结构参数主要指回转臂长度、回转臂拉线组数、钢塔高度。

回转臂长度由断面特征确定。对于某个具体断面而言，一般将土建基础放在断面最高水位附近，回转臂安装高度至少高于最高水位1 m。土建基础位置与最低水位间的水平距离再加3 m安全距离即为回转臂长度。回转臂拉线组数，由回转臂长度确定,参考表1中的经验数据。

钢塔高度，由回转臂以上和回转臂以下两部分组成。回转臂以下塔高以尽量减少土建工程量、使工程造价最小为原则，在土建结构设计优化时确定。回转臂以上塔高由回转臂长度确定。根据万家寨水库的经验，一般可取回转臂长度的1/3作为臂上塔高。臂上塔高和回转臂长度，确定了位于回转臂最远端的斜拉线与回转臂夹角的大小，该夹角应≥18°。回转臂上、下塔高之和再加埋深即为钢塔总高。

表1 拉线与回转臂长度之间的经验关系

2.2 钢塔结构及钢材规格确定

为了方便仪器箱、天线和太阳能板等的安装，钢塔结构采用等边三角形截面棱柱架(图9)。钢塔由三根立柱、横支撑和斜支撑组成，截面边长为60 cm。立柱钢管、横支撑和斜支撑螺纹钢直径配置因塔高不同而不同，可参考表2中的经验数据。

表2 立柱管径与塔高的关系

图9 钢塔结构示意图

2.3 塔臂连接件设计

塔臂连接件是确保回转臂与钢塔相连并能回转的关键部件，设计成“T”字形，由45 cm的16#槽钢和100 cm的DN80钢管焊接而成，通过带丝扣的φ20 mm圆钢U形环和螺母，将槽钢连接到钢塔柱管上。将DN80钢管端头封堵，并在端头套焊DN100长30 cm钢管，便于同回转臂钢管套接相连。

2.4 回转臂钢管规格确定

回转臂钢管管径规格因回转臂长度不同而不同。应根据回转臂的长度、斜拉线和侧拉线的组数，按照结构材料强度、刚度和稳定性等力学条件要求进行回转臂钢管直径设计计算来确定。表1为万家寨水库水位站的经验数据，可供参考。表1中的尖端指回转臂远离钢塔方向的悬挂仪器的那一端。

2.5 拉线固定要点

拉线有三种：钢塔拉线、斜拉线和侧拉线。钢塔拉线主要用于平衡风和回转臂对钢塔的作用力，增强钢塔稳定性。斜拉线的作用是使回转臂伸出的长度足够，并能保持水平状态。斜拉线在塔顶的固定位置，必须同塔臂连接件在塔上的固定位置保持在同一铅直线上，以保证回转臂旋转时经过的平面为一个水平面。侧拉线用于固定回转臂，抵抗风力影响，使回转臂在水平面内保持直线，防止其在水平方向上摆动，维持工作状态稳定。侧拉线组数和在回转臂上的位置分布，同斜拉线一致。侧拉线固定端到回转臂轴线的水平距离应不小于其在回转臂轴线上投影长度的一半，使其与回转臂在水平面上的投影夹角≥45°(图10)。侧拉线固定端高程应低于回转臂安装高程30～80 cm，使其与回转臂在垂直面上投影的夹角为2°～5°。因此，侧拉线固定柱的位置、高程，须现场勘查确定。

图10 回转臂、侧拉线示意图

3 安装与运行维护

钢塔一般以埋设方式安装。钢塔安装前，土建基础及安装平台已经做好。钢塔安装时，要求用2台全站仪在相互垂直方向上进行测量控制，保证钢塔竖立固定后呈铅直状态，并按接近120°夹角间隔埋设3根钢塔拉线，以增强钢塔的稳定性。钢塔埋设安装完毕后，将塔臂连接件固定在钢塔的预定位置上。

回转臂、斜拉线、侧拉线、水位传感仪器等安装与测试均在安装平台上进行。安装过程中，要用仪器对回转臂中心线进行控制和复核，使其保持水平。安装测试完成后，利用侧拉线将回转臂转动到工作位置，并做好侧拉线的固定。一般情况下，回转臂工作位置基本垂直于安装平台。

回转臂固定于工作位置后，需要再次复核其中心线是否水平，并测量探头高程、当时水位和进行水位比测，确定出准确的探头高程数据，以供使用。

雷达水位计运行过程中，要定期进行水位对比观测、检查钢塔铅直度、回转臂平直度，检查钢塔拉线、斜拉线、侧拉线有无松动等，确保水位计及安装设施运行正常，观测数据准确可靠。

4 运用实例及影响因素处理建议

万家寨库区设有24处自记水位站，全部采用钢塔—回转臂结构，安装德国进口型号VEGAPULS 68频率26G雷达进行水位自动测量。回转臂长度最短5 m，最长31 m，大多数在10～25 m之间。钢塔埋设基础土建工程简单，大多数挖坑砂石土埋，仅浇筑2 m×2 m×0.2 m混凝土面层，少部分需要少量浆砌石工程。水位观测过程中，基本没有脱流现象发生。仪器安装、检修维护没有高空作业，非常方便、安全。图11为VEGAPULS 68型雷达水位计记录的2017年冬季万家寨库区冰塞段各站水位过程线。

注：①拐上(73.5 km); ②房子滩(69.1 km);③水泥厂(64.5 km); ④岔河口(58.8 km); ⑤大沙湾(45.5 km)图11 万家寨水库冰塞段水位过程线

万家寨水库库尾拐上水位站(图12)，同时安装有VEGAPULS 68型雷达水位计和正在试验研制的新型雷达，进行水位对比观测和冰厚同步观测，观测结果见图13。结果表明，无论是VEGAPULS 68型雷达水位计，还是新型雷达水位计，观测结果日内均有波动。VEGAPULS 68型雷达日内波动变蝠，一般为±2 cm、最大为±3 cm，满足生产运用水位观测要求。新型雷达观测值日内波动变蝠比VEGAPULS 68型雷达更小，观测值稳定性更好，更值得选择应用。对于测值的日内波动，也可采取增加温度观测模块，对测值进行温度修正。

图12 万家寨水库拐上水位站

图13 不同雷达水位观测结果对比

雷达水位计测得的是自由冰面高程。由自由冰面高程到自由水面高程还需要考虑冰盖密度及冰上积雪因素影响。冰上积雪可采取人工清除方式处理。冰盖密度影响的修正需要测定冰盖厚度，可人工定期观测，也可安装电子水尺进行自动观测。万家寨库尾拐上站安装的新型雷达能同时测量自由冰盖表面高程和冰盖厚度，目前设备研制方正在定型试验，一旦比测参数率定完成，根据冰密度是水密度的0.9倍，由冰盖表面高程减去冰盖厚度的1/10即得到水位。

5 结 论

利用雷达水位计，采用钢塔—回转臂安装方式，可以实现冰期河流自由水面上冰盖表面高程的自动化观测。冰上积雪进行人工清除；温度影响幅度很小可以忽略，也可增加温度自动观测模块对测值进行温度改正；冰盖厚度可定期进行人工测定，也可安装电子水尺实现自动观测，或者采用新型雷达实现冰盖表面高程、冰盖厚度同步集成观测。对冰盖表面高程进行冰厚改正即可得到自由水面高程，从而解决了北方河流冰期水位自动化观测难题。

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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