国内外水位计/测深仪技术标准现状对比分析

刘 彧，徐 红，齐 莹，宋小艳

（中国水利水电科学研究院，北京100038）

水位/水深是反映水体、水流变化的水力要素和重要参数，是水位测验中最基本的观测要素，也是推求流量的重要参数以及防汛、抗旱、水资源调度管理、水利工程管理运行、水文预报等工作的重要依据和重要资料，广泛应用于堤防、水库、电站、堰闸、排涝等工程的规划、设计、施工等过程中。

水位计/测深仪是用于测量水位/水深的仪器设备，是明渠水文测验中应用最多、最经典的量水设备，它广泛应用于明渠标准断面、堰槽、渠系建筑物等量水设备与设施的水位/水深测量。在实际应用中，相关的检定和校准就显得尤为重要，而标准中有关检定和校准的相关规定是评定其计量特性的重要技术依据。

在实地水位/水深测量中，受现场条件限制，一般会存在计量仪器设备现场检定/校准工况条件不满足标准要求的情况，而我国水量量测设备大都缺少现场的检定/校准规范，因此亟待填补相关空白。

1 国内外水位计/测深仪技术标准现状及对比分析

笔者共收集了33项国内外水位计/测深仪技术标准（见表1），其中国际标准3项、欧盟标准1项、美国标准2项、德国标准1项、英国标准3项、法国标准2项、韩国标准3项、澳大利亚标准3项、意大利标准1项、挪威标准1项、捷克标准2项、中国标准11项。除等同采用标准外，不重复技术标准为16项。

1.1 国内外水位计/测深仪标准间的关系

由表1可以看出，欧盟、德国、英国、法国、韩国、澳大利亚、意大利、挪威、捷克共17项水位计/测深仪标准均是等同采用相应的国际标准。但是，各国采用国际标准的时效性有所不同：欧盟、德国、英国、法国、意大利、挪威、捷克基本上是国际标准发布后实现了在时间上同步或一年内等同采用国际标准。韩国标准则是集中年度对国际标准进行了等同采用后统一发布，通常较国际标准发布时间滞后6～7 a。澳大利亚虽然等同采用国际标准，但未能及时更新采用国际标准的最 新版本。

表1 国内外水位计/测深仪现行有效标准清单

美国水位计/测深仪标准文本未体现其与国际标 准是否是等同采用的对应关系，但美国标准在规范性引用文献中均列出了相应的国际标准。我国11项水位计/测深仪标准文本中均未在标准文本或“规范性引用文件（或标准）”中体现标准与国际标准、国外标准的等同采用或引用关系。不过，我国标准在涉及的水位计/测深仪产品类型、技术内容、技术参数等方面，均与国际、国外相关标准有对应关系。

1.2 国内外水位计/测深仪标准体系对比分析

国际标准化组织（ISO）制定的水位测量设备标准中包括了水位测量设备的规格、安装、不确定度评定，并在附录中简要介绍了9类水位测量设备，未包含测量方法。回声测深仪标准中则介绍了仪器的性能标准、回声测深仪的现场使用（包括校准）和操作手册。

美国发布的水位测量方法标准和地表水深测量方法标准中包括了测量设备的介绍、操作方法和校准。而我国则按水位计/测深仪的产品类型分别制定了系列标准，标准内容包括基本性能参数、工作环境条件、通用技术条件、试验条件及方法等，并按产品类型制定了相关的检定/校准标准，其中：《压力式水位计检定规程》《雷达水位计检定规程》《超声波水位计检定规程》《电子水尺检定规程》已作为拟编标准纳入2014版水利技术标准体系表。与国际（指ISO标准）、国外标准相比，我国水位计/测深仪的产品标准数量较多，测量方法只有1项，涵盖对象只限于地表水位的测量，测量方法标准偏少。综上所述，本文提出14项我国水位计/测深仪缺失的技术标准，见表2。

2 国内外水位计/测深仪技术标准的主要技术参数对比分析

2.1 水位计技术标准的主要技术参数对比分析

本文对10项国内外技术内容不重复的水位计技术标准进行对比分析。

表2 我国水位计/测深仪缺失标准清单

2.1.1 产品性能技术参数对比分析

国际标准《水文测验-水位测量设备》（ISO 4373—2008）中将水位计分为 9 类［1］，见表 3。

表3 《水文测验-水位测量设备》（ISO 4373—2008）水位计分类

美国标准《开放水体水位测量的标准试验方法》（ASTM D5413—93（2013））把水位测量方法分为 3类［2］，见表 4。

表4 《开放水体水位测量的标准试验方法》（ASTM D5413—93（2013））水位计分类

我国标准水位计分类在各项标准中，《水位测量仪器通用技术条件》（GB/T 27993—2011）将水位测量仪器按工作原理分为水尺（含电子水尺）、接触（跟踪）式、浮子式、压力式、声波式、雷达式、激光式和其他形式；按记录方式分为人工观读记录、模拟记录、打印记录、存储器记录、其他形式［3］。

《水位测量仪器系列标准》GB/T 11828将水位测量仪器分为7种：浮子式水位计、压力式水位计、地下水位计、超声波式水位计、电子水尺、遥测水位计、水位测针。其中：《水位测量仪器第1部分：浮子式水位计》（GB/T 11828.1—2002）将浮子式水位计按传感器输出信号分为增量编码式、全量编码式、电模拟量式，按水位编码器编码原理分为机械编码式、光电编码式、磁电编码式、模数编码式，按记录方式分为固态存储记录、打印记录、模拟记录［4］；《水位测量仪器第2部分：压力式水位计》（GB/T 11828.2—2005）将压力式水位计按传感器感知相对测点的位置分为直接式、气泡式，按记录的方式划分为打印记录式、固态存储记录式、模拟记录式，按感压传感器的种类划分为压阻式、电容式、振弦式、应变式、石英晶体式［5］；《水位测量仪器第4部分：超声波水位计》（GB/T 11828.4—2011）将超声波水位计按声波传播介质的不同分为液介式超声波水位计和气介式超声波水位计［6］；《水位测量仪器第5部分：电子水尺》（GB/T 11828.5—2011）将电子水尺分为触点式、电容式、静磁栅式和磁致伸缩式，电容式又包括电容感应式和容栅式两种［7］；《水位测量仪器第6部分：遥测水位计》（GB/T 11828.6—2008）将遥测水位计按传感原理分为浮子式、跟踪式、压力式、声波式、电子水尺式、雷达式、激光式，按传感器输出信号分为增量编码式、全量编码式、电模拟量、电频率量式，按记录方式分为模拟划线记录、固态存储记录、打印记录和其他记录［8］。

从各项标准中可以看出，水位计的基本参数包括测量范围、分辨力、水位变率、模拟记录周期、记录时段等，国际标准《水文测验-水位测量设备》（ISO 4373—2008）规定了水位计不同等级的测量范围、分辨力，水位变率则要求制造商应在设备规格说明书和说明书上注明［1］。美国水位标准和国际地下水位计标准则未规定水位计基本性能参数的具体指标［2，9］。我国水位计的产品标准和通用技术条件标准基本上对水位计基本性能参数进行了具体规定，《水位测量仪器通用技术条件》（GB/T 27993—2011）于 2011年 12月 30日发布、2012年6月1日实施，将2011年及之后发布的水位计产品标准与其对比分析可以发现，水位计产品标准的基本参数与通用技术条件标准的基本参数规定是协调一致的［3］。

2.1.2 计量性能技术参数对比分析

国际、国外的水位计标准中对校准的相关规定内容较少，侧重于规定校准的工作程序，如建立基准、设立参考标准、水位计所需的校准频率等，对校准的具体技术参数、校准方法未作统一规定。如《地表水深的测量方法》（ASTM D 5073—2002（2013））中规定：安装前控制设备一般不需要预校准，但是远程站安装时连接所有系统的组件需要检验。对于野外校正，利用手动式水位计对水位和时间进行校正［9］。我国则针对水位计的不同类型，对浮子式水位计的灵敏阈、测量误差、回差、重复性误差、再现性误差和计时误差做出相应规定［10］。

《水位观测标准》（GB/T 50138—2010）也提及了自记水位计的校测：自记水位计的校测应定期或不定期进行，校测频次可根据仪器稳定程度、水位涨落率和巡测条件等确定；每次校测时，应记录校测时间、校测水位值、自记水位值、是否重新设置水位初始值等信息，以之作为水位资料整编的依据。同时，给出了自记水位计可选用的校测方法［11］。

2.1.3 测量方法技术参数对比分析

《地表水深的测量方法》（ASTM D 5073—2002（2013））在水位测量方法中规定必须遵循仪器厂商提供的操作方法，标准中未给出观测时间、观测次数、观测点、观测断面选取等技术信息［9］。

我国的《水位观测标准》（GB/T 50138—2010）中给出了河道站的水位观测、水库、湖泊、堰闸站的水位观测、潮水位站的水位观测、枯水位观测、高洪水位观测和附属项目观测的具体操作方法和步骤，对观测的水位平稳要求、观测时间点、观测间隔、观测次数、水位记录、布置要求等进行了明确［11］，可操作性强。

2.2 测深仪技术标准的主要技术参数对比分析

对6项国内外技术内容不重复的测深仪技术标准进行对比分析。

2.2.1 产品性能技术参数对比分析

国际标准《水文测验-水深的直接测量和悬挂设备》（ISO 3454—2008）中把测深仪分为 2 类［12］，见表5。

表5 《水文测验-水深的直接测量和悬挂设备》（ISO 3454—2008）对测深仪的分类

国际标准《水文测验-水深测量回声测深仪》（ISO 4366—2007）把回声测深仪分为 3 种［13］，见表 6。

表6 《水文测验-水深测量回声测深仪》（ISO 4366—2007）对测深仪的分类

美国标准《地表水深的测量方法》（ASTM D 5073—2002（2013））把测深仪分为 2 种［9］，见表 7。

表7 《地表水深的测量方法》（ASTM D 5073—2002（2013））对测深仪的分类

我国标准《水深测量仪器系列标准》GB/T 27992将水深测量仪器分为4种：水文测杆、测深锤、超声波（回声）测深仪、投入式压力测深仪。《水深测量仪器第1部分：水文测杆》（GB/T 27992.1—2011）将测杆分为手持式测杆和机械操纵式测杆。手持式测杆可以分为3种：通用式、单一测深式、涉水用测杆。机械操纵式测杆分为长测杆、半测杆和无偏角缆道用测杆3种型式［14］。《水深测量仪器第3部分：超声波测深仪》（GB/T 27992.3—2016）将超声波测深仪分为缆道型、船载型和手持型3大类［15］。

从各项标准中可以看出，测深仪器设备主要包括水文测杆和超声波测深仪，其基本参数主要包括测杆直径、测杆长度、测杆直线度，超声波测深仪的测量范围、分辨力、盲区、电缆长度等。

《水文测验-水深测量回声测深仪》（ISO 4366—2007）规定由仪器设备制造商应提供：①设备运行的一个或多个频率；②换能器波束宽度；③深度测量的实际分辨率；④仪器测量的最大和最小深度；⑤更新测量的频率、数据速率；⑥船舶姿态补偿要求；⑦数据记录的计算机和接口要求；⑧关于上述所有因素的深度测量的预期精度［13］。《水位测验-水深的直接测量和悬挂设备》（ISO 3454—2008）标准规定了测杆的适用流速和水深，且悬索应具有足够的强度以支撑电流计和探测器的质量，其载荷下的伸长率不得超过0.5%，测深设备的其他性能参数未涉及［12］。《地表水深的测量方法》（ASTM D 5073-2002（2013））侧重介绍了测量仪器的特点、工作原理、组成和安装，对设备的基本性能参数未明确具体规定［9］。而我国3项测深仪标准中均对相关产品的基本参数作了具体规定［14-16］。

2.2.2 计量性能技术参数对比分析

国际、国外的测深仪标准中对校准的相关规定内容较少，侧重于规定校准的工作程序，如《水文测验水深测量设备回声测深仪》（ISO 4366—2007）的校准方法是调整回波测深仪以重现由独立参考测量的深度，主要参考是条形检查。静态杆比较应在场地的整个深度范围内以1～2 m的间隔进行。测深杆检查应在每天的开始和结束时进行。若水体产生密度或弹性变化，则可能需要更频繁的校准［13］。

我国则针对测深仪的不同类型，对超声波测深仪的盲区、测量误差和重复性误差等参数规定了详细的检定方法和检定步骤，可操作性强。

2.2.3 测量方法技术参数对比分析

《水位测验-水深的直接测量和悬挂设备》（ISO 3454—2008）给出了测深设备的适用范围，如测深杆可用于中等速度（最高2 m/s）下5～6 m的水深测量。测杆可用于深度达1 m、速度为1 m/s的水深测量；测深线适用于较大的水深测量。手持悬挂设备可用于深度达3 m、速度为2 m/s的水深测量。机械悬挂设备可用于深度约6 m、速度约3 m/s的水深测量［12］。

3 结 语

与国际、国外标准相比，我国现行有效技术标准在内容上基本涵盖了常用的水位计/测深仪，并对常用的仪器设备设施的产品性能、测量方法、计量性能等技术参数作了规定，标准内容相对全面系统，可操作性强。

通过对比分析国内外常用水量计量仪器设备设施的产品标准、计量标准、测量方法标准，并结合当前我国水量计量工作的需求，提出了我国缺失的水位计/测深仪的14项计量技术标准。今后我国水量计量技术标准的制修订工作可以重点关注并做好缺失标准和存在差异的技术参数的相关研究工作［17-18］。

我国制定的水位计/测深仪产品标准在形式和技术参数的规定方面区别较大。国际、美国制定的水位计/测深仪技术产品标准均为综合性标准，即每一项水位计或测深仪标准中均涵盖了常用的多种类型的水位计或测深仪产品，而我国标准则依据水位计/测深仪的不同类型，分别单独制定了产品标准；国际、美国标准的计量标准未单独制定，但其相关内容均包含在测量方法标准中，我国的水位计/测深仪则依据其不同类型单独制定了计量检定规程。我国的水位计/测深仪测量方法标准与国际、美国相同，均为综合性标准，其内容涵盖了常用类型的水位计/测深仪。

今后，相关研究可及时跟踪国际、国外发达国家水量计量先进技术的发展动态和标准建设，积极参加与水量计量相关的国际计量比对和交流合作，加强“一带一路”沿线国家的技术交流，提升我国水量计量技术水平和国际互认能力，提高在国际水量计量领域的话语权，助力我国水量计量技术“走出去”发布中文标准的英文版本，及时翻译国际、发达国家的水量计量技术标准，供国内同行使用［19］。