水位快速变动下白格堰塞湖水位监测方法

(长江水利委员会水文局 长江上游水文水资源勘测局，重庆 400020)

堰塞湖水文应急监测中，水位是最基本、最重要的监测要素，是堰塞湖上下游水情预报、堰塞湖库容量计算、堰塞湖溃坝分析、堰塞湖处置等的基础数据。水文应急监测中，水位监测常用的方法有人工设立水尺观读，采用无协作目标全站仪接测，采用压阻式、浮子式和水泡压力式水位自计仪，非接触式水位计等几种方法[1-3]。人工设立水尺观读方法简单、易行、有效，但当堰塞湖泄流时，水位急速上涨对观测人员带来巨大安全隐患，水尺也极易被洪水冲毁。非接触水位计包括声波式、激光式、雷达式等。其中，超声波水位计受大气环境变化影响很大，测量精度和稳定性较差；激光式水位计的测量精度理论上要优于超声波式，但水面需要反射板，适用性不强[3]；雷达式水位计在测量量程较大或水位变率较大时，存在分辨力不高、测量精度不高和稳定性差等诸多问题[3]，且雷达水位计在换能器表面距水面高差在0.5 m以内、含沙量大于10 kg/s、换能器水面存在障碍物、波浪较大等情况，对水位测量产生较大误差[2]。无协作目标全站仪性能可靠，在反射物具有一定反射能力条件下，反射信号稳定，反射物材对测距的精度影响较小等优势[4-7]。依据白格堰塞湖特殊水情下的水位应急监测条件，在水位变幅率较小时采用自动监测设备，辅以人工观读水位方式。当水位变幅率较大时，由于自动监测设备灵敏度受限，而无协作目标全站仪具有测程较大、精度可靠等特性，是水文应急监测水位接测的首选。但在水位快速变动的河段，使用无协作目标全站仪观测水位，激光信号从发射到接收需要一定时间，期间水位已变动，致使水位与时间匹配性差，水位监测成果可靠性差。再者无协作目标全站仪发射的激光信号为横波，遇水体衰减严重，当水位上涨淹没无协作目标全站仪预先瞄准目标时，致使无协作目标全站仪无反射信号。

在水位快速变动条件下，创新性地提出了基于无协作目标全站仪的水位预判观读法，实现了特殊水情下的水位监测的时效性、精确性、可靠性，为白格堰塞湖水情报汛、洪水演进分析计算提供了可靠的水位资料，为现场应急处置、堰塞湖下游梯级水库安全有效应对，以及沿线地方政府组织人员安全转移提供了科学的决策依据。白格堰塞湖水位应急监测通过多种途径和方法，成功获得超万年一遇洪水完整水位过程和宝贵的实测流量资料[8]。

1 白格堰塞湖水位监测概况

表1 白格堰塞湖水文应急监测各站点位置关系Tab.1 Location relationship of hydrological emergencymonitoring stations for Baige barrier lake mornitioning

图1 叶巴滩监测站与堰塞体位置关系示意Fig.1 Diagram of relationship between Yebatan monitoring station and barrier dam position

2 常规水位应急监测方法

水文应急监测环境一般都极为恶劣，应急监测应遵循如下原则：简便、快速、安全、一定的精度[9-11]。目前水位应急监测常用的方法有人工观读、水位自记仪、免棱镜全站仪接测等几种方式[1]。人工观读水位较简单实用，应急监测时主要采用直立式水尺，测定各水尺零点高程，加上观读的数值，即为当前水位值。

自记水位计根据其原理，可分为气泡式水位计、浮子式水位计、压力式水位计、雷达水位计、超声波水位计、电子水尺、激光水位计等。目前自记水位计多采用气泡式水位计，其主要组成部分包括空气过滤头、气泵、单向阀、压力传感器、连接气管、微处理器等[8]。其工作原理根据通气管道气体达到动态平衡时，水下通气管压力与大气压差值，即为水体的净压力值，根据压力即可测算水位值。对水位变幅率不大的水体，用气泡式水位计可取得良好的效果，如波罗、梨园监测站点。但当水位变幅率过大，根据气泡式水位计工作原理，气体传导、数据处理需要一定时间，其灵敏度不足以反映水位变化，将产生较大误差。

3 基于无协作目标全站仪水位预判监测方法

2018年11月13日白格堰塞湖工程措施处置泄流后，堰塞湖出现最大过流流量31 000 m3/s，叶巴滩洪峰流量为28 300 m3/s，叶巴滩水电站设计数据显示，叶巴滩万年一遇的洪水为10 600 m3/s[12-13]。洪峰过境时，堰塞体下游约190 km的巴塘水文站最大流速达到10.3 m/s[13-14]。叶巴滩水位最大上涨率达到15.44 m/10 min，22.68 m/30 min[12]。水位监测环境极其恶劣，人工设立水尺观读水位，人员安全隐患大，水尺极易被冲毁。气泡式水位计因灵敏度、流速、量程等因素影响，误差较大[13]。无协作目标全站仪通过发射、接收激光信号来获取目标位置信息，而激光为横波，遇水体后能量衰减严重，水位上涨时，预先瞄准水位待测点，如水边的岩石，因水位过快上涨被淹没，发射的激光能量极大衰减，无法获取激光发射信号，致使无法测取水位数据。

3.1 无协作目标全站仪工作原理

无协作目标全站仪是激光技术与传统全站仪技术的有机结合，作业时不需要发射棱镜或反射片即可实现测距、测角，达到测量被测目标三维坐标信息的功能。其工作原理为内部集成光电测距模块产生与全站仪水平轴同轴的红外激光束，由于激光具有单色性好、方向性强等特点，因此具有良好的量测性能，其工作原理如图2所示。

图2 无协作目标全站仪工作原理Fig.2 Working principle of total station withoutcooperative target

无协作目标全站仪测距多为脉冲式测距，通过计算信号发射与接收信号时间差计算与被测目标的距离，其测距计算式为

(1)

式中，S为测距仪中心至被测目标距离，c为光速，t为信号发射与接收时间差。其测角原理同传统全站仪，被测目标三维坐标解算原理见图3。

图3 无协作目标全站仪坐标解算原理Fig.3 Principle of coordinate calculation of total stationwithout cooperative target

其三维坐标解算为

采用套袋法，贮藏前称取肉样的质量为M1，用细线吊起，外面加套一个食品级保鲜袋并封好袋口，肉样不得与保鲜袋内壁接触，于贮藏条件下悬挂24h后，用滤纸吸取肉样表面的水分后，称重肉样的质量为M2，按照以下公式计算贮藏过程中的汁液损失率，每个处理测定3个平行样品。

(2)

式中，α为水平角，β为垂直角。

3.2 水位预判监测方法

无协作目标全站仪具有自动化程度高、方便快捷的优点。对于视野开阔、视线内无遮挡、反射物体完全暴露的地方，无协作目标全站仪直接瞄准被测物体即可轻松地获取被测目标的三维坐标，实现单人测量模式；在无协作目标测距中由于无需作业人员到达被测点立尺，降低了野外作业人员的工作强度和作业风险，提高了工作效率[15]，在水文应急抢险中具有很好的适用性。

水位预判监测方法为：当水位快速上涨时，为避免水体淹没待测水位点造成能量衰减，导致无协作目标全站仪不能接收信号的问题，根据水位上涨率，预先选择比当前水位高出0.2～0.5 m处，锁定全站仪竖盘进行水位点观测，其状态如图4(a)所示。保持全站仪锁定竖盘状态，利用全站仪望远镜观测水位变化。当水位上涨至十字丝所处位置，如图4(b)所示，则发出指令至时间观测人员记录时间，则完成上涨时一次水位观读。当水位快速下降时，则先观测时间，其状态如图4(b)所示，然后观测对应时刻所对应的水位值，如图4(a)所示。如此观测水位高程精度无损失，对应水位时刻值正确，从而保证水位监测成果的可靠性。

图4 水位上涨时水位预判监测法Fig.4 Predictive monitoring method of water levelwhen water level rises

3.3 白格堰塞湖叶巴滩水位观测

叶巴滩水位站位于堰塞体下游60 km，水位上涨率高达1.54 m/min，人工设立水尺被冲毁，自动水位测报失去反应，无协作目标电子全站仪信号不能接收[11]。河道水流速度高，上涨率极快，从事水文工作36 a，参加过唐家山堰塞湖、舟曲泥石流水文监测的专家，时任长江委水文局局长王俊称：这辈子第一次见[12]。

3.3.1 叶巴滩水位应急监测

水位是水文应急监测最基础资料，白格堰塞湖叶巴滩水位站水位监测采用Topcon 7502无协作目标电子全站仪，利用水位预判法实施水位快速变动条件下的水位应急监测。Topcon 7502无协作目标电子全站仪测距精度为(2±2 ppm)mm，测角精度为2″，无协作测程1 000 m，水位观测结果见表2。

叶巴滩水位应急监测过程线见图5。

3.3.2 水位监测精度评定

利用恢复正常状态水位自记仪与基于无协作目标电子全站仪监测水位成果进行比较，评判水位监测精度性、可靠性，比较结果见表3。通过表2可知，二者校差均小于10 cm，具有较高可靠性，较好的精度。

4 白格堰塞湖水位监测

根据目前技术手段结合应急监测环境，白格堰塞

表2 叶巴滩水文站水位监测成果

图5 叶巴滩水文站水位过程线Fig.5 Water level process line ofYebatan Hydrological Station

日期时刻全站仪水位自计仪水位差值2018.11.1320:102759.802759.720.082018.11.1320:152759.492759.58-0.092018.11.1320:202759.122759.040.082018.11.1320:252758.722758.79-0.072018.11.1320:302758.492758.52-0.032018.11.1320:402757.612757.610.00

湖水位监测主要采用人工设立水尺观读、气泡式水位计、无协作目标全站仪观读水位等方法。水位应急观测布置原则如下。

(1) 水位观测布置应有一定冗余度。水位观测范围冗余：根据历史水位资料、堰塞湖水位资料，充分考虑水位观测范围，各站点布置水位监测值应大于可能上涨水位。水位观测方法冗余：应采用多种方法进行水位应急监测，以保证水位资料的完整可靠性。

(2) 堰塞湖溃坝后水体流速较大，人工设立水尺应具有一定稳固性，以免被水冲毁。其次应充分考虑水位过快上涨时，观测人员安全观测及撤离措施。

(3) 水位上涨过快时，应考虑气泡式水位计灵敏度与适用范围，应做好与人工观读或无协作目标全站仪观读水位的校测。

(4) 无协作目标全站仪观读水位应综合地质条件稳定性、人员安全、便于各级水位观测等因素，设置一定监测基准点及辅点。

白格堰塞湖各站点水位观测方法见表4。白格堰塞湖各监测站点水位变化过程线见图6。

表4 白格堰塞湖各站点水位监测方法Tab.4 Water level monitoring methods for each station ofBaige barrier lake

图6 白格堰塞湖各监测站点水位过程线Fig.6 Water level process lines of monitoring stationsof Baige barrier lake

5 结 论

堰塞湖灾害处置时，水位是水文应急监测的最基本、最重要的观测要素。白格堰塞湖从形成到实施工程措施泄流溃坝后，采用多种水位监测方法结合，收集到极端水情条件下完整水位监测资料。堰塞湖经自然溢流或工程措施发生泄流后，水位快速变动，当常规的水位监测手段存在有数据无法获取、作业危险系数大等不足时，为精确可靠获取水位快速变动条件下的堰塞湖水位监测成果，应采用无协作目标电子全站仪预判水位监测方法。经过白格堰塞湖应急处理的水位监测工作，得出如下结论。

(1) 采用无协作目标电子全站仪，可实现远距离安全地带进行水位监测，保障作业人员安全。

(2) 利用预判法监测水位，保证水位观测值与时间一致性匹配，实现水位快速变动条件下水位精确监测。

(3) 利用无协作目标电子全站仪可实现水位快速变动条件下下水位可靠性监测。取得的水位变化的过程线，为堰塞湖处置提供了可靠的水位资料，收集特殊水文条件下的水文应急监测成果，丰富了水位应急监测手段。