浅析山区河流水位计的选取

孙先春

（马鞍山市当涂县水政监察大队，安徽 马鞍山 243100）

1 大别山区地貌和河流特征

大别山位于安徽、湖北、河南交界处，西接桐柏山，东延为霍山（也称皖山）和张八岭，东西绵延约380km，南北宽约175km。一般海拔500～800m，山地主要部分海拔1500m 左右，是长江与淮河的分水岭。山地面积约占全部山区15%，其余多为低山丘陵。山间谷地宽广开阔，并有河漫滩和阶地平原，是主要农耕地区。大别山区河道两岸多为高山，河床常为砂、卵石或岩石组成。山地多深谷陡坡，坡度多在25°～50°，河道比降较大、流量与水位变幅较大，洪水持续期短，枯水期流量很小，暴雨之后流量猛增。

2 目前水文广泛应用的水位计

2.1 浮子式水位计

浮子式水位计是目前我国水位监测使用最多的水位计，所占比例在90%左右。浮子式水位计是以浮子感测水位，轴角编码器编码的机械式遥测水位传感器。其工作机理是：在水位观测站的测井中，安装一个浮子作为水位感测元器件，当水位变化时，浮子灵敏地感应到水位变化，并相应地涨落运动，同时把此水位涨落的直线运动借助悬索传递给水位轮，使水位轮产生圆周运动，并准确地将直线位移转换为角位移量。后来在此基础上发展出浮子式编码水位计，并配合固态存贮器使用。当水位旋转的同时，轴角编码器将水位模拟量A 转换，并编码成相应的数字编码D，用芯电缆并行输出至测站显示器，直接显示水位。浮子式水位计结构简单、性能稳定、工作可靠，使用、维修方便。

2.2 气泡式水位计

气泡式水位计通过压缩泵压缩空气，经气管从固定于水中最低水位线下的管头打入水中，这些空气经单向阀压入储气罐中，储气罐中的气体分两路分别向压力控制单元中的压力传感器和通入水下的通气管中输送，当气泵停止打气时，单向阀闭合，水下通气管口被气体封住，从而形成了一个密闭的连接压力传感器和水下通气管口的空腔。根据压力传递原理可知，在通气管道内的气体达到动态平衡时，水下通气管口所承受的压力经过通气管传递到压力控制单元的压力传感器上，以测算出水下通气管口的压力值，用此压力值减去大气压力值，即可得到水头的净压值以及水柱的高度，经换算便可得出测量水位值。

2.3 雷达式水位计

雷达式水位计是通过发射的电磁波打到被测水面上，然后接收经水面反射回来的电磁波的时间t，通过公式h=ct/2，计算出雷达水位计离水面的距离h，再根据相关高程换算从而得到水位值。

3 大别山区河流水位测量的特殊需求和类型比较

3.1 大别山区河流对水位计的特殊需求

大别山区河流多在山地，河道比降较大，暴雨洪水前后水位涨落幅度大，带来的泥沙和推移质、悬疑质较多，洪水对河道的冲击力大。因此，大别山区的河流水位计要求必须量程够大，设备坚固能抵抗冲击，耐受山区气候不易损坏。

3.2 大别山区水位计类型比较

3.2.1 建设难度和成本方面

浮子式水位计一般需要依托水位观测井，直接在水位计测井的平台上安装，设备即放在测井房内，安装较简单。浮子式水位计一套设备加建井费用在30～40 万元，如在大别山区使用浮子水位计，施工难度和费用都要增加。

气泡式水位计不需要建井，但是需要在水中建立气泡管墩、固定管口，在管口周围设置铁网罩对管口进行保护，对排气管管道布设要求极高，在山区施工难度加大。目前一套气泡式水位计约10 万元，加上安装和土建施工费用，总的造价约20 万元。

雷达式水位计一般固定在桥墩或者闸门附近的建筑物上，安装方便、建设周期很短，设备加上土建费用一般在10～15 万元。

3.2.2 测量精度和使用方面

浮子式水位计采集数据及时准确，不仅满足防汛要求，而且完全满足水文整编对资料的要求。但是由于大别山区地势落差较大，有些采用浮子水位计的水位站存在自计井进水口不能满足采集低水位的要求，因此出现低水位时无法测到水位或水位数据失效。气泡式水位计数据采集基本满足防汛要求，但气管距离稍长容易松动，测量效果达不到标准要求，并且压缩空气很湿润，易在气泡管道内和管口引起一些附属物的生长影响使用。雷达式水位计为非接触式水位计，采集的数据上下存在3～5mm 锯齿波动，仅适用一般防汛站。

4 目前大别山区三种水位计应用典例

4.1.黄泥庄站浮子式水位计

黄泥庄水文站位于六安市金寨县南溪镇丁埠村，是大别山区500～1000km2区域代表站，梅山水库入库控制站，也是史河的一个重要水位站。该河段为沙卵石河床，两岸为自然山体，河道及断面均比较稳定。水位站上游5km 处有黄庄电站一座，下游约600m 处建有甲河电站一座，致使本站断面处于水库蓄水区内。本站为山区性河流，水情变化受降雨影响，暴涨暴落。由于受上下两座电站发电影响，河道水位在短时间内变幅较大，该站采用浮子水位计，完整地记录了水位变化，满足了汛期防汛和水文整编对资料的要求。2021 年汛期黄泥庄站水位过程线图见图1。

图1 2021 年汛期黄泥庄站水位过程线图

4.2.晓天站气泡式水位计

晓天水文站位于舒城县晓天镇和睦村的晓天河，是大别山区200～500km2区域代表站，龙河口水库入库控制站。该河段为沙石河床，河段较顺直，右岸为山体，左岸为人工修筑公路堤埂，自然边坡。水位站上游1.2km 为晓天河支流石龙河汇入处，下游约1.5km 有石梁和弯道。本站为山区性河流，水情变化受降雨影响，暴涨暴落。晓天河深水区位于右侧河道，左侧河道为滩地，深水区原先并没有建井，为保证全年高水低水期间水位数据采集完整准确，在右侧深水区安装气泡式水位计，并将气管用水泥固定，完整记录了晓天河水位涨落情况。2021 年汛期晓天站水位过程线图见图2。

图2 2021 年汛期晓天站水位过程线图

4.3.五显站雷达式水位计

五显水位站位于舒城县五显镇五显河，是大别山区龙河口水库上游一条重要河流，河长23km，集水面积117km2，河流平均比降7.58‰，水位站上游约90m、下游约300m 处各有拦水坝一座。该站未建井，但是五显河上架有五显大桥，便于安装雷达式水位计，悬臂支撑稳定，雷达探头无遮挡，可以准确测得五显河水位涨落过程，满足一般防汛要求。2021 年汛期五显站水位过程线图见图3。

图3 2021 年汛期五显站水位过程线图

5 结语

综上分析，大别山区河道类型复杂，要根据实际情况选择水位计。在周边环境适合建井或有测井的水文站，建议仍然采用测井加浮子式水位计；在边坡陡峭、建井不方便但有水工建筑物可依附，对防汛要求不高的河段，尽量使用雷达式水位计；对于建井困难、但周围易布设气管并且河滩相对较短（不超过100m）的河道，可以使用气泡式水位计