高寒地区冬季自动水位计的运行研究

石启中

(新疆伊犁河流域开发建设管理局 乌鲁木齐 830000)

浮子水位计由于运行稳定、精度较高、维护简单，目前在我国水利系统运用比较广泛。要建设庞大的水位观测井，浮子水位计放在井内工作。但在高寒地区冬季由于井内水面的结冰，浮子经常被冻在冰盖中无法正常运行。为打破传统建井思路，利用较小的投资保证冬季水位计的正常运行，笔者结合工程实例，阐述一些改造思路与同仁交流。

1 工程概况

新疆特克斯河地处北纬42°～44°之间，属于典型的融雪补给型河流，冬夏两季的流量相差10倍左右，由于河床下切，冬季小流量时，以前建设的水位井已不能进水，自动水位计不能正常使用。若按照最低水位对原有水位井进行改造，则水位井开挖深度较大，土建设施投资较大。即使井底挖深较大，但由于进水管与河道相通处不可能太深，冬季遇到低温天气，河道结冰，进水管就有可能被冻，导致水位计无法正常运行。因此，多年来该河上的水文站水位计冬季都拆除，由人工观测水位。随着该河段水库的建设，必须监测入库流量的变化，人工观测已不能满足要求，且人工观测必须凿开冰盖，既耗时又不安全，亟需改造传统的建井模式，确保冬季水文数据的正常采集。

2 设计思路

首先对水位井的设计，必须满足最低水位的要求，这就不能按照原先的地面建井思路，用引水管将河水引入观测井。必须将主井深入河中，使水位计直接处在主河道中，解决水位低时不能进水的问题。其次就是冬季防冻保温，必须用可靠的措施，确保在低温时主井内不结冰，浮子水位计能随着河水的涨落起伏变化。按照以上两条设计思路，通过多次试验，最终形成了一套符合冬季运行的水位观测井的建设方案，在该河流中取得了很好的效果。

3 工程应用实例

3.1 水位井的建设

根据河道地形条件，水位井用φ350钢管焊接成“├”形，要求“├”形竖向左半部分深入水中主河道中作为水位井，满足最低水位要求，内部安装浮子水位计。“├”形横向右半部分作为连接件，与固定在岸边的活动底座连接，底座处设计一个箱子，用来安装水位编码器，在“├”形横竖的连接处设置两个定滑轮(定滑轮为可拆卸式，便于浮子的安装)，通过定滑轮改变浮子钢丝绳的方向，由竖直变为水平方向，钢丝通过水平横管与岸上箱子内水位编码器转轮连接。竖管顶部设置可开启顶盖，用来拆装水位计浮子及日常的维护。底座由上下法兰连接，埋入地底的法兰固定，内置一根钢管作为转轴，钢管插入上部法兰连接件内，上部可以绕轴转动，水位计安装时可将主井转向岸边，待水位计安装完成主井转到河中后，两法兰用螺栓固定。结构原理如图1所示。

图1 结构原理

图2 浮子改造剖面

3.2 防冻改造

水位计由普通的浮子水位计改造而成，在浮子下部高度1/3处安装一圈圆形400W可干烧加热管，加热管距浮子外壁3cm。加热管用固定杆件与浮子下端突出的塑料长杆连接，保持其牢固，在外力作用下不变形。加热管安装后改变了原有的重锤与浮子的平衡系统，必须重新对浮子进行配重，取出浮子内配重块，逐渐增加重量，以恢复到原有浮子与重锤平衡时的浮子入水深度为准，保持浮子在水中的平衡。浮子改造剖面见图2。用220V交流电给加热管供电，加热管与电源线接头处严格密封，确保在水中不漏电，电源端安装微电脑定时开关，根据天气变化定时供电，启动加热管。

3.3 应用效果分析

自2009年按照以上思路改造后，该成果在特克斯河水文站得到了很好的应用，解决了冬季水位观测的难题，此项改造已经历了-20℃低温的考验，尽管低温时河道全面封冻，但由于加热管的存在，水位井内仍然流水畅通，浮子水位计真实地反应了河道水位。竖向水位井由于直径较小，受到的浮冰推力有限，在河道开河过程中虽然有浮冰的撞击但未受到影响。实际应用过程中可根据气温高低调整加热时间，减少耗电量。例如，运行中的经验为:气温在-15～20℃之间通常加热1h暂停1h，温度高于-15℃通常加热30min暂停1h，一般冬季4个月的电费在400元左右，用较小的投资解决了长期人工凿冰观测水位的历史。现场安装的水位井见图3。

图3 现场安装的水位井

3.4 注意事项

水位井尽量建在河床有陡坎且岸边能量测到最低水位的河段，竖井靠近岸边布置，减少河道主流、水中漂浮物、浮冰对竖井的冲击。该建井方案最好在冬季使用，汛期由于河流波浪较大，竖井直接插入河水中，井内水流扰动剧烈，水位计浮子频繁摆动，致使钢丝绳容易从滑轮上脱槽。

4 结语

该水位装置的研究改造和现场投入运行具有以下特点:设计简单，可靠性高;方便灵活，可以随时拆装，建设费用较低。冬季自动水位计运行正常，完全满足水位传输的需要。