水位观测仪器的选择与应用

王承飞

【摘要】水位值观测是一种最基本的水文实验项目，水位观测仪器的质量，性能直接关系到水文数据收集的质量结果，因此，选择水位观测设备的好坏直接关系到数据收集的连续性和质量结果的可靠性，对于水文技术的现代化具有十分重要的意义。

【关键词】水文仪器；水位计；声学水位计

一、前言

巢湖流域水位观测从护岸的混凝土墩直立式水尺观读、直立式木桩搪瓷水尺观读，后逐渐推广利用工程块石护坡稳定的条件修建斜坡式水位观测，后来又推广应用非接触气式（超声波）水位计，将水位观测向现代化迈进了一大步。巢湖水位观测存在的问题，在于非汛期小流量过程中，固定的自记水位计塔脱河情况普遍，仍需要最原始的水尺“直接”方式观测水位。因此，研究出一套适合大多数测量场所使用，并且造价低、施工方便的水位测量装置意义重大。根据这种需求，在巢湖流域水位测报系统建设中，研发“激光测距仪在巢湖水位站测量水位上应用的可行性”，这是一个需要研究和解决的课题。

二、几种水位观测仪器的使用情況

1、JY-10型水压式水位计

（1）仪器结构JY一10型水压式水位计是由长江水利委员会汉口水文总站研制生产的，长江口水文水资源勘测局徐六泾水文站于1983年购置了第一台水压式水位计，该仪器由压力传感器、气路系统、电路系统及记录设备等组成，是一种无测井自动记录水位的仪器。

（2）工作原理JY—l0型水压式水位计工作原理是应用静水压力的基本原理，由压力传感器测定感压管口处的压力（水深）变化以记录水位过程的记录仪器。用于测压的压力传感器为单一自动跟踪、自动补偿的重力平衡系统。

2、浮子式水位计

仪器结构杨林水位站于1985年底开始安装HcJ-1型日记水位计和SWY-20型月记水位计。两台均系浮子式水位观测仪器，是由重庆水文仪器厂研制生产的，仪器由浮筒、悬索、平衡锤、水位轮、记录笔、记录纸、石英钟及箱体组成。要求在具有防浪井设备或无 风浪的水面上使用。

工作原理浮子式水位计由浮筒感应水位变化带动水位轮旋转，浮筒和平衡锤用塑胶铜线连接悬挂在水位轮上，水位涨落使浮筒升降带动水位轮正反旋转。记录纸是装在记录滚筒外面的。

3、SSA1-1型声学水位计

（1）仪器结构1995年以后，祟头连兴港、六效、共青圩水位站相继换置了SSA1—1型声学水位计今年，徐六泾水位站也购置了这种型号的水位计，该仪器是由国家海洋局第三海洋研究所、厦门海天高新技术研究所研制的SSA1—1型声学水位计由超声波探头、温度传感器和测量仪表组成，采用非接触声学测量方法及软件捎波技术采集信号数据，适用于海洋、江河湖泊的水位测量。应当指出的是1995年购置的仪器只作了一阶温度补偿，2000年购置的仪器作了二阶温度补偿。因而更加准确

（2）工作原理SSA1—1声学水位计基于声学测距原理，通过安装在水面以上某个高程上的超声传感器（探头），将具有一定频率、功率和宽度的电脉冲信号转换成同频率的声脉冲波，定向朝水面发射，（超）声波在介质中（空气）以一定的速度传播，当声波束遇到不同密度的介质分界面（水面）时，又反射至超声传感器，再被转换成电脉冲信号，送徽处理器作相应处理最后把代表实际水位的数据传送给记录仪显示并存储。

三、巢湖流域人工水位观测现状

巢湖河段具有多处水位观测点。由于该河段巢湖水文变化复杂、测验条件困难，为适应巢湖条件，多年来经过不断探索和实践，巢湖水位观测技术，由直立木桩搪瓷水尺、混凝土墩水尺、工程护坡斜坡型水尺。

（1）以直立木桩搪瓷水尺为主的第一阶段：巢湖河段为宽、浅、散乱的游荡型河床，属于河网区主流摆动频繁，洪水期河床冲淤比较大，巢湖河道多为通航航道，受航运交通、上游来水漂浮物、下游潮汐众多影响导致水尺损坏冲失严重，严重影响水位观测的连续性，并因频繁补设水尺而增加了劳动强度。

（2）以建立混凝土墩水尺、工程护坡斜坡型水尺主的第二阶段：为克服直

立木桩搪瓷水尺易冲失的情况，根据工程稳定情况和河势稳定的情况下，在护岸设立了混凝土墩水尺、工程护坡斜坡型水尺。

（3）推广应用非接触超声波水位计阶段：针对巢湖使用直立木桩搪瓷水尺、混凝土墩水尺、工程护坡斜坡型水尺仍存在的问题。

四、激光测距仪测量巢湖水位的可行性

1、激光测距仪的测量水位装置工作原理

采用水准仪等测量仪器的水平调整方式，利用3、4个可调螺丝进行精确整平，使激光测距仪光线处于精确水平位置；然后利用经纬仪垂直角度测量原理对准水准基点上树立的标尺（基点高程H、水尺读数I），测出基点距仪器中心的长度L1和垂直角度α1，换算出测距仪水平光线高程H1；而后再将激光测距仪光线照准水边参照物（水面上浮子或水边固体物水边线）测量距离L2和垂直角度α2，换算出水位数值H2。本文设计的激光水位测量装置，其计算方法如下：

（1）计算测距仪水平光线高程H1

H1=L1*sinα1+H+I

（2）计算水位高程H2

H2=H1-L2*sinα2

2、实现水位测量的可行性主要条件

（1）参照物（水面上浮子或水边固体物水边线）的设计出于视力和安全原因，激光测距仪的光线不能对准彩色液体（水）或玻璃测量，解决这一问题的方法就是在水面上布置参照物（水面上浮子或水边固体物），要求必须上下活动自如，正确反应出水位变化，即在水面上设置一个由细钢丝绳链接的带有反光设置泡沫材质的固体结构或在水边稳定固体物用油漆刻制明显的反光标记。

（2）激光测距仪测水位装置的可维护性

激光测距仪测水位装置能否正常运行，可维护性是关键，在该装置中，能否对参照物（浮子或其他固体物）进行维护，是该装置能否用于工程实际的关键环节。正常运行时参照物应处于自由状态，当需要检修时，可使用一种专用的配套设计工具，使参照物能正确自如的反应水位变化情况。

3、应用激光测距仪观测巢湖水位的优点

在巢湖流域上应用激光测距仪观测水位对比现在使用的水位观测方法，具有如下优点：

（1）体积小巧，携带方便，能灵活应用于各个工程的水位观测中；

（2）不受河流变化的影响，增大了水位观测范围，给实现水位连续观测的奠定了坚实基础；

（3）可大幅缩短测量时间和大幅度的降低了各工程水位观测所需费用；

（4）200米范围内测量精度可以达到0.002米，且望远镜可以进行视度调节，可以进行更加精准的观察，大大提高了水位观测精度；

（5）可以测量高度，高差，光线距离，倾斜角度；

（6）多种测量模式：最近、最远和连续测量功能；

（7）可消除人为因素产生的测量误差；

（8）测量结果的保存、检索、统计处理变得简单易行。

结束语

通过以上对在巢湖工程水位观测点上应用激光测距仪观测水位方法的分析，该方法的研发和应用，将彻底克服现巢湖水位观测中出现的各种问题，可为国家防汛指挥系统、国家水调自动化系统水位观测提供一种新型的观测手段，也可广泛用于水库、湖泊、水电站等新建水位遥测站中，可以较低的工程费用实现水位连续观测的目的，其社会和经济效益意义重大，具有很好的推广使用价值。

参考文献：

[1]文鑫涛.强震前后地下水位频谱响应特征研究[D].中国地震局地震预测研究所，2014.

[2]罗戌.真空联合堆载预压法软基加固特性及地下水位变化研究[D].河海大学，2005.