长江口常用水位仪器适用性研究

毛兴华，潘与佳

（1. 上海市水文总站，上海 200232；2. 上海市海洋环境监测预报中心，上海 200062）

长江口常用水位仪器适用性研究

毛兴华1，潘与佳2

（1. 上海市水文总站，上海 200232；2. 上海市海洋环境监测预报中心，上海 200062）

水位是水文测验中最基本也是最重要的观测项目之一，在长江口这样复杂多变的大型河口开展水位观测，仪器的可安装性、准确性和稳定性要求更高。对不同类型水位观测仪器的原理、性能、适用环境等进行分析评价，认为在长江口观测水位应首选浮子水位计，并以雷达水位计作为补充。实测资料表明，尽管雷达水位计存在偶然的不稳定现象，但配合后期数据处理，仍然是可靠、可行的。

长江口；常用仪器；水位仪器；浮子水位计；雷达水位计；适用性

0 引言

长江河口是我国最大的河口，长三角也是我国经济最为发达的地区之一。多年来，长江河口及邻近海域设置了众多监测站点，获得了大量资料，在涉水安全、水土资源、环境保护等方面发挥了显著的作用，也为长三角经济社会的发展做出了重大的贡献。

为进一步全面掌握长江河口的变化规律，优化监测站网布设和项目，上海市专门开展了相关规划工作，未来将在各个部门现有监测站点的基础上，通过优化调整，最终形成长江口“一网 47 站”的水文监测站网布局[1]。其中，近期将建设陈行、长兴岛、三甲港、没冒沙、高桥等 5 个近岸岛式或栈桥式水文站，并建设南汇嘴、顾园沙、北支口门、横沙东、九段沙等 5 个岛式水文站[2]。

长江口各要素的监测中，水位是水动力因素中最基本、重要的观测要素。但由于长江口自身条件的复杂性，对水位观测仪器有较高的要求。为此结合长江口实际，分析各类水位计在长江口的适用性，并以实测资料为基础，对雷达水位计的使用效果进行评价，为长江口水文监测站网建设中潮位仪器的选型提供参考。

1 常用水位仪器适用性分析

1.1 主要水位仪器原理与性能介绍

在河流、湖泊、海洋水位观测方面，常用仪器按照工作原理分，主要包括水尺，压力式、气泡式、超声波、雷达、浮子式水位计等 6 种类型。

1.1.1 水尺

水尺是较传统可靠的水位观测方法。通过安装符合 GB/T 50138—2010《水位观测标准》的水尺[3]，人工观察水面线在水尺上的刻度，可以获得观测时间的水位值。

用水尺观测水位，最大的优点是可靠性高，抗干扰能力强，能获得较为准确的水位数据。但存在以下不足之处：1）必须具备满足水尺安装的条件；2）安装的水尺必须在人眼或者望远镜等辅助观测设备的可视范围之内；3）水尺观测很难实时进行，尤其夜间观测困难；4）水尺观测的信息化难度较大。

随着现代水文观测设备和技术的发展，特别是水文信息化要求的不断提高，水尺观测水位应用日益减少，目前，水尺一般用于对其它水位观测仪器的校正。

20 世纪末 21 世纪初，电子水尺在国内投入应用。电子水尺是利用水的导电性，自上而下依次读取每个感应触点（即探针）的电导。在探测到探针和水面接触的位置时，探针间的电导会突变增大，从而确定水位值。电子水尺具有误差小、监控方便、稳定性好等优点[4-5]。但电子水尺对监测水体的电化学环境要求较高，一般用于工程和市政积水情况监测。对于长江口这样的水域，由于盐度变化大，泥沙含量较高，电子水尺容易淤积和损坏，并有可能因此出现伪数据，故障排查困难，维护工作量比较大，不适合广泛应用。

1.1.2 压力式水位计

压力式水位计是根据压力与水深成正比关系的静水压力原理，运用水压敏感集成元器件制作的水位监测仪器。当传感器固定在水下某一测点时，该测点以上水柱压力高度加上该点高程，即可间接地测出水位高低。压力式水位计的核心在于压力敏感集成元器件，此外，考虑到水温的变化会导致水体密度的微弱变化进而影响水位测量的精度，一般压力式水位计中都会内置温度传感器，以修正温度的影响。

压力式水位计具有精确度高、安装方便等特点，可广泛用于城市供排水、地下水、河道、水库、海洋等的水位监测，并可适应较小的安装空间。

由于压力式水位计是通过感应传感器上方水柱的压力反演水位的，而水柱的压力不但决定于水体的高度，还决定于水体的密度，而水体的密度又深受水温和杂质的影响。一般水文监测的水体都不是纯水，里面含有各种杂质，特别是天然河流和近岸海域，其中含有不同浓度的泥沙和盐分，含沙量和盐度越高，水体密度越大。因此，压力式水位计在测量水位时，准确性容易受水温、含沙量和盐度的影响，稳定性也不是很高。

1.1.3 气泡式水位计

气泡式水位计将空气通过过滤器过滤后，由气泵经单向阀压入储气罐中，储气罐中的气体分 2 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。当气泵停止吹气时，单向阀闭合，水下通气管口被气体封住，从而形成一个密闭的连接压力传感器和水下通气管口的空腔。当通气管道内的气体达到动态平衡时，水下通气管口的压力和压力控制单元的压力传感器所承受的压力相等，用此压力值减去大气压力值，即可得到测量水位值。

气泡式水位计具有安装简单，操作、组网灵活等特点，适合于在无水位井建设条件的水域观测水位。最新的气泡式水位计传感变送器采用了数据修正技术，保证了传感变送器高的精度、可靠性、智能化、性价比。

从基本原理讲，气泡式水位计和压力式水位计一样，都是通过测量仪器感应位置的静水压间接测得水位的。因此气泡式和压力式水位计的误差来源基本一致，准确性容易受水温、含沙量和盐度的影响，测量数据的稳定性不是很高，有时误差较大。

1.1.4 超声波水位计

超声波水位计是一种非接触、高可靠性、易安装维护的水位测量仪器。超声波换能器发出的高频超声波脉冲遇到水面后被反射，部分反射回波被换能器接收后转换成电信号。根据超声波脉冲从发射到接收的时间间隔和传播速度，即可精确算出超声波的传播路程，从而确定水位值。

超声波水位计采用非接触式测量，不受水体污染，不破坏水流结构，不需建造水位测井，因此适应面广且安装简便，能适用于江河、湖泊、水库、河口、渠道、船闸及各种水工建筑物的水位测量，特别适用于岸边无垂直面且水位变幅不大的水体水位观测。

但超声波水位计也有局限性。因为测量时是通过测量接收至发射的超声波的时间间隔计算超声波传播路程并推算水位值的，所以超声波的传播速度对测量精度有影响。超声波作为一种机械纵波，在空气中的传播速度受空气理化性质的影响，气压、温度、湿度和粉尘等杂质都影响速度。波浪对超声波水位计的准确性也有较大的影响，此外，如果水面有垃圾等漂浮物，也会影响准确性。

1.1.5 雷达水位计

雷达水位计是利用电磁波探测水位的电子设备，采用发射—反射—接收的工作模式。雷达水位计发射出的电磁波经水面发射后，再次被水位计接收，通过计算电磁波的传播距离即可精确确定水位值。

雷达水位计采用非接触式的测量方式，具有测量精度高，抗干扰能力强，不受温度、湿度、风力影响的特点。雷达水位计几乎能用于所有水体的水位测量，并可应用在高温、高压和腐蚀性很强的安装环境。

从原理上讲，雷达水位计和超声波水位计有相似之处，即都是通过发射并接收某一类型的波，利用时间差计算水位。二者差异之处在于雷达水位计发射的是电磁波，而超声波水位计发射的是超声波。由于电磁波的传播速度不太容易受外界因素如温度、湿度和空气中杂质等的影响，而超声波容易受外界因素的干扰，因此雷达水位计的抗干扰能力要强于超声波水位计。但雷达水位计一般也不安装在水位井中，波浪对它的准确性也有较大影响，此外水面漂浮物也会影响测量的准确性。

1.1.6 浮子式水位计

浮子式水位计以浮子感测水位变化。工作状态下浮子、平衡锤与悬索连接牢固，平衡锤起拉紧悬索和平衡作用，调整浮子的配重可以使浮子工作于正常吃水线上。在水位不变的情况下，浮子与平衡锤两边的力是平衡的。当水位上升时，浮子产生向上浮力，使平衡锤拉动悬索带动水位轮作顺时针方向旋转，水位编码器的显示读数增加；水位下降时，浮子下沉，拉动悬索带动水位轮逆时针方向旋转，水位编码器的显示器读数减小。

浮子式水位计一般都有内置数字通信接口，能以二线制方式远距离传输信息，在一对双绞线信号线上可以驱动或接收多台水位传感器，实现水位信息的实时无线传输。

浮子式水位计结构简单，性能稳定，维护简便，特别适合于岸坡稳定，河床冲淤不大，波涌严重的河段。浮子水位计需要安装在水位井中，如果水体泥沙含量高，容易淤积水位井而失效，需要定期对水位井进行清淤维护。

几种常用水位观测设备的性能对比如表 1 所示。

表 1 常用水位观测设备性能比较

1.2 水位观测仪器在长江口适用性分析

1.2.1 长江口基本情况介绍

长江是我国第一大河流，径流量和泥沙输送量都非常巨大。据大通水文站实测资料统计分析，三峡工程蓄水运用前多年平均径流量为 9 052 × 108m3，多年平均流量为 28 700 m3/s；三峡工程蓄水运用后年平均径流量为 8 120×108m3，年平均流量为25 730 m3/s；实测历年最大流量为 92 600 m3/s，历年最小流量为 4 620 m3/s，年内水量主要集中在汛期，占全年的 70.8%，年际间径流分布不均，以 1954 年13 600 ×108m3为最大，1928 年 6 310 ×108m3为最小。

长江平均每年输送 4.72×108t 泥沙，年平均含沙量为 0.530 kg/m3，输沙量年内分配不均，7—9 月输沙量占全年的 58%，12 月—次年 3 月仅占 4.2%，7 月平均输沙率达 39.60 t/s，1 月仅 1.14 t/s。历年最大含沙量为 3.240 kg/m3，最小含沙量为 0.016 kg/m3。

长江口受外海潮波影响，潮位变幅较大。以吴淞水文站为例，多年平均高潮位为 3.25 m，多年平均低潮位为 1.02 m，历年最高高潮位为 5.99 m，历年最低低潮位为 -0.25 m。波浪方面，长江口水面开阔，波浪作用较强，其中高桥站多年平均波高为0.35 m。

1.2.2 水位观测仪器适用性评价

从长江口基本情况可以看出，长江口是一个多水多沙，水沙季节变化大，潮差较大且有明显波浪影响的复杂河口。在选择水位观测仪器时，必须综合考虑每个站的自然地理条件和各类仪器的性能，从安装的便利性、测量的准确性、运行的稳定性、维护的简便性和数据的可传输性等角度出发，选出最合适的观测仪器。

水尺包括电子水尺，由于其自身的局限性，无法满足长江口潮水位自动化观测的要求。长江口含沙量高且季节变化大，压力式和气泡式水位计的准确性及稳定性容易受到影响，适用性不强。此外，长江口四季分明，早中晚气温变化大，湿度变化也大，因此超声波水位计的应用也会受到限制。非接触式水位仪器中，只有雷达水位计受干扰的因素较少，只要水面没有漂浮物或者船舶停靠，其准确性和稳定性还是比较高的。从全国各地的应用情况看，雷达水位计在长江数字航道水位测量[6]、黄河流域水位监测[7-8]、水情监测[9]等方面得到了广泛应用。当然，只要满足建设水位井的条件并且冲淤稳定，应该首选浮子式水位计，因为浮子式水位计最稳定可靠，很少受外界包括波浪的干扰。

因此，在长江口水文站水位观测仪器选型中，应首选浮子式水位计；不满足建设水位井要求的站点，可优选雷达水位计作为补充。

2 水位实测资料分析

浮子式水位计由于有较高的准确性，较强的稳定性、抗干扰性和易维护性，在全国各地包括长江口的水文站都得到了广泛应用，特别是在防汛遥测站网的建设上，应用较多。

为了验证在长江口复杂多变的广阔水域，使用雷达水位计的效果，利用相关部门 2017 年 1—5 月在长江口某水文站的实测资料，分析了浮子式和雷达水位计的实际应用效果。两者的比测结果分别如表 2 和图 1 所示。

结果表明，当二者在调试完成并稳定运行之后，所测水位值很接近，不论是大、中、小潮，也不论落潮期还是涨潮期，均表现为雷达水位计观测值略高于浮子式水位计观测值。在全部 20 000 多对实测数据之中，二者的水位差最大为 9 cm，最小为1 cm，平均为 4 cm。其中，同时刻观测值之差超出5 cm 的数据个数占全部数据个数的 10.91%，超出6 cm 的数据个数占全部数据个数的 1.04%，超出7 cm 的数据个数仅占全部数据个数的 0.05%。这说明，雷达水位计观测结果与浮子式水位计观测结果之间仅存在系统误差，误差约为 4 cm。这种误差在实际应用当中可以通过数据修正得以消除。

表 2 长江口某水文站雷达水位计和浮子水位计比测统计

图 1 长江口某水文站雷达和浮子式水位计水位变化过程

不过，雷达水位计在观测过程中，存在偶然的不稳定现象。当水面有漂浮物等垃圾，或者有船舶停靠和驶过时，容易导致水位数据出现异常，产生奇异值。针对这种情况，在资料整编和应用过程中，应针对出现的极大值或者极小值进行鉴别分析，特别对于超历史最高或最低水位的极值，应慎重把握真实性。由于雷达水位计可以做到 1 min 测得1 个水位值，可以通过水位过程线，检查其中突变数据的有效性。总的来讲，配合一定的技术手段，将雷达水位计用于长江口各监测站的水位观测，是可靠可行的。

3 结语

现代水文站网的建设，对监测仪器的准确性、稳定性、自动化和信息化等要求很高。随着技术的快速发展，新兴水文监测仪器在自动化和信息化技术方面基本上都能满足要求。但长江河口自然地理、水文、泥沙条件复杂，建站条件严苛，监测的准确性和过程的稳定性仍然是仪器选型方面的一个瓶颈问题。

在水位观测仪器选型中，应从长江口实际情况出发，本着实际应用的目的，在把握仪器原理和性能的基础上，通过现场试验和数据分析，科学客观地遴选。

长江口水位观测，应首选浮子式水位计，并以雷达水位计作为补充。尽管后者会存在偶然的不稳定现象，但如果配合后期数据处理，仍然是可靠可行的。

[1] 上海市水文总站. 长江口水文监测站网规划[R]. 上海：上海市水文总站，2012: 15-21.

[2] 上海市水文总站. 长江口水文监测站网项目建议书[R].上海：上海市水文总站，2014: 72-75.

[3] 中华人民共和国水利部. 水位观测标准：GB/T 50138—2010 [S]. 北京：中国计划出版社，2010: 8-13.

[4] 王恒斌，宋东旭，吴宝国，等. 电子水尺在潮位及波浪爬高监测中的应用[J]. 港工技术，2004 (6): 52-53.

[5] 王朝华，王占峰. 电子水尺在水文站中的应用[J]. 气象水文海洋仪器，2011 (2): 54-57.

[6] 冯能操，陈卫，罗维新. Vegapuls61 雷达水位计在长江数字航道水位测量中的应用[J]. 水运工程，2014 (11): 51-54.

[7] 马志刚，张玉胜，陈泉志. 雷达水位计在黄河中游测区的应用研究[J]. 科技经济导刊，2016 (27): 77-78.

[8] 王宝童. SEBAPLUS35 型雷达水位计在黄陵水文站比测分析及应用[J]. 陕西水利，2015 (4): 109-110.

[9] 许笠，王延乐，华小军. 雷达水位计在水情监测系统中的应用研究[J]. 人民长江，2014，45 (2): 74-77.

Research of water level instruments applicability in Yangtze River Estuary

MAO Xinghua1, PAN Yujia2
(1. Shanghai Hydrology Administration, Shanghai 200232, China; 2. Shanghai Marine Environment Monitoring and Forecasting Center, Shanghai 200062, China)

Water level is one of the most basic and important observation item in hydrologic survey. In the Yangtze River Estuary, the most complex and largest estuary, to carry out water level observation, the installation, accuracy and stability of instrument should be considered more. The paper analyzes the principle, performance and applicable environment of different types of water level instruments. On the basis, it is considered that float gauge should be preferred, and radar water level gauge should be used as a supplement in the Yangtze River Estuary. The measured data shows that although radar water level gauge has occasional instability, if late data processing is used, it is still reliable and feasible.

the Yangtze River Estuary; commonly used instrument; water level instruments; float gauge; radar water level gauge; applicability

P335

A

1674-9405(2017)04-0068-05

10.19364/j.1674-9405.2017.04.013

2017-06-14

上海市科委科研计划项目（16DZ1205401）

毛兴华（1973- ），男，甘肃民乐人，高级工程师，主要从事河口海岸水文分析、水环境评价等工作。