自记式水位观测仪器概述

黄慧慧，秦 红

(上海市青浦区水文勘测队，上海 201700)

水位是指河流或其他水体的自由水面相对于某一基面的高程。它是反应水体、水流变化的重要标志，是水文观测的基本要素。水位是防汛抗旱、规划设计、施工、水资源调度等工作的重要依据。规范、准确可靠连续的水位数据是水位观测的基本要求。水位观测最早采用人工记录及机械式水位计，随着科学技术的不断发展水位观测的技术不断发展。文章通过当前主要的几种水位监测设备性能的比较对水位观测设备的使用提出参考建议。

1 水位观测仪器设备及工作原理

水位观测仪器设备包括自记水位计和水位测针。自记水位计根据其工作原理可分为浮子式水位计、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。

浮子式水位计由浮子、重锤、测量盘、钢丝绳等组成，其主要利用杠杆原理让浮子随着水位变化而上下浮动，继而带动与浮子连接的钢丝绳、挂轮、转动轴及带动测量盘转动以达到与重锤的力学平衡。

压力式水位计根据压力与水深之间的关系，通过压力传感器测量水位，该类设备分为两类，一类为气泡式即通过向引压管中不断输气，用可自动调节的压力天平将水压力转换成机械转角量，从而带动传感设备。另一类为电测型，它应用固态压阻器件作传感器，可直接将水压力转变成电压模量或频率量输出，用导线传输至岸上进行处理和记录。

雷达水位计通过测算天线发射出的雷达脉冲经发射、反射到接收后的时间及雷达波长计算水位。

超声波水位计：超声波换能器向水面发射高频脉冲信号，脉冲信号在传播介质中传播后接触到水面并被反射随后被换能器接收，脉冲信号发射与接受时间差及脉冲信号在传播介质的传播速度可以计算出水位。根据传播介质不同超声波水位计可分为液介质和气介质两类。

电子水尺：利用水的微弱导电性原理,自下而上逐个探测感应元件的导电性，导电性突然变大的感应元件则为电子水尺与水面接触位置。

激光水位计通过从激光传感器发射出来的一束激光经反射板反射回到传感器中后两束激光的相位差计算得到实际水位。

2 水位观测相关标准规范制定情况

为了规范水位观测行为，国家自20世纪80年代后陆续出台了水位观测标准、仪器设备标准、检定规程等一系列标准规范(详见表1)。经过逐年更新增补，已形成了基本的水位观测标准体系，现行相关标准共19个。水位观测标准规范主要有：《水位观测标准》(GB/T 50138-2010)、《海滨观测规范》(GB/T 14914-2006)、水位测量仪器通用技术条件(GB/T 27993-2011)、水位计通用技术条件(SL/T 243-1999)、《水位观测平台技术标准》(SL 384-2007)。针对不同的仪器设备也出台相应的标准规范，从规范内容来看以浮子式水位计、压力式水位计出台的标准相对比较全面，基本涵盖了仪器设备标准、质量分等及检定规程；超声波水位计、电子水尺仅涉及到仪器设备产品基本标准；雷达水位计无相应标准规范。从标准规范出台时间来看，现行标准规范更新较缓慢，大部分标准出台时间超过5a以上，其中2个标准已出台超过20a，4个标准颁布时间已超15a。5个标准颁布时间已超过10a。

表1 水位监测标准规范

3 水位计安装维护分析

不同水位计由于监测原理不同，其设备安装方式也各不相同。

1)浮子式水位计适用安装于测井内，且无冰冻及无明显淤积河段，因为需要建设测井其建设成本相对比较高，维护须在仪器设备维护基础上增加测井的维护已保证测井稳固畅通。

2)压力式水位计分为气泡压力式水位计、压阻式水位计，他们都是通过支架将感应元件安装于最低水位以下，其设施要求相对较低，但气泡式水位计须在对设备维护的基础上对气路进行维护并进行额外的校准工作。

3)雷达式水位计通过支架将设备安装于岸上，维护相对比较方便，但要求安装时仪器设备与被测水面呈垂直状态，仪器与水面之间不能有遮挡，雷达发射口距岸边距离须大于雷达反射面的波束半径[1]。

4)液介质超声波水位计通过支架将感应元件安装于水面以下，设施要求相对比较低但维护须对困难；气介质超声波水位计通过支架将设备安装于岸上，因为仪器设备均位于岸上维护相对液介质超声波水位计方便。

5)电子水尺直接将设备安装于支架或河道护岸或提防处，可以倾斜安装。

6)激光式水位计通过支架将反射板安装于水面上，维护时须对反射板进行维护。

4 仪器使用影响因子

水位计按照监测原理可分为接触式和非接触式两大类，水位计监测原理不同所受到的影响因子也不同，下文就不同水位计从机械磨损影响、传感器姿态影响、漂移误差等24项进行分析得出各水位计的主要影响因子(详见表2)。

表2 水位监测仪器影响因素汇总表

1)浮子式水位计是当前广泛用于水文监测中的水位计，其主要受到机械磨损、水体冰冻、井筒淤塞、水位突变等8个因子的影响。

2)气泡压力式主要受盐度、温度、含沙量、机械磨损、电磁感应等影响，同时垃圾堆积、水流、水位突变等也会给气泡压力式水位计带来观测误差；压阻压力式水位计与气泡式水位计一样主要受盐度、温度、含沙量、机械磨损、电磁感应等影响，但其输出时滞不明显，另外大气压力对压阻压力式水位计影响较大。

3)雷达水位计传感器姿态影响、漂移误差水体冰冻影响、水面漂浮物影响、水位突变影响、雷电影响、电磁干扰影响、非固定尺长误差。

4)超声波水位计受设备姿态、雷电、电磁感应、水位突变、非固定尺长、温湿度等的影响，除此以外液介质超声波会受到输出时滞、盐度、水温、水体污染、人为破坏、垃圾等的影响，气介质超声波还受到漂移误差、暴雨、浮尘雾霾、水体冰冻影响等影响。

5)电子水尺受到输出迟滞、暴雨、水体冰冻、水体污染、水生生物、水面漂浮物、水体含沙量变化、水流条件、水位突变、雷电、电磁干扰、船只撞击、人为破坏、温湿度及垃圾等14个因素的影响。

6)激光式水位计主要受暴雨、浮尘雾霾、水面漂浮物、雷电、人为破坏等8个因素的影响。

5 结 语

从仪器误差分析及标准规范制定情况来看，在不考虑建设及维护成本下，浮子式水位计精确度相对较高，维护也较方便在我国的使用范围最广，其广泛用于地表水、地下水、海水等监测；气泡压力式主要用于水体污染严重地区或腐蚀性较强的工业水监测，近年也在水位变幅较缓、泥沙含量较低、漫滩较长的的河道有一定使用；压阻压力式水位计主要用于不方便建水位井的区域；超声波水位计、雷达水位计、激光水位计都是非接触式传感器多用于工业试剂存储的液位监测，在地表水监测中适用于在风浪较小、无水面泡沫及漂浮物的地方建设，超声波水位计不适用于地表水监测，而雷达水位计在黄河等多沙河道及部分水情自动测报系统中得到应用，但整体使用率较低；电子水尺但近年来其在城市道路积水监测、灌区等水位变幅较小的场合中得到应用。自计式水位计作为水位测量的主要仪器，其精度会随着工业技术和信息技术的发展而不断提高，但作为监测的技术依据的标准的制定和更新远远不能满足技术发展的速度，因此建议管理部门加快标准规范的更新，进一步促进水位观测工作发展[2]。

[1]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(02):74-77.

[2]陈卫 ， 冯能操 ， 罗维新，等.HS-40气泡压力式水位计在长江数字航道水位监测中的应用[J].水运工程,2014(11) :64-68