陳立輝 ，許偉強(qiáng) ，何 青

（1.浙江工業(yè)大學(xué)，浙江 杭州 310032；2.浙江省水文局，浙江 杭州 310009）

0 引言

洋港水文站位于浙江省蘭溪市游埠鎮(zhèn)洋港村，主要承擔(dān)施測(cè)錢塘江上游衢江控制水位的任務(wù)，是衢江沿岸重要的水位監(jiān)測(cè)樞紐。洋港水文站的水位觀測(cè)設(shè)施主要由水位測(cè)井和水位臺(tái)組成，即通常所說的直井水位觀測(cè)，利用浮子與重錘在垂直測(cè)井中升降，進(jìn)行水位測(cè)量，技術(shù)成熟可靠。

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，衢江上游新建水電站截流發(fā)電和城市景觀需要而興建的橡皮壩的攔截，使得上游來水減少，又由于河道中的非法采砂情況日益猖獗使得洋港斷面被人為挖深，造成洋港斷面最低水位大幅度下降；另外由于水位臺(tái)附近雙馬道防洪堤壩的特殊性，致使以前使用較多、技術(shù)相對(duì)成熟的多種水位測(cè)量方式無法直接應(yīng)用到該水位站上，出現(xiàn)原先建設(shè)好的洋港水文站水位測(cè)井不能有效測(cè)量低水位的問題，需要探索適于測(cè)量該站水位的方案。

1 測(cè)量方案設(shè)計(jì)

為保證基礎(chǔ)水文資料的完整性，能有效地測(cè)量洋港斷面的低水位，按照現(xiàn)有技術(shù)主要有 2 種方案可以解決。

1.1 雙管浮子式水位測(cè)量法

雙管浮子式水位平衡裝置將直井觀測(cè)中浮子與平衡錘的垂向運(yùn)行改在 2 根斜管中進(jìn)行。當(dāng)浮子隨水面升降時(shí)，通過鋼索與導(dǎo)向輪使球型平衡錘作上下滾動(dòng)，并帶動(dòng)水位傳感器聯(lián)動(dòng)，根據(jù)水位斜井的傾角調(diào)整水位計(jì)的輪盤直徑就可以使水位傳感器準(zhǔn)確反映水位變化的量值。

水位計(jì)的輪盤直徑計(jì)算公式為 D斜= D直/sin α。式中：D斜為斜井觀測(cè)水位計(jì)的輪盤直徑；D直為直井觀測(cè)水位計(jì)的輪盤直徑；α 為斜井與水平面的傾角。

雙斜管浮子式水位平衡裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由 2 根并列的斜管（直徑≥250 mm，PVC 管）、滾動(dòng)式球型浮子（直徑為 210 mm）和平衡錘（直徑100 mm 的鐵球，不銹鋼鍍鋅）組成，要求浮子重量大于平衡球重量，一改以往平衡錘垂直升降的傳統(tǒng)模式，解決了斜井水位觀測(cè)中平衡錘的升降問題。其中滾動(dòng)式球型浮子和平衡錘結(jié)構(gòu)基本相同，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

雙管浮子式水位觀測(cè)方法主要技術(shù)指標(biāo)如下：遲滯誤差：≤2 cm；測(cè)量范圍：0～40 m。

雙管浮子式水位測(cè)量法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，安裝、調(diào)試、維護(hù)簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，解決了各類水庫(kù)及特殊河道水位觀測(cè)的難題。雙斜管浮子式水位平衡裝置已在浙江省小型水庫(kù)、河流水位自動(dòng)采集系統(tǒng)中得到應(yīng)用，效果比較理想。

圖1 雙斜管浮子式水位平衡裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 球型浮子及平衡錘結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 傳感器安裝示意圖

對(duì)于新建的水位站，該方案對(duì)可以有效地解決主測(cè)井不能測(cè)最低水位的問題。但由于洋港是雙馬道水位站，另該河道洪水沖擊時(shí)有發(fā)生，同時(shí)原來的主井將要廢棄，所以該方案不是最佳的測(cè)量方案。

1.2 混合式水位測(cè)量法

混合式水位測(cè)量法，是在原有主測(cè)井中機(jī)械式格雷碼水位傳感器的基礎(chǔ)上，在馬道外的 2 個(gè)低水位測(cè)井中使用電子水尺傳感器，單獨(dú)測(cè)量斷面的低水位，同時(shí)配以新型水文遙測(cè)數(shù)據(jù)終端實(shí)時(shí)處理計(jì)算 2 種傳感器的信息，得到當(dāng)前斷面水位數(shù)據(jù)，從而解決高低水位測(cè)量難以一體化的難題。該水位遙測(cè)方案可以克服眾多環(huán)境因素進(jìn)行水位遙測(cè)。具體設(shè)置如圖3 所示。

該方案中的電子水尺傳感器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）誤差取決于電極間距或分辨率，可以精確控制在 2 mm 或 1 cm；

2）無零點(diǎn)和溫度漂移；

3）不受水質(zhì)、波浪、雜草等影響；

4）無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，無銹蝕卡死現(xiàn)象；

5）不需建測(cè)井，系統(tǒng)投資??；

6）可以傾斜安裝，適合各種環(huán)境安裝，安裝方便；

7）水尺表面有刻度，可隨時(shí)進(jìn)行人工標(biāo)定或校準(zhǔn)；

8）功耗低，穩(wěn)定性好。

該方案的優(yōu)勢(shì)在于在低水位處安裝 1 種可以長(zhǎng)期浸泡分段安裝的傳感器，同時(shí)也利用了原有的主測(cè)井的水位傳感器，這種混合式水位測(cè)量方法可以使投資的成本降到最低，同時(shí)也不破壞原有的建筑結(jié)構(gòu)。

2 自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)組成及功能設(shè)計(jì)

利用混合式水位測(cè)量法，通過遙測(cè)數(shù)據(jù)終端機(jī)對(duì)前端采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、處理、顯示、發(fā)送、傳輸，從而構(gòu)成自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）。

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由遙測(cè)數(shù)據(jù)終端機(jī)[1]，YR-ADA 數(shù)據(jù)和格雷碼 2 適配器，機(jī)械格雷碼水位傳感器，電子水尺傳感器[2]等組成，系統(tǒng)組成如圖4 所示。

2.2 電子水尺的性能指標(biāo)

系統(tǒng)中使用的電子水尺的性能指標(biāo)如表1 所示。

2.3 數(shù)據(jù)的采集及傳輸

電子水尺采用 RS-485 通信方式和 Modbus-RTU通訊協(xié)議。YR-TS 適配器與電子水尺之間的通訊協(xié)議如下： 通訊協(xié)議采用波特率為 9600 bps，1 個(gè)起始位，8 個(gè)數(shù)據(jù)位，1 個(gè)停止位，低位先發(fā)送，無校驗(yàn)。在 RTU 模式中，新的信息總是從至少 3.5 個(gè)字符的靜默時(shí)間開始，緊接著傳送第 1 個(gè)域：地址域。整幀的信息必須以 1 個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸，如果信息結(jié)束前存在超過 1.5 個(gè)字符以上的間隔時(shí)間，則出錯(cuò)。

圖4 系統(tǒng)組成圖

表1 電子水尺性能指標(biāo)

1 幀信息的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如表2 所示。

表2 1幀信息的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)具體分析如下：

1）地址域。從機(jī)（目標(biāo)地址）的有效地址范圍為 0～247，0 為廣播地址，使用廣播地址時(shí)應(yīng)保證只接有 1 支傳感器，否則會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯(cuò)或硬件損壞。

2）功能域。有效編碼為 1～255。

3）數(shù)據(jù)域。數(shù)據(jù)域由多組這樣的數(shù)據(jù)構(gòu)成：2 個(gè)十六進(jìn)制數(shù)為 1 組，范圍在 00～FF 之間。

4）CRC 校驗(yàn)。CRC 生成后，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。

5）T1，T2，T3，T4 代表每個(gè)字節(jié)的傳輸時(shí)間長(zhǎng)度，共為 4 個(gè)字節(jié)傳輸延遲時(shí)間[3]。

Modbus-RTU 通訊協(xié)議命令功能如表3 所示。

表3 Modbus-RTU通訊協(xié)議命令功能一覽表

2.4 數(shù)據(jù)處理

YR-TS 適配器通過 RS-485 接口采用 Modbus-RTU 通訊協(xié)議，接收到電子水尺傳送過來的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢碼、解碼還原，得到測(cè)量數(shù)據(jù)后再根據(jù)實(shí)際銜接值整合成有效的水位數(shù)據(jù)。單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵代碼如下：

//////////////////////////////////////////////////////

// 水位數(shù)據(jù)采集及整合程序

/////////////////////////////////////////////////////

BYTE TL401_Detect(void)

{

TL401_f i rst_Detect(); //讀取 1 號(hào)電子水尺數(shù)據(jù)

TL401_sec_Detect(); //讀取 2 號(hào)電子水尺數(shù)據(jù)

Level_Detect(); //讀取雷碼水位計(jì)數(shù)據(jù)

if(uLevel1！ = 0xffff)

{

if(uLevel2！ = 0xffff)

{

if(uLevel3！ = 0xffff)

{

if (uLevel2＜=33){uLevel2=0; }//1 和 2 號(hào)電子水尺銜接值

else{uLevel2 = uLevel2-33;}

uLevel=uLevel1+uLevel2; //低水位電子水尺的整合數(shù)據(jù)

if(uLevel3＞=200){uLevel=uLevel3; }//但水位達(dá)到 2 m 時(shí)，啟動(dòng)主測(cè)井的數(shù)據(jù)

return OK;

}

else

{goto DETECT_FAILED;}

}

else

{goto DETECT_FAILED;}

}

else

{goto DETECT_FAILED;}

DETECT_FAILED:

uLevel=0xffff; //錯(cuò)誤標(biāo)示

return FAILED;

}

在上述數(shù)據(jù)采集中，由于電子水尺采用 RS-485通信，2 支電子水尺接在同一個(gè) 485 信道，所以根據(jù)上述的 Modbus-RTU 通訊協(xié)議，需要對(duì) 1 和 2 號(hào)電子水尺通過地址來區(qū)別，指令如下：1 號(hào)電子水尺指令 0103 0000 0001 840a；2 號(hào)電子水尺指令 0203 0000 0001 8439。

3 實(shí)際應(yīng)用

在浙江省蘭溪市水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)中，混合式水位測(cè)量系統(tǒng)于 2010 年 2 月建成，3 月調(diào)試完畢。經(jīng)過 1 年多的實(shí)踐，該系統(tǒng)運(yùn)行正常。尤其，在 2011年 6 月 16－20 日，錢塘江干流連續(xù)發(fā)生了 2 次流域性大洪水，及時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量，為各級(jí)防汛指揮決策提供了依據(jù)。

根據(jù)《浙江省水文固態(tài)存儲(chǔ)儀運(yùn)行使用管理規(guī)定》（浙水文【2010】第 59 號(hào)）的要求，“各月平均水（潮）位誤差不超過 ± 2 cm”[4]。對(duì)遙測(cè)站 1 年多的人工觀測(cè)和實(shí)時(shí)遙測(cè)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行逐日、逐月平均水位比對(duì)，月平均最大誤差 1 cm，月最高、最低水位最大誤差 1 cm，符合水文資料整編精度要求，滿足水位資料整編的要求。

對(duì)測(cè)站 2011 年 6 月 10—25 日人工水位觀測(cè)與本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐日水位對(duì)比，結(jié)果如表4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

混合式水位測(cè)量方案，采用在低水位處安裝電子水尺來測(cè)量因河床斷面變化，原有主測(cè)井的機(jī)械式格雷碼水位傳感器無法測(cè)量的低水位數(shù)據(jù)，通過遙測(cè)數(shù)據(jù)終端機(jī)自動(dòng)智能耦合多個(gè)水位傳感器采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析處理，有效應(yīng)對(duì)由于河道水位下降、堤壩加固加寬，以及河床斷面改變帶來的現(xiàn)有水位臺(tái)無法有效測(cè)量低水位的問題。這種測(cè)量方法豐富了低水位測(cè)量方法，為測(cè)量復(fù)雜斷面的水位提供了更多有效途徑。

表4 測(cè)站2011年6月10—25日人工、遙測(cè)逐日水位對(duì)比表m

電子水尺傳感器利用水體的導(dǎo)電性，間隔 1 cm放置 1 對(duì)感應(yīng)點(diǎn)，通過感應(yīng)點(diǎn)的導(dǎo)通與否來表示水位高低，一旦某個(gè)感應(yīng)點(diǎn)故障將導(dǎo)致整個(gè)傳感器失效。因此在實(shí)際使用中，電子水尺傳感器量程越短越有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。利用該方案來測(cè)量水位時(shí)，應(yīng)盡量避免大尺度使用電子水尺傳感器。

[1]浙江省水文局. 浙江省水情信息采集系統(tǒng)研究與應(yīng)用[R].杭州：浙江省水文局，2010: 128-132.

[2]浙江省水文局. 雙斜管浮子式水位平衡裝置：中國(guó)，CN2779358[P]. 國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局：2006-05-10.

[3]太原理工天成科技股份有限公司. TC401 感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器用戶手冊(cè)[R]. 太原：太原理工天成科技股份有限公司太原，2009: 6-8.

[4]浙江省水文局. 浙江省水文固態(tài)存儲(chǔ)儀運(yùn)行使用管理規(guī)定（浙水文【2010】第 59 號(hào)）[S]. 杭州：浙江省水文局，2010: 2-5.