梁計(jì)和

摘 要：將HC.WQX10-1氣泡水位計(jì)作為前端傳感器，利用氣泡式水位計(jì)非接觸長(zhǎng)距離可轉(zhuǎn)彎探測(cè)氣管的優(yōu)點(diǎn)，將YCZ-2A-101作為遙測(cè)終端，構(gòu)建城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)站技術(shù)方案，以解決城市下沉隧道安裝內(nèi)澇監(jiān)測(cè)站的技術(shù)困難。這個(gè)方法效果理想，具有較好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：氣泡水位計(jì)；遙測(cè)終端；下沉隧道；城市內(nèi)澇

中圖分類號(hào)：P641.8；P335 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.022

現(xiàn)代大中城市高樓林立，車水馬龍，交通網(wǎng)密集，遇到特殊天氣，比如強(qiáng)降雨時(shí)，容易引發(fā)城市內(nèi)澇。住建部數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)62%的城市發(fā)生過內(nèi)澇，且頻率有上升趨勢(shì)。國(guó)家防總及各級(jí)三防部門對(duì)此非常重視，迫切組建城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，以減少人們的生命財(cái)產(chǎn)損失。在此方面，廣東省佛山水文分局已走在全省的前列，已建造成68個(gè)城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)站，基本上滿足佛山城市內(nèi)澇的監(jiān)測(cè)和預(yù)警要求。本文即在城市內(nèi)澇的監(jiān)測(cè)和預(yù)警建設(shè)過程中，將遇到的一些困難和解決問題的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來，以期為日后的工作提供參考。

佛山城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是在廣東省水雨情遙測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，啟用YCZ-2A-101遙測(cè)終端加報(bào)功能，在水雨情遙測(cè)系統(tǒng)接收平臺(tái)上創(chuàng)建的，而城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)站建設(shè)則是系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，所以，對(duì)其建設(shè)提出以下要求：①安裝地點(diǎn)選擇在有代表性的水浸低洼地帶；②安全、美觀且不影響行人和車輛的通行；③有太陽光照射，以利于供電系統(tǒng)工作；④有夠強(qiáng)的集群網(wǎng)信號(hào)且受到的干擾?。虎荼O(jiān)測(cè)可靠性要高、精度要高；⑥具有防盜功能。

對(duì)于有代表性的水浸黑點(diǎn)，將電子水尺作為前端傳感器，采用立桿式機(jī)箱安裝，效果理想可靠。但是，下沉隧道是城市內(nèi)澇最容易發(fā)生的地方，同時(shí)，這里也是發(fā)生內(nèi)澇時(shí)最危險(xiǎn)的地方。下沉隧道車多、路肩窄、沒有太陽能、通信信號(hào)不好，在隧道的上層立桿安裝遙測(cè)終端設(shè)備，使用HC.WQX10-1氣泡式水位計(jì)，利用測(cè)量氣管可延長(zhǎng)、可轉(zhuǎn)彎的特點(diǎn)，把氣室安裝在隧道水浸的最低處，很好地解決了下沉隧道內(nèi)澇監(jiān)測(cè)和安裝時(shí)的技術(shù)困難。

1 儀器工作原理和主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 氣泡水位計(jì)工作原理

氣泡水位計(jì)是一種非接觸式測(cè)量液位的傳感器，由氣室、氣泵、氣管、氣閥、壓力傳感器、RTU運(yùn)算控制部件和輸出部件組成，如圖1所示。

氣室安裝在距離液體的深度為H的地方，氣泵通過氣閥和氣管向氣室充氣，管內(nèi)氣體通過氣室排出，加電啟動(dòng)氣泵到一段時(shí)間氣泵停止充氣，經(jīng)過△T時(shí)間后，氣室和氣管的氣壓達(dá)到平衡。這時(shí)，氣室內(nèi)的氣壓壓強(qiáng)P等于當(dāng)時(shí)的大氣壓強(qiáng)P0和液體深度產(chǎn)生的壓強(qiáng)Ph之和，即P=P0+Ph，Ph=H×γ，H

通過鍵盤設(shè)置YCZ-2A-101遙測(cè)終端，設(shè)置WS=06，外設(shè)可掛HC.WQX10-1氣泡水位計(jì)功能，YCZ-2A-101終端機(jī)每隔5 min進(jìn)行一次采集操作。首先向HC.WQX10-1氣泡水位計(jì)供電，發(fā)出采集指令，HC.WQX10-1氣泡水位加電后，氣泵啟動(dòng)2 s通過氣管向氣室充氣，待管內(nèi)氣壓平衡后，測(cè)試氣管內(nèi)的氣壓和當(dāng)時(shí)的大氣壓，通過邏輯運(yùn)算轉(zhuǎn)換成液位高度，再經(jīng)RS485接口輸出給遙測(cè)終端機(jī)；遙測(cè)終端機(jī)的RTU采集到的是一個(gè)平均數(shù)據(jù)，這組數(shù)據(jù)是在5 min內(nèi)每隔2 s連續(xù)采集8次，去掉最大值和最小值，剩下中間6次的平均數(shù)，記下這組數(shù)據(jù)的采集時(shí)間和發(fā)送狀態(tài)，送到顯示屏上顯示，并按時(shí)間順序保存在NVRAM中。

通過鍵盤設(shè)置YCZ-2A-101遙測(cè)終端，即：①設(shè)置加報(bào)閾值JB=00000 cm；②設(shè)置加報(bào)升降變幅Y2=01 cm，Y1=01 cm。當(dāng)液浸深度同時(shí)滿足①②條件時(shí)，在5 min內(nèi)液位變幅值大于等于1 cm，YCZ-2A-101遙測(cè)終端把測(cè)量到的數(shù)據(jù)通過移動(dòng)集群網(wǎng)用GPRS報(bào)文格式向城市內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)中心發(fā)送數(shù)據(jù)，每隔5 min發(fā)1次，每次傳1組數(shù)據(jù)，以滿足城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警對(duì)及時(shí)性的要求；當(dāng)水浸深度不滿足①②條件時(shí)，5 min內(nèi)液位變幅值小于1 cm，YCZ-2A-101遙測(cè)終端把測(cè)量到的數(shù)據(jù)通過移動(dòng)集群網(wǎng)用GPRS報(bào)文格式向城市內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)中心發(fā)送，每隔1 h發(fā)1次，每次傳12組數(shù)據(jù)，以達(dá)到省電省費(fèi)效果。城市內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)中心收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)入庫，由自動(dòng)程序加工處理。

1.3 儀器主要技術(shù)指標(biāo)

1.3.1 HC.WQX10-1主要技術(shù)指標(biāo)

HC.WQX10-1的體積為168 mm×101 mm×51 mm，量程為0～3 m，供電電壓為8～16 VDC，靜態(tài)值守電流小于等于0.6 mA（12 V），平均工作電流小于等于10 mA（12 V），分辨率為1 mm，測(cè)量精度為±3 mm，工作方式為壓觸式/定時(shí)式，通訊接口為RS485/4～20 mA，無測(cè)量盲區(qū)，氣管長(zhǎng)度為0～500 m，測(cè)管規(guī)格為8 mm，壓縮機(jī)類型為微型活塞圓筒壓縮機(jī)。

1.3.2 YCZ-2A-101遙測(cè)終端主要技指標(biāo)

YCZ-2A-101遙測(cè)終端的輸入電壓為10～30 VDC；值守電流小于1.5 mA；工作電流小于15 mA（不含通信）；通訊接口有3個(gè)RS232C，1個(gè)RS485接口；傳感接口為增量口、并行口、串行口、頻率口和模擬量口；平均無故障時(shí)間MTBF大于等于1 000 000 h；通訊模塊為GPRS模塊；支持2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)；協(xié)議支持TCP/IP、AT指令集、SMS。

2 氣泡水位計(jì)應(yīng)用前誤差分析

由相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，影響氣泡水位計(jì)精度的因素有2個(gè)，即氣管長(zhǎng)度和水體含沙量。為此，將氣泡水位計(jì)安裝在內(nèi)澇監(jiān)測(cè)站前，在馬口水文站開展了誤差分析，擬在掌握氣泡水位計(jì)誤差規(guī)律后解決在下沉式隧道安裝的技術(shù)難題。

2.1 氣管長(zhǎng)度對(duì)精度的影響

HC.WQX10-1按定時(shí)充氣方式工作，氣泵開啟時(shí)定時(shí)向氣管和氣室充氣，氣室內(nèi)氣壓變化經(jīng)歷由脈動(dòng)到平穩(wěn)的過程，氣管越長(zhǎng)，管內(nèi)氣壓從脈動(dòng)變平穩(wěn)所需的時(shí)間越長(zhǎng)，氣室內(nèi)壓力變化曲線如圖3所示。

t0—?dú)獗孟驓夤芎蜌馐页錃鈺r(shí)刻；t1—?dú)獗猛Ｖ箷r(shí)刻；t2—停泵后，氣管和氣室的氣壓趨于穩(wěn)定RTU取樣時(shí)刻

由圖3可知，當(dāng)t2一定時(shí)，不同長(zhǎng)度趨于穩(wěn)定時(shí)的P值是有所差別的，氣管越長(zhǎng)，P值的誤差越大。根據(jù)內(nèi)澇監(jiān)測(cè)站不是經(jīng)常有水浸地方的特點(diǎn)，將HC.WQX10-1氣泡水位計(jì)裝在有潮漲潮落的馬口水文站同一個(gè)自記井內(nèi)，與WFH-2浮子水位計(jì)進(jìn)行比較試驗(yàn)。

先用50 m氣管作試驗(yàn)，測(cè)得2016-10-30這24 h的水位數(shù)據(jù)，具體如圖4所示，同時(shí)，記錄WFH-2浮子水位計(jì)測(cè)得的水位過程，如圖5所示。

將氣管長(zhǎng)度增加到150 m，其他條件不變時(shí)，測(cè)得2016-11-08這24 h的水位過程線如圖6所示，記錄WFH-2浮子水位計(jì)測(cè)得的水位過程如圖7所示。

圖4是50 m氣管生成的水位過程線圖，從2016-10-30T0：00—2016-10-31T0：00時(shí)間段，從數(shù)據(jù)庫中讀出圖4、圖5對(duì)應(yīng)的水位值，每隔5 min1個(gè)水位數(shù)據(jù)，共289個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)。圖6是150 m氣管生成的水位過程線圖，從2016-11-08T0：00—2016-11-08T0：00，從數(shù)據(jù)庫中讀出圖6、圖7對(duì)應(yīng)的水位值，每隔5 min1個(gè)水位數(shù)據(jù)，共289個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，生成統(tǒng)計(jì)表，具體如表1所示。

從遙測(cè)數(shù)據(jù)庫水位過程線中可以看出，用50 m氣管測(cè)試氣泡水位計(jì)HC.WQX10-1測(cè)得的水位過程線和用機(jī)械量程式WFH-2水位計(jì)測(cè)得的水位過程線一樣平滑。用150 m氣管測(cè)試氣泡水位計(jì)時(shí)，HC.WQX10-1測(cè)得的水位過程線和用機(jī)械量程式WFH-2水位測(cè)得的水位過程線平滑度差別比較大，WFH-2水位計(jì)測(cè)得的水位過程線比較平滑，HC.WQX10-1測(cè)得的水位過程線不平滑，有尖鋒跳動(dòng)。

表1數(shù)據(jù)分析差值分布表明，用50 m氣管時(shí)，水位差值小、誤差分布集中，只有正誤差，最大差值為0.02 m，系統(tǒng)誤差為0.01 m，誤差可控；用150 m氣管測(cè)試時(shí)，最大誤差為-0.03 m，誤差有正值和負(fù)值，分布分散，誤差值偏大，誤差不可控。以此推算，當(dāng)氣泡水位計(jì)氣管變長(zhǎng)時(shí)，氣泡水位計(jì)的誤差會(huì)增加，氣管長(zhǎng)度每增加100 m，誤差增加0.01 m，且誤差不穩(wěn)定。

2.2 含沙量對(duì)氣泡水位計(jì)精度的影響

水體中含沙量及其變化直接影響到氣泡水位計(jì)的水位測(cè)量誤差。對(duì)于極細(xì)微粒徑的泥沙，可將其視作可溶性物質(zhì)，而泥沙含量會(huì)改變水體容量，測(cè)得的靜水壓力也會(huì)發(fā)生變化。含沙量對(duì)靜水壓力影響可用式（1）表示，即：

Ps=Hγ+0.000 62Cs·Hγ. （1）

式（1）中：Ps為靜水壓強(qiáng)；H為氣室入水深度；γ為水體密度；Cs為含沙量。

近10年來，馬口水文站的最大含沙量為0.890 kg/m?。一般情況下，內(nèi)澇水體含沙量不會(huì)超過此值，由此值計(jì)算出對(duì)Ps影響小于0.01%.當(dāng)含沙量為0時(shí)，Ps=Hγ；當(dāng)含沙量相同時(shí)，深度越大，對(duì)Ps的影響越大；當(dāng)深度相同時(shí)，含沙量越大，對(duì)Ps的影響越大。

3 氣泡水位計(jì)安裝應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 華寶下沉隧道安裝內(nèi)澇監(jiān)測(cè)站應(yīng)用

廣東省佛山市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在路面上有68個(gè)水浸監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，64個(gè)路面上的水浸監(jiān)測(cè)站點(diǎn)采用立桿式電子水尺安裝。其中，有4個(gè)城市下沉隧道內(nèi)澇監(jiān)測(cè)站，即華寶隧道、季華立交、季華隧道、汾江隧道，由于路肩窄，沒有太陽光，通信差等原因，不能采用立桿式安裝。下沉隧道水浸的最低點(diǎn)處路肩寬0.5 m，排水溝0.4 m，到隧道出口處的距離分別是華寶隧道97 m、季華立交56 m、汾江隧道84 m、季華隧道94 m。根據(jù)這些特點(diǎn)，對(duì)于這4個(gè)隧道，采用HC.WQX10-1氣泡水位計(jì)作前端傳感器，YCZ-2A-101作終端機(jī)箱的安裝方式，先在隧道水浸的最低點(diǎn)處固定氣室，裝上長(zhǎng)度約100 m的氣管，氣管用PVC管套住，一路延伸到機(jī)箱處；機(jī)箱安立在隧道頂層安裝條件適合的地方，效果理想，很好地解決了在下沉隧道安裝城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)站的技術(shù)難題。佛山市禪城區(qū)華寶下沉隧道安裝內(nèi)澇監(jiān)測(cè)站的應(yīng)用實(shí)例如圖8所示，測(cè)試效果水浸過程如圖9所示。其他3站效果也很理想，這里不再贅述。

3.2 安裝內(nèi)澇站使用氣泡水位計(jì)體會(huì)與建議

經(jīng)過半年，將氣泡水位計(jì)安裝在內(nèi)澇監(jiān)測(cè)站使用，應(yīng)用效果理想，效益顯著，解決了在城市下沉隧道安裝內(nèi)澇監(jiān)測(cè)站的技術(shù)難題。在這項(xiàng)工作中，筆者有以下幾點(diǎn)體會(huì)和建議：①第三代氣泡水位計(jì)的精度高，具有免氣瓶、免測(cè)井、免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，利用氣管可轉(zhuǎn)彎的特點(diǎn)，在下沉隧道、地鐵隧道選用氣泡水位計(jì)監(jiān)測(cè)內(nèi)澇是理想的選擇。②安裝方便，將氣室固定在要監(jiān)測(cè)的地方，用PVC管將氣管一直套到終端機(jī)的位置，越短越好，一般在100 m左右為宜。③維護(hù)方便。當(dāng)氣泡水位計(jì)損壞時(shí)，只需換氣泡水位的主機(jī)，不需要更換氣管，測(cè)試簡(jiǎn)單。在內(nèi)澇應(yīng)用中，對(duì)于氣管氣密性測(cè)試，即將氣室端的氣管堵住，過了幾分鐘，水位快速上升到10 m，說明氣管沒漏氣。④防雷效果好。氣泡水位計(jì)伸長(zhǎng)探測(cè)的部分是氣管，沒有電子元件，不引雷。⑤氣泡水位計(jì)工作時(shí)要啟動(dòng)氣泵，它長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)發(fā)生機(jī)械磨損，與電子水尺相比，可靠性會(huì)低一點(diǎn)，但精度和可靠性仍然可控。

參考文獻(xiàn)

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