毛興華，潘與佳

（1. 上海市水文總站，上海 200232；2. 上海市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心，上海 200062）

長(zhǎng)江口常用水位儀器適用性研究

毛興華1，潘與佳2

（1. 上海市水文總站，上海 200232；2. 上海市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心，上海 200062）

水位是水文測(cè)驗(yàn)中最基本也是最重要的觀測(cè)項(xiàng)目之一，在長(zhǎng)江口這樣復(fù)雜多變的大型河口開展水位觀測(cè)，儀器的可安裝性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性要求更高。對(duì)不同類型水位觀測(cè)儀器的原理、性能、適用環(huán)境等進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，認(rèn)為在長(zhǎng)江口觀測(cè)水位應(yīng)首選浮子水位計(jì)，并以雷達(dá)水位計(jì)作為補(bǔ)充。實(shí)測(cè)資料表明，盡管雷達(dá)水位計(jì)存在偶然的不穩(wěn)定現(xiàn)象，但配合后期數(shù)據(jù)處理，仍然是可靠、可行的。

長(zhǎng)江口；常用儀器；水位儀器；浮子水位計(jì)；雷達(dá)水位計(jì)；適用性

0 引言

長(zhǎng)江河口是我國最大的河口，長(zhǎng)三角也是我國經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的地區(qū)之一。多年來，長(zhǎng)江河口及鄰近海域設(shè)置了眾多監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，獲得了大量資料，在涉水安全、水土資源、環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮了顯著的作用，也為長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展做出了重大的貢獻(xiàn)。

為進(jìn)一步全面掌握長(zhǎng)江河口的變化規(guī)律，優(yōu)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)和項(xiàng)目，上海市專門開展了相關(guān)規(guī)劃工作，未來將在各個(gè)部門現(xiàn)有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化調(diào)整，最終形成長(zhǎng)江口“一網(wǎng) 47 站”的水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布局[1]。其中，近期將建設(shè)陳行、長(zhǎng)興島、三甲港、沒冒沙、高橋等 5 個(gè)近岸島式或棧橋式水文站，并建設(shè)南匯嘴、顧園沙、北支口門、橫沙東、九段沙等 5 個(gè)島式水文站[2]。

長(zhǎng)江口各要素的監(jiān)測(cè)中，水位是水動(dòng)力因素中最基本、重要的觀測(cè)要素。但由于長(zhǎng)江口自身?xiàng)l件的復(fù)雜性，對(duì)水位觀測(cè)儀器有較高的要求。為此結(jié)合長(zhǎng)江口實(shí)際，分析各類水位計(jì)在長(zhǎng)江口的適用性，并以實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，對(duì)雷達(dá)水位計(jì)的使用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，為長(zhǎng)江口水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)建設(shè)中潮位儀器的選型提供參考。

1 常用水位儀器適用性分析

1.1 主要水位儀器原理與性能介紹

在河流、湖泊、海洋水位觀測(cè)方面，常用儀器按照工作原理分，主要包括水尺，壓力式、氣泡式、超聲波、雷達(dá)、浮子式水位計(jì)等 6 種類型。

1.1.1 水尺

水尺是較傳統(tǒng)可靠的水位觀測(cè)方法。通過安裝符合 GB/T 50138—2010《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》的水尺[3]，人工觀察水面線在水尺上的刻度，可以獲得觀測(cè)時(shí)間的水位值。

用水尺觀測(cè)水位，最大的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，能獲得較為準(zhǔn)確的水位數(shù)據(jù)。但存在以下不足之處：1）必須具備滿足水尺安裝的條件；2）安裝的水尺必須在人眼或者望遠(yuǎn)鏡等輔助觀測(cè)設(shè)備的可視范圍之內(nèi)；3）水尺觀測(cè)很難實(shí)時(shí)進(jìn)行，尤其夜間觀測(cè)困難；4）水尺觀測(cè)的信息化難度較大。

隨著現(xiàn)代水文觀測(cè)設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展，特別是水文信息化要求的不斷提高，水尺觀測(cè)水位應(yīng)用日益減少，目前，水尺一般用于對(duì)其它水位觀測(cè)儀器的校正。

20 世紀(jì)末 21 世紀(jì)初，電子水尺在國內(nèi)投入應(yīng)用。電子水尺是利用水的導(dǎo)電性，自上而下依次讀取每個(gè)感應(yīng)觸點(diǎn)（即探針）的電導(dǎo)。在探測(cè)到探針和水面接觸的位置時(shí)，探針間的電導(dǎo)會(huì)突變?cè)龃?，從而確定水位值。電子水尺具有誤差小、監(jiān)控方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。但電子水尺對(duì)監(jiān)測(cè)水體的電化學(xué)環(huán)境要求較高，一般用于工程和市政積水情況監(jiān)測(cè)。對(duì)于長(zhǎng)江口這樣的水域，由于鹽度變化大，泥沙含量較高，電子水尺容易淤積和損壞，并有可能因此出現(xiàn)偽數(shù)據(jù)，故障排查困難，維護(hù)工作量比較大，不適合廣泛應(yīng)用。

1.1.2 壓力式水位計(jì)

壓力式水位計(jì)是根據(jù)壓力與水深成正比關(guān)系的靜水壓力原理，運(yùn)用水壓敏感集成元器件制作的水位監(jiān)測(cè)儀器。當(dāng)傳感器固定在水下某一測(cè)點(diǎn)時(shí)，該測(cè)點(diǎn)以上水柱壓力高度加上該點(diǎn)高程，即可間接地測(cè)出水位高低。壓力式水位計(jì)的核心在于壓力敏感集成元器件，此外，考慮到水溫的變化會(huì)導(dǎo)致水體密度的微弱變化進(jìn)而影響水位測(cè)量的精度，一般壓力式水位計(jì)中都會(huì)內(nèi)置溫度傳感器，以修正溫度的影響。

壓力式水位計(jì)具有精確度高、安裝方便等特點(diǎn)，可廣泛用于城市供排水、地下水、河道、水庫、海洋等的水位監(jiān)測(cè)，并可適應(yīng)較小的安裝空間。

由于壓力式水位計(jì)是通過感應(yīng)傳感器上方水柱的壓力反演水位的，而水柱的壓力不但決定于水體的高度，還決定于水體的密度，而水體的密度又深受水溫和雜質(zhì)的影響。一般水文監(jiān)測(cè)的水體都不是純水，里面含有各種雜質(zhì)，特別是天然河流和近岸海域，其中含有不同濃度的泥沙和鹽分，含沙量和鹽度越高，水體密度越大。因此，壓力式水位計(jì)在測(cè)量水位時(shí)，準(zhǔn)確性容易受水溫、含沙量和鹽度的影響，穩(wěn)定性也不是很高。

1.1.3 氣泡式水位計(jì)

氣泡式水位計(jì)將空氣通過過濾器過濾后，由氣泵經(jīng)單向閥壓入儲(chǔ)氣罐中，儲(chǔ)氣罐中的氣體分 2 路分別向壓力控制單元中的壓力傳感器和通入水下的通氣管中輸送。當(dāng)氣泵停止吹氣時(shí)，單向閥閉合，水下通氣管口被氣體封住，從而形成一個(gè)密閉的連接壓力傳感器和水下通氣管口的空腔。當(dāng)通氣管道內(nèi)的氣體達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，水下通氣管口的壓力和壓力控制單元的壓力傳感器所承受的壓力相等，用此壓力值減去大氣壓力值，即可得到測(cè)量水位值。

氣泡式水位計(jì)具有安裝簡(jiǎn)單，操作、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，適合于在無水位井建設(shè)條件的水域觀測(cè)水位。最新的氣泡式水位計(jì)傳感變送器采用了數(shù)據(jù)修正技術(shù)，保證了傳感變送器高的精度、可靠性、智能化、性價(jià)比。

從基本原理講，氣泡式水位計(jì)和壓力式水位計(jì)一樣，都是通過測(cè)量?jī)x器感應(yīng)位置的靜水壓間接測(cè)得水位的。因此氣泡式和壓力式水位計(jì)的誤差來源基本一致，準(zhǔn)確性容易受水溫、含沙量和鹽度的影響，測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性不是很高，有時(shí)誤差較大。

1.1.4 超聲波水位計(jì)

超聲波水位計(jì)是一種非接觸、高可靠性、易安裝維護(hù)的水位測(cè)量?jī)x器。超聲波換能器發(fā)出的高頻超聲波脈沖遇到水面后被反射，部分反射回波被換能器接收后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。根據(jù)超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔和傳播速度，即可精確算出超聲波的傳播路程，從而確定水位值。

超聲波水位計(jì)采用非接觸式測(cè)量，不受水體污染，不破壞水流結(jié)構(gòu)，不需建造水位測(cè)井，因此適應(yīng)面廣且安裝簡(jiǎn)便，能適用于江河、湖泊、水庫、河口、渠道、船閘及各種水工建筑物的水位測(cè)量，特別適用于岸邊無垂直面且水位變幅不大的水體水位觀測(cè)。

但超聲波水位計(jì)也有局限性。因?yàn)闇y(cè)量時(shí)是通過測(cè)量接收至發(fā)射的超聲波的時(shí)間間隔計(jì)算超聲波傳播路程并推算水位值的，所以超聲波的傳播速度對(duì)測(cè)量精度有影響。超聲波作為一種機(jī)械縱波，在空氣中的傳播速度受空氣理化性質(zhì)的影響，氣壓、溫度、濕度和粉塵等雜質(zhì)都影響速度。波浪對(duì)超聲波水位計(jì)的準(zhǔn)確性也有較大的影響，此外，如果水面有垃圾等漂浮物，也會(huì)影響準(zhǔn)確性。

1.1.5 雷達(dá)水位計(jì)

雷達(dá)水位計(jì)是利用電磁波探測(cè)水位的電子設(shè)備，采用發(fā)射—反射—接收的工作模式。雷達(dá)水位計(jì)發(fā)射出的電磁波經(jīng)水面發(fā)射后，再次被水位計(jì)接收，通過計(jì)算電磁波的傳播距離即可精確確定水位值。

雷達(dá)水位計(jì)采用非接觸式的測(cè)量方式，具有測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，不受溫度、濕度、風(fēng)力影響的特點(diǎn)。雷達(dá)水位計(jì)幾乎能用于所有水體的水位測(cè)量，并可應(yīng)用在高溫、高壓和腐蝕性很強(qiáng)的安裝環(huán)境。

從原理上講，雷達(dá)水位計(jì)和超聲波水位計(jì)有相似之處，即都是通過發(fā)射并接收某一類型的波，利用時(shí)間差計(jì)算水位。二者差異之處在于雷達(dá)水位計(jì)發(fā)射的是電磁波，而超聲波水位計(jì)發(fā)射的是超聲波。由于電磁波的傳播速度不太容易受外界因素如溫度、濕度和空氣中雜質(zhì)等的影響，而超聲波容易受外界因素的干擾，因此雷達(dá)水位計(jì)的抗干擾能力要強(qiáng)于超聲波水位計(jì)。但雷達(dá)水位計(jì)一般也不安裝在水位井中，波浪對(duì)它的準(zhǔn)確性也有較大影響，此外水面漂浮物也會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。

1.1.6 浮子式水位計(jì)

浮子式水位計(jì)以浮子感測(cè)水位變化。工作狀態(tài)下浮子、平衡錘與懸索連接牢固，平衡錘起拉緊懸索和平衡作用，調(diào)整浮子的配重可以使浮子工作于正常吃水線上。在水位不變的情況下，浮子與平衡錘兩邊的力是平衡的。當(dāng)水位上升時(shí)，浮子產(chǎn)生向上浮力，使平衡錘拉動(dòng)懸索帶動(dòng)水位輪作順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，水位編碼器的顯示讀數(shù)增加；水位下降時(shí)，浮子下沉，拉動(dòng)懸索帶動(dòng)水位輪逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，水位編碼器的顯示器讀數(shù)減小。

浮子式水位計(jì)一般都有內(nèi)置數(shù)字通信接口，能以二線制方式遠(yuǎn)距離傳輸信息，在一對(duì)雙絞線信號(hào)線上可以驅(qū)動(dòng)或接收多臺(tái)水位傳感器，實(shí)現(xiàn)水位信息的實(shí)時(shí)無線傳輸。

浮子式水位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，維護(hù)簡(jiǎn)便，特別適合于岸坡穩(wěn)定，河床沖淤不大，波涌嚴(yán)重的河段。浮子水位計(jì)需要安裝在水位井中，如果水體泥沙含量高，容易淤積水位井而失效，需要定期對(duì)水位井進(jìn)行清淤維護(hù)。

幾種常用水位觀測(cè)設(shè)備的性能對(duì)比如表 1 所示。

表 1 常用水位觀測(cè)設(shè)備性能比較

1.2 水位觀測(cè)儀器在長(zhǎng)江口適用性分析

1.2.1 長(zhǎng)江口基本情況介紹

長(zhǎng)江是我國第一大河流，徑流量和泥沙輸送量都非常巨大。據(jù)大通水文站實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析，三峽工程蓄水運(yùn)用前多年平均徑流量為 9 052 × 108m3，多年平均流量為 28 700 m3/s；三峽工程蓄水運(yùn)用后年平均徑流量為 8 120×108m3，年平均流量為25 730 m3/s；實(shí)測(cè)歷年最大流量為 92 600 m3/s，歷年最小流量為 4 620 m3/s，年內(nèi)水量主要集中在汛期，占全年的 70.8%，年際間徑流分布不均，以 1954 年13 600 ×108m3為最大，1928 年 6 310 ×108m3為最小。

長(zhǎng)江平均每年輸送 4.72×108t 泥沙，年平均含沙量為 0.530 kg/m3，輸沙量年內(nèi)分配不均，7—9 月輸沙量占全年的 58%，12 月—次年 3 月僅占 4.2%，7 月平均輸沙率達(dá) 39.60 t/s，1 月僅 1.14 t/s。歷年最大含沙量為 3.240 kg/m3，最小含沙量為 0.016 kg/m3。

長(zhǎng)江口受外海潮波影響，潮位變幅較大。以吳淞水文站為例，多年平均高潮位為 3.25 m，多年平均低潮位為 1.02 m，歷年最高高潮位為 5.99 m，歷年最低低潮位為 -0.25 m。波浪方面，長(zhǎng)江口水面開闊，波浪作用較強(qiáng)，其中高橋站多年平均波高為0.35 m。

1.2.2 水位觀測(cè)儀器適用性評(píng)價(jià)

從長(zhǎng)江口基本情況可以看出，長(zhǎng)江口是一個(gè)多水多沙，水沙季節(jié)變化大，潮差較大且有明顯波浪影響的復(fù)雜河口。在選擇水位觀測(cè)儀器時(shí)，必須綜合考慮每個(gè)站的自然地理?xiàng)l件和各類儀器的性能，從安裝的便利性、測(cè)量的準(zhǔn)確性、運(yùn)行的穩(wěn)定性、維護(hù)的簡(jiǎn)便性和數(shù)據(jù)的可傳輸性等角度出發(fā)，選出最合適的觀測(cè)儀器。

水尺包括電子水尺，由于其自身的局限性，無法滿足長(zhǎng)江口潮水位自動(dòng)化觀測(cè)的要求。長(zhǎng)江口含沙量高且季節(jié)變化大，壓力式和氣泡式水位計(jì)的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性容易受到影響，適用性不強(qiáng)。此外，長(zhǎng)江口四季分明，早中晚氣溫變化大，濕度變化也大，因此超聲波水位計(jì)的應(yīng)用也會(huì)受到限制。非接觸式水位儀器中，只有雷達(dá)水位計(jì)受干擾的因素較少，只要水面沒有漂浮物或者船舶停靠，其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性還是比較高的。從全國各地的應(yīng)用情況看，雷達(dá)水位計(jì)在長(zhǎng)江數(shù)字航道水位測(cè)量[6]、黃河流域水位監(jiān)測(cè)[7-8]、水情監(jiān)測(cè)[9]等方面得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)然，只要滿足建設(shè)水位井的條件并且沖淤穩(wěn)定，應(yīng)該首選浮子式水位計(jì)，因?yàn)楦∽邮剿挥?jì)最穩(wěn)定可靠，很少受外界包括波浪的干擾。

因此，在長(zhǎng)江口水文站水位觀測(cè)儀器選型中，應(yīng)首選浮子式水位計(jì)；不滿足建設(shè)水位井要求的站點(diǎn)，可優(yōu)選雷達(dá)水位計(jì)作為補(bǔ)充。

2 水位實(shí)測(cè)資料分析

浮子式水位計(jì)由于有較高的準(zhǔn)確性，較強(qiáng)的穩(wěn)定性、抗干擾性和易維護(hù)性，在全國各地包括長(zhǎng)江口的水文站都得到了廣泛應(yīng)用，特別是在防汛遙測(cè)站網(wǎng)的建設(shè)上，應(yīng)用較多。

為了驗(yàn)證在長(zhǎng)江口復(fù)雜多變的廣闊水域，使用雷達(dá)水位計(jì)的效果，利用相關(guān)部門 2017 年 1—5 月在長(zhǎng)江口某水文站的實(shí)測(cè)資料，分析了浮子式和雷達(dá)水位計(jì)的實(shí)際應(yīng)用效果。兩者的比測(cè)結(jié)果分別如表 2 和圖 1 所示。

結(jié)果表明，當(dāng)二者在調(diào)試完成并穩(wěn)定運(yùn)行之后，所測(cè)水位值很接近，不論是大、中、小潮，也不論落潮期還是漲潮期，均表現(xiàn)為雷達(dá)水位計(jì)觀測(cè)值略高于浮子式水位計(jì)觀測(cè)值。在全部 20 000 多對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之中，二者的水位差最大為 9 cm，最小為1 cm，平均為 4 cm。其中，同時(shí)刻觀測(cè)值之差超出5 cm 的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)占全部數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的 10.91%，超出6 cm 的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)占全部數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的 1.04%，超出7 cm 的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)僅占全部數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的 0.05%。這說明，雷達(dá)水位計(jì)觀測(cè)結(jié)果與浮子式水位計(jì)觀測(cè)結(jié)果之間僅存在系統(tǒng)誤差，誤差約為 4 cm。這種誤差在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中可以通過數(shù)據(jù)修正得以消除。

表 2 長(zhǎng)江口某水文站雷達(dá)水位計(jì)和浮子水位計(jì)比測(cè)統(tǒng)計(jì)

圖 1 長(zhǎng)江口某水文站雷達(dá)和浮子式水位計(jì)水位變化過程

不過，雷達(dá)水位計(jì)在觀測(cè)過程中，存在偶然的不穩(wěn)定現(xiàn)象。當(dāng)水面有漂浮物等垃圾，或者有船舶?？亢婉傔^時(shí)，容易導(dǎo)致水位數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，產(chǎn)生奇異值。針對(duì)這種情況，在資料整編和應(yīng)用過程中，應(yīng)針對(duì)出現(xiàn)的極大值或者極小值進(jìn)行鑒別分析，特別對(duì)于超歷史最高或最低水位的極值，應(yīng)慎重把握真實(shí)性。由于雷達(dá)水位計(jì)可以做到 1 min 測(cè)得1 個(gè)水位值，可以通過水位過程線，檢查其中突變數(shù)據(jù)的有效性?？偟膩碇v，配合一定的技術(shù)手段，將雷達(dá)水位計(jì)用于長(zhǎng)江口各監(jiān)測(cè)站的水位觀測(cè)，是可靠可行的。

3 結(jié)語

現(xiàn)代水文站網(wǎng)的建設(shè)，對(duì)監(jiān)測(cè)儀器的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、自動(dòng)化和信息化等要求很高。隨著技術(shù)的快速發(fā)展，新興水文監(jiān)測(cè)儀器在自動(dòng)化和信息化技術(shù)方面基本上都能滿足要求。但長(zhǎng)江河口自然地理、水文、泥沙條件復(fù)雜，建站條件嚴(yán)苛，監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和過程的穩(wěn)定性仍然是儀器選型方面的一個(gè)瓶頸問題。

在水位觀測(cè)儀器選型中，應(yīng)從長(zhǎng)江口實(shí)際情況出發(fā)，本著實(shí)際應(yīng)用的目的，在把握儀器原理和性能的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，科學(xué)客觀地遴選。

長(zhǎng)江口水位觀測(cè)，應(yīng)首選浮子式水位計(jì)，并以雷達(dá)水位計(jì)作為補(bǔ)充。盡管后者會(huì)存在偶然的不穩(wěn)定現(xiàn)象，但如果配合后期數(shù)據(jù)處理，仍然是可靠可行的。

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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

上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目（16DZ1205401）

毛興華（1973- ），男，甘肅民樂人，高級(jí)工程師，主要從事河口海岸水文分析、水環(huán)境評(píng)價(jià)等工作。