(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局，重慶 400020)

堰塞湖水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，水位是最基本、最重要的監(jiān)測(cè)要素，是堰塞湖上下游水情預(yù)報(bào)、堰塞湖庫(kù)容量計(jì)算、堰塞湖潰壩分析、堰塞湖處置等的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，水位監(jiān)測(cè)常用的方法有人工設(shè)立水尺觀讀，采用無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀接測(cè)，采用壓阻式、浮子式和水泡壓力式水位自計(jì)儀，非接觸式水位計(jì)等幾種方法[1-3]。人工設(shè)立水尺觀讀方法簡(jiǎn)單、易行、有效，但當(dāng)堰塞湖泄流時(shí)，水位急速上漲對(duì)觀測(cè)人員帶來(lái)巨大安全隱患，水尺也極易被洪水沖毀。非接觸水位計(jì)包括聲波式、激光式、雷達(dá)式等。其中，超聲波水位計(jì)受大氣環(huán)境變化影響很大，測(cè)量精度和穩(wěn)定性較差；激光式水位計(jì)的測(cè)量精度理論上要優(yōu)于超聲波式，但水面需要反射板，適用性不強(qiáng)[3]；雷達(dá)式水位計(jì)在測(cè)量量程較大或水位變率較大時(shí)，存在分辨力不高、測(cè)量精度不高和穩(wěn)定性差等諸多問(wèn)題[3]，且雷達(dá)水位計(jì)在換能器表面距水面高差在0.5 m以內(nèi)、含沙量大于10 kg/s、換能器水面存在障礙物、波浪較大等情況，對(duì)水位測(cè)量產(chǎn)生較大誤差[2]。無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀性能可靠，在反射物具有一定反射能力條件下，反射信號(hào)穩(wěn)定，反射物材對(duì)測(cè)距的精度影響較小等優(yōu)勢(shì)[4-7]。依據(jù)白格堰塞湖特殊水情下的水位應(yīng)急監(jiān)測(cè)條件，在水位變幅率較小時(shí)采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，輔以人工觀讀水位方式。當(dāng)水位變幅率較大時(shí)，由于自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備靈敏度受限，而無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀具有測(cè)程較大、精度可靠等特性，是水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)水位接測(cè)的首選。但在水位快速變動(dòng)的河段，使用無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀觀測(cè)水位，激光信號(hào)從發(fā)射到接收需要一定時(shí)間，期間水位已變動(dòng)，致使水位與時(shí)間匹配性差，水位監(jiān)測(cè)成果可靠性差。再者無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀發(fā)射的激光信號(hào)為橫波，遇水體衰減嚴(yán)重，當(dāng)水位上漲淹沒(méi)無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀預(yù)先瞄準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)，致使無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀無(wú)反射信號(hào)。

在水位快速變動(dòng)條件下，創(chuàng)新性地提出了基于無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀的水位預(yù)判觀讀法，實(shí)現(xiàn)了特殊水情下的水位監(jiān)測(cè)的時(shí)效性、精確性、可靠性，為白格堰塞湖水情報(bào)汛、洪水演進(jìn)分析計(jì)算提供了可靠的水位資料，為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置、堰塞湖下游梯級(jí)水庫(kù)安全有效應(yīng)對(duì)，以及沿線地方政府組織人員安全轉(zhuǎn)移提供了科學(xué)的決策依據(jù)。白格堰塞湖水位應(yīng)急監(jiān)測(cè)通過(guò)多種途徑和方法，成功獲得超萬(wàn)年一遇洪水完整水位過(guò)程和寶貴的實(shí)測(cè)流量資料[8]。

1 白格堰塞湖水位監(jiān)測(cè)概況

表1 白格堰塞湖水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)各站點(diǎn)位置關(guān)系Tab.1 Location relationship of hydrological emergencymonitoring stations for Baige barrier lake mornitioning

圖1 葉巴灘監(jiān)測(cè)站與堰塞體位置關(guān)系示意Fig.1 Diagram of relationship between Yebatan monitoring station and barrier dam position

2 常規(guī)水位應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法

水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)環(huán)境一般都極為惡劣，應(yīng)急監(jiān)測(cè)應(yīng)遵循如下原則：簡(jiǎn)便、快速、安全、一定的精度[9-11]。目前水位應(yīng)急監(jiān)測(cè)常用的方法有人工觀讀、水位自記儀、免棱鏡全站儀接測(cè)等幾種方式[1]。人工觀讀水位較簡(jiǎn)單實(shí)用，應(yīng)急監(jiān)測(cè)時(shí)主要采用直立式水尺，測(cè)定各水尺零點(diǎn)高程，加上觀讀的數(shù)值，即為當(dāng)前水位值。

自記水位計(jì)根據(jù)其原理，可分為氣泡式水位計(jì)、浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)、超聲波水位計(jì)、電子水尺、激光水位計(jì)等。目前自記水位計(jì)多采用氣泡式水位計(jì)，其主要組成部分包括空氣過(guò)濾頭、氣泵、單向閥、壓力傳感器、連接氣管、微處理器等[8]。其工作原理根據(jù)通氣管道氣體達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，水下通氣管壓力與大氣壓差值，即為水體的凈壓力值，根據(jù)壓力即可測(cè)算水位值。對(duì)水位變幅率不大的水體，用氣泡式水位計(jì)可取得良好的效果，如波羅、梨園監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。但當(dāng)水位變幅率過(guò)大，根據(jù)氣泡式水位計(jì)工作原理，氣體傳導(dǎo)、數(shù)據(jù)處理需要一定時(shí)間，其靈敏度不足以反映水位變化，將產(chǎn)生較大誤差。

3 基于無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀水位預(yù)判監(jiān)測(cè)方法

2018年11月13日白格堰塞湖工程措施處置泄流后，堰塞湖出現(xiàn)最大過(guò)流流量31 000 m3/s，葉巴灘洪峰流量為28 300 m3/s，葉巴灘水電站設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，葉巴灘萬(wàn)年一遇的洪水為10 600 m3/s[12-13]。洪峰過(guò)境時(shí)，堰塞體下游約190 km的巴塘水文站最大流速達(dá)到10.3 m/s[13-14]。葉巴灘水位最大上漲率達(dá)到15.44 m/10 min，22.68 m/30 min[12]。水位監(jiān)測(cè)環(huán)境極其惡劣，人工設(shè)立水尺觀讀水位，人員安全隱患大，水尺極易被沖毀。氣泡式水位計(jì)因靈敏度、流速、量程等因素影響，誤差較大[13]。無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀通過(guò)發(fā)射、接收激光信號(hào)來(lái)獲取目標(biāo)位置信息，而激光為橫波，遇水體后能量衰減嚴(yán)重，水位上漲時(shí)，預(yù)先瞄準(zhǔn)水位待測(cè)點(diǎn)，如水邊的巖石，因水位過(guò)快上漲被淹沒(méi)，發(fā)射的激光能量極大衰減，無(wú)法獲取激光發(fā)射信號(hào)，致使無(wú)法測(cè)取水位數(shù)據(jù)。

3.1 無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀工作原理

無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀是激光技術(shù)與傳統(tǒng)全站儀技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，作業(yè)時(shí)不需要發(fā)射棱鏡或反射片即可實(shí)現(xiàn)測(cè)距、測(cè)角，達(dá)到測(cè)量被測(cè)目標(biāo)三維坐標(biāo)信息的功能。其工作原理為內(nèi)部集成光電測(cè)距模塊產(chǎn)生與全站儀水平軸同軸的紅外激光束，由于激光具有單色性好、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此具有良好的量測(cè)性能，其工作原理如圖2所示。

圖2 無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀工作原理Fig.2 Working principle of total station withoutcooperative target

無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀測(cè)距多為脈沖式測(cè)距，通過(guò)計(jì)算信號(hào)發(fā)射與接收信號(hào)時(shí)間差計(jì)算與被測(cè)目標(biāo)的距離，其測(cè)距計(jì)算式為

(1)

式中，S為測(cè)距儀中心至被測(cè)目標(biāo)距離，c為光速，t為信號(hào)發(fā)射與接收時(shí)間差。其測(cè)角原理同傳統(tǒng)全站儀，被測(cè)目標(biāo)三維坐標(biāo)解算原理見圖3。

圖3 無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀坐標(biāo)解算原理Fig.3 Principle of coordinate calculation of total stationwithout cooperative target

其三維坐標(biāo)解算為

采用套袋法，貯藏前稱取肉樣的質(zhì)量為M1，用細(xì)線吊起，外面加套一個(gè)食品級(jí)保鮮袋并封好袋口，肉樣不得與保鮮袋內(nèi)壁接觸，于貯藏條件下懸掛24h后，用濾紙吸取肉樣表面的水分后，稱重肉樣的質(zhì)量為M2，按照以下公式計(jì)算貯藏過(guò)程中的汁液損失率，每個(gè)處理測(cè)定3個(gè)平行樣品。

(2)

式中，α為水平角，β為垂直角。

3.2 水位預(yù)判監(jiān)測(cè)方法

無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀具有自動(dòng)化程度高、方便快捷的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于視野開闊、視線內(nèi)無(wú)遮擋、反射物體完全暴露的地方，無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀直接瞄準(zhǔn)被測(cè)物體即可輕松地獲取被測(cè)目標(biāo)的三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)單人測(cè)量模式；在無(wú)協(xié)作目標(biāo)測(cè)距中由于無(wú)需作業(yè)人員到達(dá)被測(cè)點(diǎn)立尺，降低了野外作業(yè)人員的工作強(qiáng)度和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高了工作效率[15]，在水文應(yīng)急搶險(xiǎn)中具有很好的適用性。

水位預(yù)判監(jiān)測(cè)方法為：當(dāng)水位快速上漲時(shí)，為避免水體淹沒(méi)待測(cè)水位點(diǎn)造成能量衰減，導(dǎo)致無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀不能接收信號(hào)的問(wèn)題，根據(jù)水位上漲率，預(yù)先選擇比當(dāng)前水位高出0.2～0.5 m處，鎖定全站儀豎盤進(jìn)行水位點(diǎn)觀測(cè)，其狀態(tài)如圖4(a)所示。保持全站儀鎖定豎盤狀態(tài)，利用全站儀望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)水位變化。當(dāng)水位上漲至十字絲所處位置，如圖4(b)所示，則發(fā)出指令至?xí)r間觀測(cè)人員記錄時(shí)間，則完成上漲時(shí)一次水位觀讀。當(dāng)水位快速下降時(shí)，則先觀測(cè)時(shí)間，其狀態(tài)如圖4(b)所示，然后觀測(cè)對(duì)應(yīng)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的水位值，如圖4(a)所示。如此觀測(cè)水位高程精度無(wú)損失，對(duì)應(yīng)水位時(shí)刻值正確，從而保證水位監(jiān)測(cè)成果的可靠性。

圖4 水位上漲時(shí)水位預(yù)判監(jiān)測(cè)法Fig.4 Predictive monitoring method of water levelwhen water level rises

3.3 白格堰塞湖葉巴灘水位觀測(cè)

葉巴灘水位站位于堰塞體下游60 km，水位上漲率高達(dá)1.54 m/min，人工設(shè)立水尺被沖毀，自動(dòng)水位測(cè)報(bào)失去反應(yīng)，無(wú)協(xié)作目標(biāo)電子全站儀信號(hào)不能接收[11]。河道水流速度高，上漲率極快，從事水文工作36 a，參加過(guò)唐家山堰塞湖、舟曲泥石流水文監(jiān)測(cè)的專家，時(shí)任長(zhǎng)江委水文局局長(zhǎng)王俊稱：這輩子第一次見[12]。

3.3.1 葉巴灘水位應(yīng)急監(jiān)測(cè)

水位是水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)最基礎(chǔ)資料，白格堰塞湖葉巴灘水位站水位監(jiān)測(cè)采用Topcon 7502無(wú)協(xié)作目標(biāo)電子全站儀，利用水位預(yù)判法實(shí)施水位快速變動(dòng)條件下的水位應(yīng)急監(jiān)測(cè)。Topcon 7502無(wú)協(xié)作目標(biāo)電子全站儀測(cè)距精度為(2±2 ppm)mm，測(cè)角精度為2″，無(wú)協(xié)作測(cè)程1 000 m，水位觀測(cè)結(jié)果見表2。

葉巴灘水位應(yīng)急監(jiān)測(cè)過(guò)程線見圖5。

3.3.2 水位監(jiān)測(cè)精度評(píng)定

利用恢復(fù)正常狀態(tài)水位自記儀與基于無(wú)協(xié)作目標(biāo)電子全站儀監(jiān)測(cè)水位成果進(jìn)行比較，評(píng)判水位監(jiān)測(cè)精度性、可靠性，比較結(jié)果見表3。通過(guò)表2可知，二者校差均小于10 cm，具有較高可靠性，較好的精度。

4 白格堰塞湖水位監(jiān)測(cè)

根據(jù)目前技術(shù)手段結(jié)合應(yīng)急監(jiān)測(cè)環(huán)境，白格堰塞

表2 葉巴灘水文站水位監(jiān)測(cè)成果

圖5 葉巴灘水文站水位過(guò)程線Fig.5 Water level process line ofYebatan Hydrological Station

日期時(shí)刻全站儀水位自計(jì)儀水位差值2018.11.1320:102759.802759.720.082018.11.1320:152759.492759.58-0.092018.11.1320:202759.122759.040.082018.11.1320:252758.722758.79-0.072018.11.1320:302758.492758.52-0.032018.11.1320:402757.612757.610.00

湖水位監(jiān)測(cè)主要采用人工設(shè)立水尺觀讀、氣泡式水位計(jì)、無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀觀讀水位等方法。水位應(yīng)急觀測(cè)布置原則如下。

(1) 水位觀測(cè)布置應(yīng)有一定冗余度。水位觀測(cè)范圍冗余：根據(jù)歷史水位資料、堰塞湖水位資料，充分考慮水位觀測(cè)范圍，各站點(diǎn)布置水位監(jiān)測(cè)值應(yīng)大于可能上漲水位。水位觀測(cè)方法冗余：應(yīng)采用多種方法進(jìn)行水位應(yīng)急監(jiān)測(cè)，以保證水位資料的完整可靠性。

(2) 堰塞湖潰壩后水體流速較大，人工設(shè)立水尺應(yīng)具有一定穩(wěn)固性，以免被水沖毀。其次應(yīng)充分考慮水位過(guò)快上漲時(shí)，觀測(cè)人員安全觀測(cè)及撤離措施。

(3) 水位上漲過(guò)快時(shí)，應(yīng)考慮氣泡式水位計(jì)靈敏度與適用范圍，應(yīng)做好與人工觀讀或無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀觀讀水位的校測(cè)。

(4) 無(wú)協(xié)作目標(biāo)全站儀觀讀水位應(yīng)綜合地質(zhì)條件穩(wěn)定性、人員安全、便于各級(jí)水位觀測(cè)等因素，設(shè)置一定監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)及輔點(diǎn)。

白格堰塞湖各站點(diǎn)水位觀測(cè)方法見表4。白格堰塞湖各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水位變化過(guò)程線見圖6。

表4 白格堰塞湖各站點(diǎn)水位監(jiān)測(cè)方法Tab.4 Water level monitoring methods for each station ofBaige barrier lake

圖6 白格堰塞湖各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水位過(guò)程線Fig.6 Water level process lines of monitoring stationsof Baige barrier lake

5 結(jié) 論

堰塞湖災(zāi)害處置時(shí)，水位是水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)的最基本、最重要的觀測(cè)要素。白格堰塞湖從形成到實(shí)施工程措施泄流潰壩后，采用多種水位監(jiān)測(cè)方法結(jié)合，收集到極端水情條件下完整水位監(jiān)測(cè)資料。堰塞湖經(jīng)自然溢流或工程措施發(fā)生泄流后，水位快速變動(dòng)，當(dāng)常規(guī)的水位監(jiān)測(cè)手段存在有數(shù)據(jù)無(wú)法獲取、作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)大等不足時(shí)，為精確可靠獲取水位快速變動(dòng)條件下的堰塞湖水位監(jiān)測(cè)成果，應(yīng)采用無(wú)協(xié)作目標(biāo)電子全站儀預(yù)判水位監(jiān)測(cè)方法。經(jīng)過(guò)白格堰塞湖應(yīng)急處理的水位監(jiān)測(cè)工作，得出如下結(jié)論。

(1) 采用無(wú)協(xié)作目標(biāo)電子全站儀，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離安全地帶進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)，保障作業(yè)人員安全。

(2) 利用預(yù)判法監(jiān)測(cè)水位，保證水位觀測(cè)值與時(shí)間一致性匹配，實(shí)現(xiàn)水位快速變動(dòng)條件下水位精確監(jiān)測(cè)。

(3) 利用無(wú)協(xié)作目標(biāo)電子全站儀可實(shí)現(xiàn)水位快速變動(dòng)條件下下水位可靠性監(jiān)測(cè)。取得的水位變化的過(guò)程線，為堰塞湖處置提供了可靠的水位資料，收集特殊水文條件下的水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)成果，豐富了水位應(yīng)急監(jiān)測(cè)手段。