HC.WQX—气泡水位计在城市内涝监测应用浅析

梁计和

摘 要：将HC.WQX10-1气泡水位计作为前端传感器，利用气泡式水位计非接触长距离可转弯探测气管的优点，将YCZ-2A-101作为遥测终端，构建城市内涝监测站技术方案，以解决城市下沉隧道安装内涝监测站的技术困难。这个方法效果理想，具有较好的推广和应用价值。

关键词：气泡水位计；遥测终端；下沉隧道；城市内涝

中图分类号：P641.8；P335 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.022

现代大中城市高楼林立，车水马龙，交通网密集，遇到特殊天气，比如强降雨时，容易引发城市内涝。住建部数据显示，全国62%的城市发生过内涝，且频率有上升趋势。国家防总及各级三防部门对此非常重视，迫切组建城市内涝监测预警系统，以减少人们的生命财产损失。在此方面，广东省佛山水文分局已走在全省的前列，已建造成68个城市内涝监测站，基本上满足佛山城市内涝的监测和预警要求。本文即在城市内涝的监测和预警建设过程中，将遇到的一些困难和解决问题的经验总结出来，以期为日后的工作提供参考。

佛山城市内涝监测预警系统是在广东省水雨情遥测系统应用的基础上，启用YCZ-2A-101遥测终端加报功能，在水雨情遥测系统接收平台上创建的，而城市内涝监测站建设则是系统建设的关键技术之一，所以，对其建设提出以下要求：①安装地点选择在有代表性的水浸低洼地带；②安全、美观且不影响行人和车辆的通行；③有太阳光照射，以利于供电系统工作；④有够强的集群网信号且受到的干扰小；⑤监测可靠性要高、精度要高；⑥具有防盗功能。

对于有代表性的水浸黑点，将电子水尺作为前端传感器，采用立杆式机箱安装，效果理想可靠。但是，下沉隧道是城市内涝最容易发生的地方，同时，这里也是发生内涝时最危险的地方。下沉隧道车多、路肩窄、没有太阳能、通信信号不好，在隧道的上层立杆安装遥测终端设备，使用HC.WQX10-1气泡式水位计，利用测量气管可延长、可转弯的特点，把气室安装在隧道水浸的最低处，很好地解决了下沉隧道内涝监测和安装时的技术困难。

1 仪器工作原理和主要技术指标

1.1 气泡水位计工作原理

气泡水位计是一种非接触式测量液位的传感器，由气室、气泵、气管、气阀、压力传感器、RTU运算控制部件和输出部件组成，如图1所示。

气室安装在距离液体的深度为H的地方，气泵通过气阀和气管向气室充气，管内气体通过气室排出，加电启动气泵到一段时间气泵停止充气，经过△T时间后，气室和气管的气压达到平衡。这时，气室内的气压压强P等于当时的大气压强P0和液体深度产生的压强Ph之和，即P=P0+Ph，Ph=H×γ，H

通过键盘设置YCZ-2A-101遥测终端，设置WS=06，外设可挂HC.WQX10-1气泡水位计功能，YCZ-2A-101终端机每隔5 min进行一次采集操作。首先向HC.WQX10-1气泡水位计供电，发出采集指令，HC.WQX10-1气泡水位加电后，气泵启动2 s通过气管向气室充气，待管内气压平衡后，测试气管内的气压和当时的大气压，通过逻辑运算转换成液位高度，再经RS485接口输出给遥测终端机；遥测终端机的RTU采集到的是一个平均数据，这组数据是在5 min内每隔2 s连续采集8次，去掉最大值和最小值，剩下中间6次的平均数，记下这组数据的采集时间和发送状态，送到显示屏上显示，并按时间顺序保存在NVRAM中。

通过键盘设置YCZ-2A-101遥测终端，即：①设置加报阈值JB=00000 cm；②设置加报升降变幅Y2=01 cm，Y1=01 cm。当液浸深度同时满足①②条件时，在5 min内液位变幅值大于等于1 cm，YCZ-2A-101遥测终端把测量到的数据通过移动集群网用GPRS报文格式向城市内涝预警系统中心发送数据，每隔5 min发1次，每次传1组数据，以满足城市内涝监测预警对及时性的要求；当水浸深度不满足①②条件时，5 min内液位变幅值小于1 cm，YCZ-2A-101遥测终端把测量到的数据通过移动集群网用GPRS报文格式向城市内涝预警系统中心发送，每隔1 h发1次，每次传12组数据，以达到省电省费效果。城市内涝预警系统中心收到数据后，将数据入库，由自动程序加工处理。

1.3 仪器主要技术指标

1.3.1 HC.WQX10-1主要技术指标

HC.WQX10-1的体积为168 mm×101 mm×51 mm，量程為0～3 m，供电电压为8～16 VDC，静态值守电流小于等于0.6 mA（12 V），平均工作电流小于等于10 mA（12 V），分辨率为1 mm，测量精度为±3 mm，工作方式为压触式/定时式，通讯接口为RS485/4～20 mA，无测量盲区，气管长度为0～500 m，测管规格为8 mm，压缩机类型为微型活塞圆筒压缩机。

1.3.2 YCZ-2A-101遥测终端主要技指标

YCZ-2A-101遥测终端的输入电压为10～30 VDC；值守电流小于1.5 mA；工作电流小于15 mA（不含通信）；通讯接口有3个RS232C，1个RS485接口；传感接口为增量口、并行口、串行口、频率口和模拟量口；平均无故障时间MTBF大于等于1 000 000 h；通讯模块为GPRS模块；支持2G/3G/4G网络；协议支持TCP/IP、AT指令集、SMS。

2 气泡水位计应用前误差分析

由相关文献资料可知，影响气泡水位计精度的因素有2个，即气管长度和水体含沙量。为此，将气泡水位计安装在内涝监测站前，在马口水文站开展了误差分析，拟在掌握气泡水位计误差规律后解决在下沉式隧道安装的技术难题。

2.1 气管长度对精度的影响

HC.WQX10-1按定时充气方式工作，气泵开启时定时向气管和气室充气，气室内气压变化经历由脉动到平稳的过程，气管越长，管内气压从脉动变平稳所需的时间越长，气室内压力变化曲线如图3所示。

t0—气泵向气管和气室充气时刻；t1—气泵停止时刻；t2—停泵后，气管和气室的气压趋于稳定RTU取样时刻

由图3可知，当t2一定时，不同长度趋于稳定时的P值是有所差别的，气管越长，P值的误差越大。根据内涝监测站不是经常有水浸地方的特点，将HC.WQX10-1气泡水位计装在有潮涨潮落的马口水文站同一个自记井内，与WFH-2浮子水位计进行比较试验。

先用50 m气管作试验，测得2016-10-30这24 h的水位数据，具体如图4所示，同时，记录WFH-2浮子水位計测得的水位过程，如图5所示。

将气管长度增加到150 m，其他条件不变时，测得2016-11-08这24 h的水位过程线如图6所示，记录WFH-2浮子水位计测得的水位过程如图7所示。

图4是50 m气管生成的水位过程线图，从2016-10-30T0：00—2016-10-31T0：00时间段，从数据库中读出图4、图5对应的水位值，每隔5 min1个水位数据，共289个数据进行误差统计。图6是150 m气管生成的水位过程线图，从2016-11-08T0：00—2016-11-08T0：00，从数据库中读出图6、图7对应的水位值，每隔5 min1个水位数据，共289个数据进行误差统计，生成统计表，具体如表1所示。

从遥测数据库水位过程线中可以看出，用50 m气管测试气泡水位计HC.WQX10-1测得的水位过程线和用机械量程式WFH-2水位计测得的水位过程线一样平滑。用150 m气管测试气泡水位计时，HC.WQX10-1测得的水位过程线和用机械量程式WFH-2水位测得的水位过程线平滑度差别比较大，WFH-2水位计测得的水位过程线比较平滑，HC.WQX10-1测得的水位过程线不平滑，有尖锋跳动。

表1数据分析差值分布表明，用50 m气管时，水位差值小、误差分布集中，只有正误差，最大差值为0.02 m，系统误差为0.01 m，误差可控；用150 m气管测试时，最大误差为-0.03 m，误差有正值和负值，分布分散，误差值偏大，误差不可控。以此推算，当气泡水位计气管变长时，气泡水位计的误差会增加，气管长度每增加100 m，误差增加0.01 m，且误差不稳定。

2.2 含沙量对气泡水位计精度的影响

水体中含沙量及其变化直接影响到气泡水位计的水位测量误差。对于极细微粒径的泥沙，可将其视作可溶性物质，而泥沙含量会改变水体容量，测得的静水压力也会发生变化。含沙量对静水压力影响可用式（1）表示，即：

Ps=Hγ+0.000 62Cs·Hγ. （1）

式（1）中：Ps为静水压强；H为气室入水深度；γ为水体密度；Cs为含沙量。

近10年来，马口水文站的最大含沙量为0.890 kg/m?。一般情况下，内涝水体含沙量不会超过此值，由此值计算出对Ps影响小于0.01%.当含沙量为0时，Ps=Hγ；当含沙量相同时，深度越大，对Ps的影响越大；当深度相同时，含沙量越大，对Ps的影响越大。

3 气泡水位计安装应用实例分析

3.1 华宝下沉隧道安装内涝监测站应用

广东省佛山市内涝监测预警系统在路面上有68个水浸监测站点，64个路面上的水浸监测站点采用立杆式电子水尺安装。其中，有4个城市下沉隧道内涝监测站，即华宝隧道、季华立交、季华隧道、汾江隧道，由于路肩窄，没有太阳光，通信差等原因，不能采用立杆式安装。下沉隧道水浸的最低点处路肩宽0.5 m，排水沟0.4 m，到隧道出口处的距离分别是华宝隧道97 m、季华立交56 m、汾江隧道84 m、季华隧道94 m。根据这些特点，对于这4个隧道，采用HC.WQX10-1气泡水位计作前端传感器，YCZ-2A-101作终端机箱的安装方式，先在隧道水浸的最低点处固定气室，装上长度约100 m的气管，气管用PVC管套住，一路延伸到机箱处；机箱安立在隧道顶层安装条件适合的地方，效果理想，很好地解决了在下沉隧道安装城市内涝监测站的技术难题。佛山市禅城区华宝下沉隧道安装内涝监测站的应用实例如图8所示，测试效果水浸过程如图9所示。其他3站效果也很理想，这里不再赘述。

3.2 安装内涝站使用气泡水位计体会与建议

经过半年，将气泡水位计安装在内涝监测站使用，应用效果理想，效益显著，解决了在城市下沉隧道安装内涝监测站的技术难题。在这项工作中，笔者有以下几点体会和建议：①第三代气泡水位计的精度高，具有免气瓶、免测井、免维护的优点，利用气管可转弯的特点，在下沉隧道、地铁隧道选用气泡水位计监测内涝是理想的选择。②安装方便，将气室固定在要监测的地方，用PVC管将气管一直套到终端机的位置，越短越好，一般在100 m左右为宜。③维护方便。当气泡水位计损坏时，只需换气泡水位的主机，不需要更换气管，测试简单。在内涝应用中，对于气管气密性测试，即将气室端的气管堵住，过了几分钟，水位快速上升到10 m，说明气管没漏气。④防雷效果好。气泡水位计伸长探测的部分是气管，没有电子元件，不引雷。⑤气泡水位计工作时要启动气泵，它长期运行会发生机械磨损，与电子水尺相比，可靠性会低一点，但精度和可靠性仍然可控。

参考文献

[1]张维，欧阳里程.广州城市内涝成因及防治对策[J].广东气象，2011（6）：49-53.

[2]朱晓原，张留柱，姚永熙.水文测验实用手册[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

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