浅析无线倾斜式电子水尺在黑龙江上游冰凌水位实时监测的应用前景

蔡文国+张梅

摘 要：因受地理条件、气候特征和河道特性的影响，黑龙江上游易产生冰坝，造成冰凌灾害。基于现有的直立式水位自记平台和气泡式水位自记平台方式的监测缺陷及地理环境特性，文章介绍了无线倾斜式电子水尺技术特性，提出了应用该电子水尺对黑龙江上游雍高水位进行实时监测的技术方案。

关键词：电子水尺；实时连续监测；冰凌监测

中图分类号：TP274 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）28-0170-02

引言

黑龙江位于中国东北部，介于东经121°11′-135°05′，北纬 43°26′-53°33′，处于中高纬度区域，属寒温带气候。因受地理条件、气候特性和河道特性等因素的影响，黑龙江每年融冻期河流都会出现凌春汛过程，尤其是位于黑龙江干流上游江段最易产生冰坝，其最高水位可达13.56m可导致大型的冰凌灾害[1，2]。因此，水位作为水文和水资源预报领域中最基本、最重要的参数，是各级防汛指挥机构急需的实时冰凌监测数据用以防汛决策。

目前，我国黑龙江流域主要依靠人工观测的方法来实现水位的监测，但因大部分水文监测站均位于交通不便、地理位置偏远、无可靠供电的高寒地区，致使利用人工现场观测获得的水位精度低、实时性差、连续性差且观测环境存在安全隐患[3]。为了更好的推动水文和水资源自动化、高效化、信息化的建设和发展，本文提出利用无线倾斜式电子水尺实现对黑龙江上游雍高水位实时监测的技术方案。

1 试验监测区环境概述

黑龙江漠河江段地处寒温带气候区，夏季温热多雨，冬季严寒漫长，气候的变化特点是春季升温快，秋季降温快，夏季温暖而短暂，冬季严寒而漫长，无霜期短。多年平均气温-5.5°C，极端最高气温39.8°C，极端最低气温-51.5°C，无霜期91d左右，年日照时数约2440h。年内6-9月份降水占全年的75%。年际间，最大年降水量是最小年降水量的2.3倍。多年平均降水量429.8mm，歷年最大年降水量624.7mm，历年最小年降水量267.5mm，历年最大日降水量129.9mm。

黑龙江省漠河县从10月下旬左右出现流凌，于11月中旬封冻，次年4、5月份开江，封冻期长达6个月。由于受强烈的降温影响，封江形式多为立封。由于渠道狭窄，岛屿沙洲众多，加之地理位置和气候条件的综合作用，在春季开河时，如果升温较快、河段冰蓄量较大且出现倒开江现象，多因冰块卡塞形成冰坝而造成严重的冰凌、洪水灾害，凌汛特征是陡涨陡落、过程较短。春汛主要是春季流域内集中降水和融雪而形成的。夏汛是流域内大范围、高强度、长历时暴雨而形成，主要是来源于上游额尔古纳河和石勒 河特点是洪水封高量大，历时长。冬季平均封江日期是11月12日，多年平均开江日期是4月30日，历年最大冰厚是1.46m，平均最大冰厚1.05m。

2 黑龙江上游江段水位的主要监测方法

实时监测凌汛水情并掌握冰坝凌汛的发展状况，是各级防汛指挥机构处置凌情采取的有效措施，同时为得到连续的、及时的、准确的情报，大兴安岭水文局建设了多处基本水位站及防汛水位站，目前使用的水位自动采集手段主要有直立式水位自记平台配备浮子式水位计和气泡式水位自记平台配备气泡式水位计。上述两种方式的水位自动监测系统，经多年的试验运行逐渐显现出弊病，具体表现为：

2.1 直立式水位自记平台

（1）开江前需人工融化井底冰层，但开江期气温低，融冰难度大。（2）黑龙江为中俄界江，中方一侧多为漫滩，不易建设直立式水位自记平台。（3）凌汛期洪水受冰凌卡塞影响陡涨陡落，直立式水位自记平台易产生延时，导致采集数据失真。（4）发生冰坝致冰排上岸，直立式水位自记平台井体易受损。

2.2 气泡式水位自记平台

（1）需在水位到达测量杯高程时方可设置基值，不适宜长战线多站点调试。（2）输气管及测量杯易受冰排戗底影响易被挂断。

3 无线倾斜式电子水尺实现冰凌期间河道水位的自动监测

基于黑龙江上游地区存在的直立式水位自记平台和气泡式水位自记平台监测方案的缺陷及其特殊地理环境，急需水位自动连续采集设备，实现黑龙江上游水位的实时在线、长期连续、无人值守的监测。因此，采用无线倾斜式电子水尺的途径解决上述难题。

3.1 无线倾斜式电子水尺的基本性能指标和特性

无线倾斜式电子水尺的基本性能指标如下：（1）主要技术指标达到《水位观测标准》[4]。（2）通讯规约采用国家最新颁布的《水文监测数据通信规约》（20130110）。（3）实时数据召测：拨打站点的SIM卡手机号，三次振铃后自动挂断，无线端机会立刻采集当前实时数据并以GPRS/CDMA方式将数据发回中心站。（4）无线端机内置袖珍10AH/8.8AH（可选）大容量3.7V锂电池，并配有6V充电引线接口，工程可直接接入6V/5～10W太阳能电池板或5V/6V开关电源，10AH锂电池可供系统连续阴雨天气正常工作25天以上。（5）可进行数据无线远传。（6）分辨率：1.0cm（全量程等精度测量）。（7）工作电压：3.7～4.2V。（8）静态电流：≤9mA（通讯模块待机）。（9）静态功耗：≤16mW。（10）工作温度：-20°C～60°C，相对湿度不大于95%。（11）时钟精度：≤30秒/年，可以中心时钟同步。

无线倾斜式电子水尺的基本特性如下：（1）采用先进微处理器芯片为控制器、内置通讯电路的数字式水位传感器，具备高可靠性及抗干扰性能。（2）防腐、防冻、耐热、耐老化，可在泥桨、污液和腐蚀性液体、冰冻等多种恶劣的环境中使用；即不受等外界因素的影响。（3）采样精度与长度无关，不同变幅的传感器测量精度保持不变，都是1cm。（4）不受大气压力、湿度、含沙量、冰冻、泥桨、污液和腐蚀性液体等水中污染物及沉淀物的影响。（5）该类传感器既可以单支使用，也可以多支阶梯级联使用。（6）对水位波浪做了数字滤波处理，确保水位的真实值。endprint

3.2 无线倾斜式电子水尺实现冰凌期间河道水位自动监测方案

无线倾斜式电子水尺集成了感应式水位测量体和无线数据通讯于一体的高性能水位测量装置如图1所示。感应式水位测量即感应式电子水尺，利用电子装置监测水位变化，实现数字化分度，并将水位信号传送至无线端机。无线端机采用先进微处理器芯片为控制器、内置远程通讯模块，集成RTU、DTU、太阳能充电控制器、防雷模块、电话振铃监测模块等完成水位测量、数据保存、远程数据通讯等功能，实现数字化分度。无线倾斜式电子水尺即在直立式电子水尺的基础上，采用倾斜角度的三角函数值换算实时水位。

因监测水位均为中、高级水位且因受凌汛期流冰戗底作用影响，黑龙江上游主槽内建设的监测设施以及安装的设备极易被流冰损毁，但采用傾斜式电子水尺进行凌汛期水位监测时，仅需将倾斜式电子水尺安装于堤防上，即设计监测最低水位为堤脚高程，在监测断面处将堤防由堤脚至堤顶开挖0.5m深沟槽，将电子水尺外套219钢管固定在沟槽内，上方盖混凝土盖板与堤防找平，即可实现设备的安装和实时数据的监测。整个系统采用蓄电池供电，并由太阳能电池板为蓄电池充电。电子水尺的水位基值及水尺斜率与水位换算关系由遥测终端机输入，电子水尺采集的数据传输至遥测终端机，再由遥测终端机上传至中心数据库。

4 结束语

基于黑龙江上游利用直立式水位自记平台和气泡式水位自记平台水位监测方案存在的缺陷及其特殊地理环境，黑龙江江段急需水位自动连续采集设备。通过对无线倾斜式电子水尺技术特性的分析，提出利用无线倾斜式电子水尺实现对黑龙江上游江段雍高水位进行实时监测的技术方案，可促进水文和水资源自动化、高效化、信息化的建设和发展，具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1]阴法章，李桂芬，王春雷，等.黑龙江冰坝研究综述[J].黑龙江水专学报，2007，32（2）：23-26.

[2]那济海，周秀杰，许秀红，等.黑龙江、松花江和嫩江冰坝凌汛发生原因及预报方法[J].自然灾害学报，2011，20（2）：115-120.

[3]马 ，马福昌.移动式无线数字水位监测站的设计与应用[J].传感器与微系统，2008，27（5）：87-92.

[4]GB/T 50138-2010.水位观测标准[S].endprint