1、第二章 水位观测第一讲一、水位观测的目的和要求水位是指：河流或其它水体的自由水面相对于某一基面的高程，其单位以米（m）表示。水位是反映水体、水流变化的重要标志，是水文测验中最基本的观测要素，是水文测站常规的观测项目。水位观测资料可以直接应用于堤防、水库、电站、堰闸、浇灌、排涝、航道、桥梁等工程的规划、设计、施工等过程中。水位是防汛抗旱斗争中的主要依据，水位资料是水库、堤防等防汛的重要资料，是防汛抢险的主要依据，是掌握水文情况和进行水文预报的依据。同时水位也是推算其它水文要素并掌握其变化过程的间接资料。在水文测验中，常用水位直接或间接的推算其它水文要素，如由水位通过水位流量关系，推求流量；通过流
2、量推算输沙率；由水位计算水面比降等，从而确定其它水文要素的变化特征。由此可见，在水位的观测中，要认真贯彻规范 ，发现问题及时排除，使观测数据准确可靠。同时还要保证水位资料的连续性，不漏测洪峰和洪峰的起涨点，对于暴涨暴落的洪水，应更加注意。二、二、 影响水位变化的因素水位的变化主要取决于水体自身水量的变化，约束水体条件的改变，以及水体受干扰的影响等因素。在水体自身水量的变化方面，江河、渠道来水量的变化，水库、湖泊引入、引出水量的变化和蒸发、渗漏等使总水量发生变化，使水位发生相应的涨落变化。在约束水体条件的改变方面，河道的冲淤和水库、湖泊的淤积，改变了河、湖、水库底部的平均高程；闸门的开启与关闭引
3、起水位的变化；河道内水生植物生长、死亡是河道糙率发生变化导致水位变化。另处，有些特殊情况，如堤防的溃决，洪水的分洪，以及北方河流结冰、冰塞、冰坝的产生与消亡，河流的封冻与开河等，都会导致水位的急剧变化。水体的相互干扰影响也会使水位发生变化，如河口汇流处的水流之间会发生相互顶托，水库蓄水产生回水影响，使水库末端的水位抬升，潮汐、风浪的干扰同样影响水位的变化。三、基面与水准点水位是水体（如河流、湖泊、水库、沼泽等）的自由水面相对于某一基面的高程。 ，一般都以一个基本水准面为起始面，这个基本水准面又称为基面。由于基本水准面的选择不同，其高程也不同，在测量工作中一般均以大地水准面作为高程基准面。大地水
4、准面是平均海水面及其在全球延伸的水准面，在理论上讲，它是一个的连续闭合曲面。但在实际中无法获得这样一个全球统一的大地水准面，各国只能以某一海滨地点的特征海水位为准。这样的基准面也称绝对基面，另外，水文测验中除使用绝对基本面外还涉有假定基本，测站基面，冻结基面等。1绝对基面一般是以某一海滨地点的特征海水面为准，这个特征海水面的高程定为 0.000 米，目前我国使用的有大连、大沽、黄海、废黄河口、吴淞、珠江等基面。若将水文测站的基本水准点与国家水准网所设的水准点接测后，则该站的水准点高程就可以根据引据水准点用某一绝对基面以上的高程数来表示。2假定基面若水文测站附近没有国家水准网，其水准点高程暂时无
5、法与全流域统一引据的某一绝对基面高程相连接，可以暂时假定一个水准基面，作为本站水位或高程起算的基准面。如：暂时假定该水准点高程为 100.000 米，则该站的假定基面就在该基本水准点垂直向下 100米处的水准面上。3测站基面测站基面是假定基面的一种，它适用于通航的河道上，一般将其确定在测站河库最低点以下 0.51.0 米的水面上，对水深较大的河流，可选在历年最低水位以下 0.51.0 米的水面作为测站基面。同样，当与国家水准点接测后，即可算出测站基面与绝对基面的高差，从而可将测站基面表示的水位换算成以绝对基面表示的水位。用测站基面表示的水位，可直接反映航道水深，但在冲淤河流，测站基面位置很难确
6、定，而且不便于同一河流上下游站的水位进行比较，这也是使用测站基面时应注意的问题。4冻结基面冻结基面也是水文测站专用的一种固定基面。一般是将测站第一次使用的基面固定下来,作为冻结基面。使用测站基面的优点是水位数字比较简单（一般不超过 10 米） ；使用冻结基面的优点是使测站的水位资料与历史资料相连续。有条件的测站应使用同样的基面，以便水位资料在防汛和水利建设、工程管理中使用。水位的观测设备可分为直接观测设备和间接观测设备两种，直接观测设备是传统式的水尺，人工直接读取水尺读数加水尺零点高程即得水位。它设备简单，使用方便；但工作量大，需人值守。间接观测设备是利用电子、机械、压力等感应作用，间接反映水
7、位变化，设备构造复杂，技术要求高；不须人值守，工作量小，可以实现自记，是实现水位观测自动化的重要条件。四、水位的直接观测设备1水尺的种类水尺分直立式、倾斜式、矮桩式和悬锤式四种。其中直立式水尺应用最普遍，其它三种，则根据地形和需要选定。（1）直立式水尺 直立式水尺由水尺靠桩和水尺板组成。一般沿水位观测断面设置一组水尺桩，同一组的各支水尺设置在同一断面线上。使用时将水尺板固定在水尺靠桩上，构成直立水尺。水尺靠桩可采用木桩、钢管、钢筋混凝土等材料制成，水尺靠桩要求牢固，打入河底，避免发生下沉。水尺靠桩布设范围应高于测站历年最高水位、低于测站历年最低水位 0.5 米。水尺板通常是长 1 米，宽 81
8、0 厘米的搪瓷板、木板或合成材料制成。水尺的刻度必须清晰，数字清楚，且数字的下边缘应放在靠近相应的刻度处。水尺的刻度一般是 1 厘米，误差不大于 0.5 毫米。相邻两水尺之间的水位要有一定的重合，重合范围一般要求在 0.10.2米，当风浪大时，重合部分应增大，以保证水位连续观读。水尺板安装后，需用四等以上水准测量的方法测定每支水尺的零点高程。在读得水尺板上的水位数值后加上该水尺的零点高程就是要观测的水位值。（2）倾斜式水尺 当测验河段内，岸边有规则平整的斜坡时，可采用此种水尺。此时，可以平整的斜坡上（在岩石或水工建筑物的斜面上） ，直接涂绘水尺刻度。设Z 代表直立水尺最小刻划的长度， Z代表边
9、坡系数为 m 的斜坡水尺最小刻划长度，则 Zm21。同直立式水尺相比，倾斜式水尺具有耐久、不易冲毁，水尺零点高程不易变动等优点，缺点是要求条件比较严格，多沙河流上，水尺刻度容易被淤泥遮盖。（3）矮桩式水尺 当受航运、流冰、浮运影响严重，不宜设立直立式水尺和倾斜式水尺的测站，可改用矮桩式水尺。矮桩式水尺由矮桩及测尺组成。矮桩的入土深度与直立式水尺的靠桩相同，桩顶一般高出河床线 520cm，桩顶加直径为 23cm 的金属园钉，以便放置测尺。两相邻桩顶高差宜在 0.40.8m 之间，平坦岸坡宜在 0.20.4m 之间，测尺一般用硬质木料做成。为减少壅水，测尺截面可做成菱形。观测水位时，将测尺垂直放于
10、桩顶，读取测尺读数，加桩顶高程即得水位。（4）悬锤式水尺 悬锤式水尺通常设置在坚固的陡岸、桥梁或水工建筑物上。它也大量被用于地下水位和大坝渗流水位的测量。由一条带有重锤的测绳或链所构成的水尺。它用于从水面以上某一已知高程的固定点测量离水面的竖直高差来计算水位。悬锤的重量应能拉直悬索，悬索的伸缩性应当很小，在使用过程中，应定期检查测索引出的有效长度与计数器或刻度盘的一致性，其误差不超过1cm。2水尺的布置和零点离程的测量水尺设置的位置必须便于观测人员接近，直接观读水位，并应避开涡流、回流、漂浮物等影响。在风浪较大的地区必要时应采用静水设施。水尺布设范围，应高于测站历年最高、低于测站历年最低水位
11、0.5m。同一组的各支基本水尺，应设置在同一断面线上。当因地形限制或其它原因必须离开同一断面线时，其最上游与最下游一支水尺之间的同时水位差不应超过 1cm。同一组的各支比降水尺，当不能设置在同一断面线上时，偏离断面线的距离不能超过5m ,同时任何两支水尺的顺流向距离不得超过上、下比降断面距离的 1/200。水尺设立后，立即测定其零点高程，以便即时观测水位。使用期间水尺零点高程的校测次数，以能完全掌握水尺的变动情况，准确取得水位资料为原则：一般情况下，汛前应将所有水尺校测一次，汛后校测汛期中使用过水尺，汛期及平时发现水尺有变动迹象时，应随时校测；河流结冰的测站，应在冰期前后，校测使用过的水尺；受
12、航运、浮运、漂浮物影响的测站，在受影响期间，应增加对使用水尺的校测次数，如水尺被撞，应立即校测；冲淤变化测站，应在河床每次发生显著变化后，校测影响范围内水尺。在校测水尺时，用单程仪器站数 n 作为计算往返测量不符值的控制指标，往返测量同一支水尺，零点高程允许不符值（平坦地区用 n4，不平坦地区用 n3） ，或虽超过允许不符值，但对一般水尺小于 10mm 或对比降水尺小于 5mm 时，可采用校测前的高程。否则，采用校测后的高程，并应及时查明水尺变动的原因及日期，以确定水位的改正方法。五、水位的间接观测设备间接观测设备主要由感应器、传感器与记录装置三部分组成。感应水位的方式有浮筒式、水压式、超声波
13、式等多种类型。按传感距离可分为：就地自记式与远传、遥测自记式两种。按水位记录形式可分为记录纸曲线式，打字记录式、固态模块记录等。以下按感应分类，简介如下：（一）浮子式水位计（二）水压式水位计通过测量水体的静水压力，实现水位测量的仪器称为压力式水位计。压力式水位计又分为气泡式压力水位计和压阻式两种。通过气管向水下的固定测点通气，使通气管内的气体压力和测点的静水压力平衡，从而实现了通过测量通气管内气体压力来实现水位测量，这种装置通常称之为气泡式水位计。20 世纪 70 年代，一种新型压力传感器迅速发展，该传感器是直接将压力传感器严格密封后置于水下测点，将其静水压力转换成电信号，用防水电缆传至岸上，
14、再用专用仪表将电信号转换成水位值，这种水位计被称为“水下直接感压式压力水位计”又称为“压阻式压力水位计” 。压阻式压力水位计简称压力式水位计，是将扩散硅集成压阻式半导体压力传感器或压力变换器直接投入水下测点感应静水压力的水位测量装置。能用在江河、湖泊、水库及其它密度比较稳定的天然水体中，无需建造水位测井，实现水位测量和存贮记录。1压力水位计的组成压阻式压力水位计是以压力变换器作为传感器，无需恒流单元，只需增加一只低温漂移高精度的取样电阻，其它组成单元则完全相同。整个装置中的编码输出可分为并行 BCD码或标准的 RS232 或 RS485 串行口输出。其各单元的功能如下：（1）稳压电源将交流或直
15、流供电电源转变成压力水位计工作所需要的直流电压，并使之稳定。（2）恒流源将输入电压变换成不随负载和输入电压变化的恒定电流输出，从而使压力水位计测量值与导线长短无关，且又能减小压力传感器的温度漂移影响。（3）压力传感器其等效电路相当于一惠斯登电桥，它将静水压力值转换成与之对应的电压信号输出或电流信号输出。（4）信号转换器将压力传感器送来的电压信号或电流信号经过严格的取样、放大或衰减，使信号变成A/D 电路所需要的电压信号。（5）A/D 单元即模拟量到数字的转换单元，它是将静水压力对应的电压模拟量信号转换成与静水压力值对应的数字信号。（6）显示及编码根据需要将水压力对应的数字信号转换成相应的并行
16、BCD 码或 RS232、RS485 串行输出2压力式水位工作原理相对于某一个测点而言，测相对于该点处的高程，加上本测点实际水深即为水位。即：水位=测点高程+ 测点处的水深测点处的水深为：H=p/r式中： p测点的静水压强,g/cm；H测点水深，即测点至水面距离 ,cm；r水体容重 g,/cm3。当水体容重已知时，只要用压力传感器或压力变换器精确测量出测点的静水压强值，就可推算出对应的水位值。常用的压力传感器多为固态压阻式压力传感器。它是采用集成电路的工艺，由于硅晶体的压阻效应，当硅应变体受到静水压力作用后，其中两个应变电阻变大，另两个应变电阻变小。气泡水位计工作原理与压阻式压力水位计相同。（
17、三）超声波水位计超声波水位计是一种把声学和电子技术相结合的水位测量仪器。按照声波传播介质的区别可分为液介式和气介式两大类。声波是机械波，其频率在 2020000Hz 范围内。可以引起人类听觉的为可闻声波；更低频率的声波叫做次声波；更高频率的声波叫做超声波。超声波水位计通过超声换能器，将具有一定频率、功能和宽度的电脉冲信号转换成同频率的声脉冲波，定向朝水面发射；此声波束到达水面后被反射回来，其中部分超声能量被换能器接收又将其转换成微弱的电信号。这组发射与接收脉冲经专门电路放大处理后，可形成一组与声波传播时间直接关联的发、收信号，根据需要，经后续处理可转换成水位数据，并进行显示或存贮。换能器安装在
18、水中的称之为液介式超声波水位计，而换能器安装在空气中的称之为气介式超声水位计，后者为非接触式测量。1超声波水位计的结构与组成超声波水位计一般由换能器、超声发收控制部分、数据显示记录部分和电源组成。对于液介式仪器，一般把后三部分组合在一起；对于气介式仪器一般把超声发收控制部分和数据处理部分的一部分与换能器组合在一起形成超声传感器，而把其余部分组合在一起形成显示记录仪。(1)换能器。液介式超声波水位计一般采用压电陶瓷型超声换能器，其频率一般在40200 Hz 之间。功能均是作为水位感应器件，完成声能和电能之间的相转换。为了简化机械结构设计和电路设计并减小换能器部件的体积，通常发射与接收公用一只超声
19、换能器。（2） 超声收发控制部分超声发收控制部分与换能器相结合，发射并接收超声波，从而形成一组与水位直接并联的发收信号。该部分可以采用分立元件、专用超声发、收集成电路或专用超声发收模块组成。其发射部分主要功能应包括：产生一定脉宽的发射脉冲从而控制超声频率信号发生器输出信号。经放大器、升压变压后，实现将一定频率、一定持续时间的大能量正弦波信号加至换能器。接收部分主要功能应包括：从换能器两端获取回波信号，将微弱的回波信号放大再进行检波、滤波，从而实现把回波信号处理成一定幅度的脉冲信号。由于发收公用一只换能器，因此发射信号也进入接收电路，为此接收电路的输入端需要加安全措施以保护接收电路。高性能的超声
20、发收控制部分应具备自动增益控制电路（AGC） ，使近、远程回波信号经处理后能取得较为一致的幅度（3）超声传感器超声传感器是将换能、超声发收控制部分和数据处理部分组合在一起的部件。它既可以作为超声波水位计的传感器部件，与该水位计的显示记录相连；又可以作为一种传感器与通用型数传（有线或无线）设备相连。3HW1000C 非接触超声波水位计简介HW1000C 非接触超声波水位计是黄河水利委员会水文局郑州市音达新技术研究开发中心研制的新型水位计。经水利部部级鉴定，并列为全国水利系统重点推广产品。（1）原理当超声波在空气中传播遇到水面后被反射，仪器测得声波往返于传感器到水面之间的时间，根据超声波在空气中传
21、播速度计算距离，再用传感器安装高度减去所测至水面距离即得水位。计算方法是： Vt21H传水V=331.45+0.61T式中：T气温；t声波往返时间。由于超声波在空气中的传播速度是温度的函数，正确的修正波速是保证测量精度的关键，为此 HW1000C 非接触超声波水位计，采用温度实时修正方法实现声波校准，以使测量精度达到规范要求。（2）功能1）根据测量时间间隔，自动进行水位测量、数据传输。2）室内设备具有汉字功能提示、显示水位数据、固态存贮、历史水位查询、各种参数设置。3）备有 RS232、RS485 、TTL 电平、电流环、420mA 模拟量等多路输出接口。4）兼容国内多家数传设备，可以方便的组成水情自动测报网。（3）用途1）河流、明渠水位自动监测。2）水库坝前、坝下尾水水位监测拦物栅压差监测。3）调压塔水位监测。4）潮水位自动监测系统。5）城市供水、排污水位监测系统。（4）主要特点1）在水位测量过程中没有任何部件接触水体，实现非接触测量。2）不受高速水流冲击，不受水面漂浮物的缠绕、堵塞或撞击以及水质电化反应的影响。3）设备按装不需建造水位计台，基建投资小。4）设备无运动部件，不会因部件磨损锈蚀而产生故障，寿命长可靠性好。采用实时温度自动校准技术，精度高。
