季国安1，尚扬2
1水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京210012； 2. 江苏南水科技有限公司,江苏 南京 210012
摘要：自动监测站目前占比最高的两种水位测量手段分别是浮子式和气泡式水位计，浮子式水位计一般应用在平原河网，气泡式水位计一般应用在山区性河流，水位自动监测设备在长期运行后，都会产生测量误差，国家水文部门为保障水位监测资料的准确性，每年需要对水位自动监测设备进行汛前检查和讯后维护，而巡检维护需要耗费大量的人力物力，亟需采用高精度的仪器对水位计进行现场快速检验与率定，本文在长江上游和下游分别选取部分站点，开展浮子式、气泡式水位计现场检测装置的现场运用，分析检测结果和检测仪器的可靠性，查找检测仪器的不足之处。
关键字：浮子式水位计；气泡式水位计；现场快速检测；
0 引言
水文是水利工作和经济社会发展的重要基础支撑，是防汛抗旱的耳目和参谋。水文监测信息和预测预报成果是防汛抗旱指挥决策、水工程优化调度和群众防洪避险等不可替代的科学依据，在保护人民生命财产安全、充分发挥水工程效益、保障经济社会可持续发展等方面具有不可替代的作用。经过多年建设，我国已初步建立覆盖江河湖库的水文测报体系，向政府部门和社会公众提供及时准确的水文监测和预测预报信息，在历年防汛抗旱减灾中作出了突出贡献。
水位自动监测分为接触式测量和非接触测量两种，接触式测量以浮子水位计和压力水位计为代表，非接触测量以雷达水位计和气泡水位计为代表，近两年，随着水文现代化监测技术的推广，采用视频自动监测水尺刻度的技术也在逐步应用，但水位自动监测站目前占比最高的两种水位测量手段分别是浮子式和气泡式水位计，浮子式水位计一般应用在平原河网，气泡式水位计一般应用在山区性河流。
水位自动监测设备在长期运行后，都会产生测量误差，浮子式水位计的监测误差原因为受浪涌、重锤触底等因素造成的钢丝绳松动和编码器损坏导致的格雷码计算错误；气泡水位计的监测误差原因为水体环境、水位计的供气量以及感压气腔的结构和安装方式，国家水文部门为保障水位监测资料的准确性，每年需要对水位自动监测设备进行汛前检查和讯后维护，而水位自动监测站基本为无人监测站，巡检维护需要耗费大量的人力物力，采用高精度的仪器对水位计进行现场快速检验与率定，是解决这一问题最优方案。
1 水位计现场检测测试装置简介
1.1.浮子式水位计检测装置
浮子式水位计检验检测装置主要由控制电路板、高精度编码器、步进电机、触摸显示屏及电源模块组成。该装置可检测格雷码信号输出的浮子式水位计。
根据GBT 50138-2010《水位观测标准》，在≤10米量程下，浮子水位计允许综合误差为±2.0cm，该装置通过步进电机带动浮子式水位计同步转动，检测装置采用光栅编码器计数，在达到检测装置设置值后，读取浮子式水位计的水位值，计算设置值与水位计读值之间的误差， 当误差绝对值≤2cm时，可判定该水位计符合监测要求。
1.2.气泡式水位计检测装置
气泡式水位计测量水位是通过一根气管向水下的固定测点泵气，当气管内的气体压力和测点的静水压力平衡后，再测量气管内平衡后的气体压力，平衡后的气压就是该测点水压，通过获取的水压值计算得出该测点的水深，再加固定点的水位高程值，得到水位值。因此检测气泡式水位计所测量的水位数据是否准确，即检测其所测量气压数据是否准确。
气泡式水位计检验测试装置的主要组成器件：PLC、触摸屏、高精度气压计、内部调节气压计、电磁阀阵列、继电器阵列、压力罐和锂电池等。
在该装置中设置需要模拟的水位值，PLC控制继电器启动压力罐，自动将压力罐调节为相应的气压，采用高精度气压计读取压力值，同步将压力值转换为模拟水位值，再将气泡水位计气管接入检测装置，启动气泡水位计采样，读取测量值，最后计算模拟水位值和气泡水位计测量值之间测量误差，因该装置检测量程为10米，则当误差绝对值值≤2cm时，可判定该水位计符合监测要求。
2 现场检验站点选择
浮子水位计的安装方式有标准水位测井、简易水位测井两种类型。由于长江上游属于山区性河流，水位变幅较大，浮子水位计安装均为标准水位井，没有简易水位井的测站，故采用简易水位井安装方式的站点只在长江下游地区选择，长江上游选择标准水位井安装方式的站点。本文选择重庆市温泉水文站进行检测数据分析。
因气泡压力式水位计的工作原理，其测量值受大气压强的影响，在高海拔地区（长江上游）、低海拔地区（长江下游）分别选取测站进行现场示范应用。本文选择重庆市长滩水文站和安徽省庐江市兆河流量自动监测站进行检测数据分析。
3 现场检验成果分析
首先需要根据水位计检验测试装备的外形、结构及使用要求，设计安装固定方式，对检验测试装备进行现场安装固定，确保检测仪器处于稳定、水平状态，然后开始现场检验。
1.3.浮子水位计现场检验数据分析
温泉水文站位于重庆市开州区郭家镇津关村，建于2002年1月1日，属于国家基本水文站，测验项目有水位、流量、降水量、悬移质含沙量、蒸发量、土壤墒情。实测最高水位199.5m，最大水深6.2m。
通过浮子水位计现场检测装置对测站标准水位井上安装的浮子式水位计进行检测，检测速度设置为0.4米/秒，通过码轮的正反转读值，来判断码轮与钢丝绳之间是否存在滑动现象，通过水位梯进式检测，来判断格雷码编码器是否损坏，逐一读取计算被检水位计差值和编码器差值，计算两种之间的误差，检测结果见下表：
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通过对本次检测结果分析，对温泉水文站浮子式水位计进行了12组数据检测，最大绝对误差为1.03cm，该数据出现在389-1389区间检测范围内，最小绝对误差为0.01cm，三个区间都出现，满足GBT 50138-2010《水位观测标准》中关于自计水位计允许测量误差，本次检测的12组数据全部合格，合格率100%。
1.4.气泡水位计现场检验分析
长滩水文站位于重庆市万州区长滩镇桃李村，建于2001年，为国家基本水文站，监测水位、流量、降水量、悬移质含沙量、土壤墒情，属于国家基本水文站。长滩水文站警戒水位236.5m，保证水位238.5m，实测最高水位234.99m。
兆河流量自动监测站位于安徽省庐江市巢湖二级支流西河汇入一级干流兆河的入口处，属于国控断面，为2019年新建无人自动监测站，根据建站后监测数据分析，该站气泡水位计气室头安装位置水深在5米左右，变幅不大于5米。
气泡水位计的检测不同于格雷码浮子式水位计，根据造成测量误差的因素，在对气泡式水位计进行检测时，需要在量程范围内，对多个点进行重复性检测和准确性检测。
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通过对本次检测结果分析，对长滩水文站气泡式水位计进行了10组数据检测，最大绝对误差为1.4cm，该数据在检测8米量程时出现，最小绝对误差为0.1cm，本次44组数据中共出现3次，在实际水位中出现2组，在3米量程时出现1组，本次检测的10组数据满足GBT 50138-2010《水位观测标准》中关于自计水位计允许测量误差，合格率97.7%。
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通过对本次检测结果分析，对兆河流量自动监测站气泡式水位计进行了10组数据检测，最大绝对误差为1.9cm，该数据在检测实际水位和2米量程时出现2次，最小绝对误差为0.1cm，该数据在检测4米量程时出现2次，本次检测的10组数据满足GBT 50138-2010《水位观测标准》中关于自计水位计允许测量误差，合格率100%。
4 现场检测设备分析
2.2.1.浮子式水位计检测装置
受检测装置原理限制，现场实际检测范围只能是浮子式水位计安装平面至水位井底部，其他区间无法实现现场检测，但现场检测能力基本满足规范要求。
2.2.气泡式水位计检测装置
受高海拔影响，在气泡式水位计检测装置设置的气压值与实际生成的气压值存在较大差异，长滩水文站在检测8米量程时，最大出现35cm的偏差，该量程下采集4组数据，相对偏差达25.42%，在低海拔地区的兆河站，采样相对偏差基本在10%以内，在高量程（6-9米）检测时，出现最大14%的相对偏差，其余基本在10%左右，检测仪器在压力调整方面需进一步改善，但现场检测能力基本满足规范要求。
5 结语
浮子式、气泡式水位计现场检测装置的现场应用，基本满足水位站巡检维护要求，单站设备检测基本在1小时内可完成，装置可直接在现场完成水位计的准确性和重复性核查，对水文管理部门开展汛前工作安排和汛后备件统计提供了准确的数据支撑，特别是无人监测站点较多的区域，可大幅降低人力物力成本，在国家水文站网中应用具有较大的意义。
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