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实验小流域尺度下高精度水位计的比测分析(一)


实验小流域尺度下高精度水位计的比测分析(一),目前,小流域的水文实验迫切需求高精度的水位数据,但常规使用的厘米级水位计难以满足实验小流域测量水位的高精度要求。为了帮助实验小流域选择适用的高精度水位计,初选出多种较高精度的水位计,系统开展了4个比测实验,包括静水稳定性、阶步式升降水位、现场模拟洪峰和天然径流过程比测。结果表明:根据综合优良误差,探针式、压力式2型(电容型)和磁致伸缩式水位计精度达到0.4mm以内,浮子式水位计的精度为0.5mm,压力式1型(电阻型)水位计精度达不到毫米级;磁致伸缩式水位计可以**地获取低水头条件下的水位过程,适合实验小流域的高精度水位监测。比测结果可为径流、降雨、蒸发和下渗等过程的高精度监测提供参考。水位计厂家销售和服务区域:苏州昆山常熟张家港吴江太仓上海无锡常州镇江南京扬州泰州南通徐州连云港盐城宿迁江阴宜兴溧阳金坛丹阳句容扬中绍兴温州湖州嘉兴台州金华舟山衢州丽水宁波杭州合肥芜湖亳州马鞍山池州淮南淮北蚌埠巢湖安庆宿州宣城滁州黄山六安阜阳铜陵及其它地区。

水位是水文学研究中的一个重要水文要素或中间变量。在河流、湖泊、水库和海洋等水体的动态监测中,水位是一个关键的监测要素,它可以为水体发挥防洪、发电、航运和生态保护等功能提供重要的指示作用。针对不同水体监测水位的要求,会采用不同的水位监测设备。在大中尺度水体的水位监测中,常用到浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计和雷达水位计等水位计。这些水位计都需要设置在固定的站点进行监测,因站点设置及维护成本较高,导致所关注水域的水位站点设置稀疏或者数量在逐渐减少,为了弥补站点水位监测的不足,已有研究开始采用卫星测高法、无人机或合成孔径雷达测量水位。大中水体的水位测量精度一般为厘米级,当对南京水利科学研究院滁州水文实验基地水文山、南大洼等实验流域(102~104m2)尺度的径流水位进行监测时,厘米级水位计将难以满足实验要求。这是由于实验小流域常用量水堰获取流域出口处的流量,作为中间变量的水位需要达到毫米级精度才能满足**推流的要求。目前,国内外很多实验小流域为了揭示新的水文规律,迫切需求更高精度的水位数据。

根据《水文仪器基本参数及通用技术条件》中给出的水位测量仪器信息,水位测针的分辨率能达到0.1mm,其他水位计的分辨率都大于1mm,测量精度达不到1mm。目前国内外的水位计研究多为简单使用一、两种水位计的应用型研究,例如浮子式自记水位计在黄河上游的应用;气泡式水位计在水文自动测报和遥测系统中的应用;磁致伸缩水位计在昌马灌区斗口计量中的应用、雷达水位计在水情监测系统中的应用研究;压力式水位计精度分析和应用等。在小流域尺度下的高精度水位计比测研究匮乏,不能为实验小流域选择适用的高精度水位计提供依据。

为了帮助实验小流域选择适用的高精度水位计,本文初选出5种较高精度的水位计,在4种实验条件下开展水位计比测实验,进行精度与应用分析,以期优选出适用于实验小流域径流监测的水位计;比测实验结果可为实验小流域径流高精度监测提供指导,使正运行或待建设的实验小流域能够获取高精度径流数据,并可为降雨、蒸发和下渗等过程的高精度监测提供参考.

1 水位计比测方法

根据实验流域尺度下高精度水位计的基本要求,初选出若干水位计;根据水位计的结构和大小,设计、制作比测装置,开展比测实验。

1.1 水位计的初选与原理

本次水位计比测实验对象的**个选择准则:可读性(即仪表可显示的*小数量)小于等于0.5mm,量程包含0~250mm。第二个准则是水位计的应用程度:探针式水位计常用于水工模型实验;浮子式和压力式水位计常用于水文站和实验站的水位监测;磁致伸缩式水位计已广泛应用于石油、化工原料储存等各种液罐的液位工业计量和控制。根据这两个准则,选择了4类水位计,分别为探针式、浮子式、磁致伸缩式和压力式,其中压力式2个,其他的各1个,合计5个水位计(见表1,表中分辨率指引起相应示值产生可觉察到变化的被测量的*小变化)。其他水位计如超声波水位计、雷达式水位计、气泡式水位计等的测量精度一般为厘米级,未能达到本实验水位计高精度比测的要求,故未加入比测。

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表1 参与比测的水位计信息 

探针式水位计是使用高精度电机带动探针在水面之上探测水面的位置,当探针向下运动接触到水面时,探针与水中预先放置的电极构成回路,形成一个闭合信号,探针立即向上运动几毫米的距离待测,等到下一个测量周期,继续向探测水面的位置。浮子式水位计是利用浮子跟踪水位升降,以机械方式直接传动记录水位变化;由光电开关旋转编码器、测轮、浮子、测缆、平衡锤、静水井、防护罩等构成;当水位变化时,静水井中的浮子即可带动测缆驱动测轮和光电开关旋转编码器旋转,输出与水位相对应的格雷码编码数据。磁致伸缩式水位计是利用磁致伸缩效应来获取水位,主要由测杆、电子仓和套在测杆上非接触的浮球或磁环组成。测杆内装有磁致伸缩管(即波导管),测杆由不导磁的不锈钢管制成,可靠地保护波导管。其工作原理是:由电子仓内电子电路产生一个起始脉冲,此起始脉冲在波导管中传输时,同时产生一个沿波导管方向前进的旋转磁场,当这个磁场与磁环中的长久磁场相遇时,产生磁致伸缩效应,使波导管发生扭动,这一扭动被安装在电子仓内的拾能机构所感知并转换成相应的电流脉冲,通过电子电路计算出两个脉冲之间的时间差,即可**地测出液位移量。压力式水位计是根据压力与水深成正比关系的静水压力原理,利用压敏元件作为传感器的水位计;压力式水位计的压敏元件有压力-电阻型和压力-电容型,在本文中对应称为压力式1型和压力式2型水位计。

本文选用精度为0.02mm,分辨率为0.01mm的电子游标高度尺(131-603型)作为水位计比测的参照水位计,在电子游标高度尺安装带有警报的测针,可以准确获取水位值。

1.2 实验设置

本文开展了4种条件下的水位计比测实验,包括静水稳定性比测、阶步式升降水位条件下的比测、模拟洪峰时的比测和天然径流过程中水位计比测。

1.2.1 静水稳定性比测

本文首先搭建适合多种水位计同时比测的装置,其结构包括测量筒、定水头装置和电子游标高度尺(图1(a))。测量筒为一个内径350mm、壁厚5mm、高120cm的有机玻璃筒,底部采用直径400mm、厚10mm的圆形有机玻璃板封闭。在距底部5cm处开一个直径10mm的侧孔作为排水孔或进水孔。将有6个水位计同时布设在测量筒中,具体位置见图1(b)。在静水条件下,启动各个水位计自动测量,其中探针式、浮子式、磁致伸缩式水位计每10s测量一次,压力式1型和2型因受自身监测系统的限制, 导致其*快只能每60s测量一次。各个水位计同步连续监测48h。

1.2.2 阶步式升降水位比测

由于升降水位比测实验可以在短时间内完成,不需要考虑蒸发对实验的影响。通过排水和补水可以改变测量筒内的水位。采用一个3000mL的塑料量杯,控制每次排水或补水的体积量约为2500mL,对应水位的变化量约为26mm。在阶步式改变水位过程中,探针式、浮子式、磁致伸缩式水位计每10s测量一次,压力式1型和2型每60s测量一次,可得到阶步式升降水位比测水位过程(图1(c),以探针式水位计为例)。在每个水位阶步,保持静止5min以上,使用压力式水位计能连续测量5个水位值,这样有利于统计误差分析。在各个水位计的测值都平稳时,采用电子游标高度尺测量相应的水位值。因为各个水位计自身测量水位时,水位基准值不一致,为了比较,将各个水位计测值的*小值作为零水头值,即把各个水位计的水位值都减去*小值得到水头。在不同水头下,将各个水位计的水头减去参照水位计电子游标高度尺的测量水头,作为水位计的比测指标。     1557029650988913.png

图1 静水稳定性比测实验装置和阶步式升降水位比测水位过程 

1.2.3 现场模拟洪峰比测

本文模拟洪峰比测的场地选在南大洼实验流域的流域出口处的观察室内(图2(a))。该实验流域内植被为森林,地表分水线闭合,面积为7897m2,上下游*大高差12.9m,地面平均坡度为13.7%~14.6%,三角堰水位变幅为0~12.9cm,流量变幅0~8.3L/s;矩形堰水位变幅0~34cm,流量变幅0~219L/s。南大洼流域布设了分层径流系统,分别可以监测槽面降雨、地表径流、0~50cm壤中流和50~100cm壤中流过程。水位计比测位置为地表径流集流沟的90°三角堰(图2(b)http://www.leidayeweiji.com/),地表径流行洪段宽38.2cm,堰顶部开口宽为30.0cm,堰顶高为25cm。在三角堰的静水池(图2(c))中安装探针式、浮子式、磁致伸缩式、压力式1型和压力式2型水位计各一个。采用12个100L的大水桶都装满水,向地表径流集水沟中快速倒水,水流先后进入到地表水沟的矩形堰和三角堰,形成模拟的洪峰。在模拟洪峰过程中,探针式、浮子式、磁致伸缩式水位计每10s测量一次,压力式1型和2型水位计每60s测量一次,可得到测量的洪峰水位过程。

1.2.4 现场天然径流过程比测

现场天然径流过程比测采用的实验装置布设方案与现场模拟洪峰比测相同。监测对象为2018年8月31日13时至24时之间的降雨产生地表径流经过三角堰时的水位过程线。该场降雨历时短,降雨强度大,*大雨强为1.9mm/min,总降雨量为35.5mm。

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图2 水位计现场比测实验装置

1.2.5 比测分析方法

水位计比测采用3个指标:

(1)优良误差,即各个水位计与参照水位计的测量值的差值:

ΔH=HiH0

(2)相对误差

δ=HiH0H0×100%

(3)综合优良误差,取优良误差优良值的平均值:

σ=1ni=1n|HiH0|

式中:Hi为某种型号水位计第i次的实测值,mm;H0为参照水位计(本文采用电子游标高度尺)的实测值,mm;n为升水位或降水位过程的变化次数。

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