关于东南沿海水文潮位设备简析
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摘 要：本文以上海海事测绘中心负责的东海海区辖区为例，分析讨论目前我国东海沿海潮位观测所广泛使用的水文仪器，今后并以此为基础进行研究，在北斗信息化的辅助下为进一步研发综合性的水文信息收集与处理平台提供思路，此时应作连续观测，并如实记录情况;读取水位时若遇到风浪较大等天气，也应作连续观测，取其中间值作为此刻的水位观测读数，读数精度精确至厘米。
关键词：潮位 观测 水文 设备
中图分类号：TV123 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）03（a）-0019-02
1 研究背景
沿海水文工作历来是各级政府高度重视和关注的领域，在航道测量、通航保障、生产生活和军事等方面有着重要基础的经济和社会效益。党中央和国务院也高度重视水文工作，水文在历年来的抗洪防台减灾等工作中，做出了巨大贡献，做好水文测报工作，为百姓谋福祉，服务人民。水文工作在水资源开发利用、工程建设管理、农业灌溉和城市用水、航运等方面也积极发挥了重要基础性作用。
2 目前情况
目前我国沿海潮汐观测使用的主流仪器设备为：水尺（人工观测）、浮子式水位计、雷达式水位计、压力自容式水位计、声学水位计等。
2.1 水尺（人工观测）
使用水尺进行人工观测，是之前仪器缺乏时最为广泛使用的方法。方法过程较为简单但同时耗费较多人力，在临时潮位站等作业中会使用，目前国内外均使用较少。通常将水尺安装在码头、引桥等桥柱或港区池壁上，在岸上一般固定在桩上确保稳固。使用过程中需要注意以下几个方面：水位读数时必须要保证时间的准确性;测次数除每整点一次外，还须作高潮和低潮的加密观测，根据潮汐规律推算出下次高潮和低潮的发生时间，并在这个时间前1h开始每10min加密观测一次;在某些海港若受浅海分潮等的影响，高潮后海面会略降后又上涨;或低潮后海面会略升后又下降。
2.2 浮子式水位计
浮子式水位计一般来说由两个基本部分组成：浮动系统和记录系统。浮动系统包括浮筒、平衡锤、钢丝绳、能借浮筒升降而转动的轴轮和随轴轮而转动的圆筒等。记录系统采用格雷码编码方式。浮子式水位计配接水位自动测报系统后，则可实现现场水位资料的遥测遥报，在沿海区域广为使用。
浮子式水位计是现今在长期站中普遍使用的潮位观测仪器，有专门验潮井或验潮管安置验潮仪。验潮井（管）是验潮站最主要的设备之一，口径约1m，底部应在最低低潮面以下40～50cm，上面通常有若干对海水进出孔和消波器孔，使验潮井（管）内的海水随外部海面的升降而升降，从而避免或减小波浪的影响。消波器孔的大小视安装当地海浪的大小而定，一般来说消波器孔的大小与验潮井（管）的口径大小之间的比例大约为1：10，在海浪很大的区域，消波器孔的大小再相对适当减小。除此之外，海水进出孔的大小是设计验潮井（管）的主要技术问题，过大会使内部的海面受到波浪影响，过小也会引起内外海面的不等而产生误差。
目前上海海事测绘中心所用浮子式水位计型均为WFH-2 型全量机械编码。WFH-2型全量机械编码水位计传感器部分由浮子感测系统和轴角编码器两部分组成。特点是浮子传感的结构简单，工作稳定可靠，使用和维修较方便;测井结构为小直径的工业管材，投资和建造费用相对较低、工期很短。而且使用的是机械编码，没有漏电和被雷击的困扰。同时利用了格雷码制，杜绝了非单值性误差。而间歇进位使得读数没有模糊区。结构设计为积木化、标准化和通用化，便于装配、检查和维修。其他的关键电子器件都择优选取了进口国际品牌产品。传感器用于感测天然水体水位变化的同时，通过轴角编码器将水位模拟量转换为数字信息量，以便满足数据信息的收集存储、传输处理和显示的需要。同样，此仪器也适用于内陆江河湖泊、水库、地下水、船闸等各种水工建筑物和水文站网的水位测量，为科研和防汛提供数据支持。
2.3 雷达式水位计
针对我国东南沿海潮汐規律及其特点，上海海事测绘中心在其管辖测量水域，选用了高精度、耐用、防污染和适合外界干扰因素控制的雷达传感器。雷达水位计包括无线雷达和有线雷达两种。目前常用的是以下两种：VEGAPULS 63和VEGAFLEX 81。
无线雷达的原理是将内部天线系统以极短的微波脉冲辐射到待测的介质上，使得这些脉冲从介质的表面反射后被天线系统再重新接收。无线雷达从信号的发射后，到再接收的时间取决于容器中的物位。而且可以利用一种专用的时间拉伸法可以可靠并精确地测量这些极短的时间并将之换算成物位。
有线雷达的原理是使高频雷达脉冲被耦合到一根缆（固料）或者一根棒（液体）上，并沿着该探头运行。脉冲被介质表面反射，测量仪表可以利用雷达脉冲所需的运行时间和输入的容器高度计算出物位。
2.4 压力自容式水位计
压力自容式式水位计一般是由传感器探头、水位记录装置和数据电缆线三部分组成。在实际使用的过程中，一般选择合适地点进行安装，以确保传感器探头会稳固安装在最低低潮面以下，同时确定传感器探头零点的高程，设立水尺以供仪器观测水位进行水密度订正。上海海事测绘中心同时为压力式水位计配接了自行开发研制的水位自动测报系统后，实现了现场水位资料的遥测遥报。
目前常用的自容式水位计为DCX-22自记式潮位仪。高精度、独立和电池驱动是DCX-22全独立水位数据记录器的特色，可以用于长期记录水深和温度。DCX-22是绝对压力水位传感器，内部电子部件和电池被封装在坚固、双密封的316不锈钢管内，用于长期沉入式测量。DCX-22全独立水位数据记录器不需要外部电线，可以用任何适合的电缆悬挂。从测量处取回DCX-22全独立水位数据记录器，再取下两端密封的端盖，即可进入DCX-22绝对压力水位传感器的数据端口，可以将所需时段的数据下载处理。 传感器必须安装在被测水体在仪器使用期间可能出现的最低水位以下，传感器安装要根据提前勘探当地的地形条件，从而确定安装实施方案。安装完毕后不能因受水流、风浪及人为的影响而发生传感器零点安装的高程变化。压力式水位遥测终端是利用压力传感器感应静水压力转换成传感器安装点的水深，再换算成水位的，安装点水深的测量精度是仪器的精度。影响仪器精度主要有以下几个因素：大气压变化;水体密度;含沙量、含盐度或温度等;压力传感器的零点漂移，长时间使用时漂移和温度产生的漂移;波浪和流等等。
压力式水位计使用时的注意事项：传感器不可碰接和跌落，否则会损坏内置的集成英芯片;通气电缆不得重压，与传感器连接部位也不可承受拉力作用，通气管内部不得进水;安装和使用过程中，必须注意要保证通气管与外界大气能够连通顺畅，不能将泥砂等异物弄入堵塞通气管中，水及其他液体也不能从通气管流入，否则将损坏变送器。
2.5 声学水位计
声学水位计系是采用声管传声、应用空气声学回声测距原理来进行水位观测的新型水位测量仪器。由收发共用声学换能器发射一声脉冲、声波经声管传声遇水界面产生反射，反射波由同一换能器接收。测得的声波在空气中的传播时间及现场声速，计算出声学换能器发射面至水面的距离，并依据声学换能器安装基准面和水位零点得到水位值。而且声学水位计设备成本低，供电便捷，可以在不太深的水域进行测量，但需要安装在离岸较近的水上固定平台。
以美国Aquatrak公司的声学验潮站Aquatrak 5000系列为例，采用专利技术提供可靠精确的潮位（水位）数据，考虑到了温度、压力和大气密度等影响，具备高精度、稳定可靠特点，可达到3mm。采用声学技术，仪器因此没有机械活动部件，不需要没入水中。同时耗电低、寿命长，经济维护少。传感器是由微处理器控制，有RS-232和 SDI-12两种接口，可与绝大部分的数据采集平台、电脑控制和调制解调器连接，传感器和控制端可以最大相距300米，应用广泛，尤其适合于无人值守的监测站进行长期监测工作。
3 结语
对于上海海事测绘中心而言，基于北斗通讯的海洋水文数据采集传输终端已安装在辖区各个站点。终端的验潮仪机箱外壳采用德国原装进口RITTAL（威图）机箱AE1001.600，防护等级达到了IP66。验潮仪外部供电采用太阳能+电瓶的方式进行供电，验潮仪内置LP3500 Fox微处理器，采用GPRS（CDMA）通讯模块进行实时水位数据传输处理。建设水文自动测报系统和海洋水文信息系统，建成水文信息传输处理、存储和服务一体化的水文信息服务系统，不断提高水位观测精度，实现实时水位数据网络在线发布，自主研发水文仪器新设备，实现水文现代化和智能化的科学应用。
对于以后的科技应用发展来说，针对沿海特点的离岸水文信息系统具有特定的优势。结构特点是具有2.4m海洋测绘信息浮标仪器，置于航标之上，水上部分自上而下为：顶标、航标灯、遥测天线、北斗卫导、浮标架、太阳能电池板、仪器和电池舱、2.5m浮鼓;水下部分自上而下为：ADP流速流向仪、声讯甲板单元、DELTEX聚酯锚链、沉块和水位仪组件。
如今科学技术飞速发展，北斗和遥感技术日益完善，离岸水文信息系统在观测范围的扩大、实时资料的采集和稳定传输方面有着稳定性，或将是今后沿海水文的重要发展方向。今后对于数据资料的采集传输要求也越来越高，数据资料的完整性和实时传输的稳定性不可或缺。对于促进海事水文的发展、保障航运、加强海洋船舶航行安全和提高航运效率具有积极的意义，为建设海洋强国服务。
参考文献
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