3.2　水位观测设施

水位是最重要的水文要素,它除了直接表示各种自由水体的水量的多少,反映径流过程中水面的高低变化,还和流量测验有密切关系。流量站和水位站都设有基本水尺断面,某些测站因闸坝、分汊等原因呈现“一站多断面”而具有多个水尺断面,有的测站还根据需要设置有辅助水尺断面。每一处水尺断面,都需要设置水位观测设施,供人工观测水位或安装自记水位计使用。保证水位观测的可靠、连续是水位观测设施的根本使命。

3.2.1　水尺断面基础设施

水位观测设施主要是水尺、水位观测平台、水位计架。

水尺是观测各种水体水位的标尺。水尺设备简单,使用方便,是每个水位观测站点必需的水位测量设备。水尺是人工观读水位以外其他水位测量手段的基准,所有水位仪器的水位校核都以水尺水位为依据。水尺按照其使用周期或耐用程度分为永久性水尺和临时性水尺两种,根据水尺的安置形态和结构特点分直立式水尺、倾斜式水尺、矮桩式水尺、悬锤式水尺和测针式水尺5种类型,具体根据地形条件和使用需求确定。

水位观测平台是自记水位计的安装保护设施,是最重要的水位观测设施,也是重要的水文测站基础设施。水位观测平台主要包括测井、仪器房、栈桥以及支架等附属设施,自记水位观测平台测井和附属设施也称为自记台。按其在断面上的位置和布置形式可分为岛式、岸式或岛岸结合式3种形式。水文(水位)站选用何种形式水位观测平台,可根据测站地形条件、水位变幅、河道冲淤变化等情况,因地制宜加以选择。通常,总是希望一套水位观测设施能够适用所有水位级,但可能受地形条件、河道冲淤变化的限制,有些测站在同一水尺断面上一个水位观测平台不能满足各水位级观测要求,需要在断面上设立不同水位级使用的水位观测平台。

随着科技发展,雷达水位计、压力式水位计(包括压阻式和气泡式)等水位观测仪器在一些无法建造或无必要设立自记井或水位观测平台的地方的应用,在水尺断面上需要给测量传感器设置水位计架(包括缆风绳)、气缆管道和设立控制设备机箱的支架等。如同水位观测平台一样,也可能根据不同水位级使用的需要设置多个水位计架。

流量站和水位站,在基本水尺断面和其他水尺断面各设立永久性水尺或水尺组,建造水位观测平台。采用比降面积法测流的测站,对上下比降水尺断面需要设立永久性水尺或水尺组,建造水位观测平台。除此之外的其他水尺断面,大河控制站往往根据需要也设成永久性水尺(或水尺组)和建立水位观测平台,区域代表站可根据需要将其设成永久性水尺(或水尺组)和建立水位观测平台,小河站一般只设立相对固定水尺。“一站多断面”的,如果“断面”水位资料为独立的一站资料系列的,按独立测站设立永久性水尺(或水尺组)和建造水位观测平台。对于辅助断面,可根据需要设立永久性、半永久性的水尺(或水尺组),对水位资料连续性和精度要求较高的也可建造水位观测平台,实现水位自动记录。临时或者短期观测的水尺断面,可以设置临时水尺(或水尺组)。对于由多支水尺构成水尺组的断面,通常还需要建立阶梯步道供观测使用。水位计架的设置由所安装的水位仪器设备组成和地形条件确定,可选择混凝土桩(打入桩或灌注桩)、钢结构塔架(含地基)、钢管支架(含地基)、气缆管道等构件构筑。

3.2.2　水尺

尽管水尺作为测量器具属于仪器设备,但有刻划的水尺标尺无论是搪瓷铁板、不锈钢、玻璃钢等哪种材质,往往都仅仅是尺面,其强度和结构都不具有独立牢固安置的功能,所以水尺断面都需要为水尺设立水尺桩,将水尺标尺固定在水尺靠桩上。

1.直立式水尺

直立式水尺是垂直于水平面的一种固定水尺。通常是由水尺标尺(尺面)和水尺靠桩组成,结构简单,观测方便,测站普遍采用。一般在断面上设置一组水尺靠桩,将红蓝或红黑两种颜色的水尺标尺交替固定在水尺靠桩上,构成一组直立水尺,如图3.1所示;另一种是长桩水尺,在较长的槽钢、水泥桩上,采用红蓝或红黑两种颜色的水尺标尺交替拼接在水尺靠桩上或者定制整根水尺标尺安装在水尺靠桩上。

水尺靠桩布设应使得整个水尺组或长桩水尺的观测范围高于测站历年最高水位、低于测站历年最低水位0.5m。同一组的各支水尺应设置在同一断面线上。水尺组中相邻两支水尺之间要有不小于0.1m的重合,若经常出现较大风浪,重合部分应适当增大,以保证能连续观读水位。

为了避免水流经过水尺靠桩时产生水面壅起而给水尺读数带来误差,需要将水尺靠桩的截面做成流线型。靠桩浇筑在稳固的岩石或水泥护坡上,或直接将靠桩打入或植入河床中。水尺靠桩可采用木桩、钢管、型钢或混凝土等材料,水尺靠桩要求牢固,避免下沉或倾斜。简易条件下可用直径10～20cm的木桩做成,表面用轻制沥青做防腐处理。水尺靠桩入土深度大于1m(1.0～1.5m);松软土层或冻土层地带,埋设至松土层或冻土层以下至少0.5m;在淤泥河床上,入土深度不小于靠桩在河床以上高度的1.5倍。构筑水尺靠桩在最后封固前,应作垂直度校正。

2.倾斜式水尺

倾斜式水尺(也称斜坡水尺),是沿稳定岸坡或水工建筑物边壁的斜面设置的一种水尺,如图3.2所示,其刻划值按该标尺坡度的正弦值,其刻度直接指示相对于水尺零点的垂直高度。

当断面极少受风浪影响,岸坡很稳定,边坡规则平整,整个坡面能覆盖大部分或整个水位变化范围时,可以采用倾斜式水尺。在安装时,将断面的岸坡整修出整条或分段规则的石质或混凝土的斜坡,在此斜坡上直接安装定制或通用的水尺标尺,也可用水准测量方法测出各转折点的高程后直接刻画水尺刻度,采用通用标尺的需要通过测量给出读数换算表。

3.矮桩式水尺

矮桩式水尺是由设置于观测断面上的一组永久性基桩(即矮桩)和便携测尺组成的水尺。这种类型的水尺主要是针对通航影响、漂浮物影响和宽浅式测验断面而采用的一种方式。在断面上,参照直立式水尺组的靠桩设置要求,在各水尺位置设造桩顶露出坡面5～20cm的水尺靠桩,桩顶预埋直径2～3cm、头部为半球形的金属芯体,河床为坚固岩体的可以直接凿孔埋植或熔铸金属芯体。观测时,涉水放置水位测尺于水面以下某一桩顶金属芯球顶上,即可根据其高程和水面在测尺上的读数来确定水位,如图3.3所示。相邻矮桩之间的桩顶高差一般在0.4～0.8m之间,较为平坦的岸坡可在0.2～0.4m之间。

测尺可用普通水尺标尺、木尺、玻璃钢尺、铝合金尺,流速较大的应将截面制成菱形。

4.悬锤水尺

悬锤水尺是由一条带有配重体(重锤)的测绳、卷尺所构成的水尺,用于从水面以上某一已知高程的固定点测量距离水面的竖直高差来计算水位。悬锤水尺需要有稳固的测桥、水工建筑物岸壁平台、坚固的陡崖等人工建筑或自然地物为依靠,在读数位置设置金属檐口用于和悬锤水尺相切进行读数,为了便于观测确保安全一般还需要设置护栏。

5.测针式水尺

测针式水尺也称水位测针,是由带有螺旋驱动或齿轮驱动装置和可以伸缩运动的一根针形金属测杆所构成的水尺。测量时将它降低直到接触水面,根据其读数来确定水位,水位测针包括下探观测的直针式测针和上提观测的钩形测针两类。严格地说,水位测针属于水文仪器设备,是机械量具,主要用于渠道和高精度水位观测,但它需要非常稳固的基础结构安装和支撑,并可根据需要设置工作平面供观测人员操作时站立。

3.2.3　水位观测平台

完整记录水位的变化,特别是洪水、枯水的水位过程,是水文测验中非常重要的任务。这不仅是因为水位资料本身具有重要的应用价值,而且对于多数利用水位流量关系推算流量的测站,必须通过连续的水位记录得到连续的流量过程资料。因此,需要依靠建造水位观测平台,设置自记水位井,安装自记水位计,实现水位观测与记录的连续与可靠。

3.2.3.1　平台的设计标准

1.测洪标准

考虑测洪标准可以简单理解为考虑水文观测平台运行的有效量程。在测洪标准设计范围内,水位观测平台需要能够正常运行,满足水位计工作的保障需要。《水位观测平台技术标准》(SL 384—2007)要求:大河重要控制站,水位观测平台测洪标准应高于50年一遇,或不低于当地和下游地区防洪标准;大河一般控制站,水位观测平台测洪标准应高于30年一遇,或不低于当地和下游保护区防洪标准;区域代表站,水位观测平台测洪标准应高于20年一遇;小河站,水位观测平台测洪标准应高于10年一遇;湖泊站、潮位站水位观测平台的测洪标准应高于最高洪水位或堤顶高程,濒海潮位站还需考虑波浪附加影响;水库、闸坝站水位观测平台的测洪标准应高于水库、闸坝最高蓄水位。

2.防洪标准

①水位观测平台的防洪标准不能低于当地经济生产和社会生活的防洪标准,能够安全、可靠实施观测,否则会导致水情尚未达到当地的防洪标准,却因水文测验基础设施损毁导致水文测验不能有效进行而无法满足防洪对水文资料的直接需求。②水位观测平台的防洪标准还必须高于测洪标准,不致于在设站任务要求范围内出现水文测验能力的丧失,能够保障在设计测洪标准内有效获取洪水水文资料。

现有技术规范要求:对于大河重要控制站,水位观测平台防洪标准应高于100年一遇,若受水利工程调节影响或地形条件限制不能满足这一要求,其防洪标准也不能低于近50年来发生过的最大洪水;大河一般控制站,水位观测平台防洪标准应高于50年一遇,若受水利工程调节影响或地形条件限制无法达到这一要求,其防洪标准也不能低于近30年来发生过的最大洪水;区域代表站、小河站,其防洪标准应高于30年一遇;湖泊站、潮位站的水位观测平台防洪标准应明显高于历史最高洪水位或堤顶高程,濒海潮位站还需考虑波浪附加影响。

实践中,有些测站在经济和环境条件允许的情况下,可以对水位观测平台适当提高防洪标准和测洪标准,这样可以在超标准洪水来临时有效进行观测,提高水文监测的能力。

3.抗震标准与防雷标准

对于大河重要控制站、大河一般控制站和大型水库(湖泊)站,需要按照《建筑抗震设防分类标准》(GB 50223—2008)甲类建筑抗震标准设防,区域代表站和中小型水库(湖泊)站按乙类建筑抗震设防,小河站按丙类建筑抗震设防。

水位观测平台应按照《建筑物防雷设计规范》(GB 50057—2010)的第三类防雷建筑物要求设计,接地电阻应小于10Ω,在平台的仪器房内设置等电位体和等电位连接。

4.荷载

水位观测平台的设计,需要按规定计算或确定荷载。作用于水位观测平台及附属物上的荷载可分为永久荷载、可变荷载、偶尔荷载3类。其中永久荷载(恒荷载)包括自重、土重、固定的仪器设备重等;可变荷载(活荷载)有平台面活荷载、栈桥面活荷载、风荷载、雪荷载、水冲击荷载等;偶尔荷载主要有撞击力、地震作用等。设计时要采用使用中同时作用负荷最不利组合,通常有下列组合:永久荷载、水冲击荷载和其他活荷载组合;永久荷载、风荷载、雪荷载和撞击力组合;永久荷载、风荷载和潮(涌)水撞击力组合。

3.2.3.2　平台的选择与设造

1.平台布置

水位观测平台按布置型式,根据在断面上的相对位置,一般分为岛式、岸式、岛岸结合式。岛式平台适用于河床稳定,不易受冰凌、船只和漂浮物撞击的测站;岸式平台适用于岸边稳定、岸坡较陡、淤积较少的测站,也适用于断面附近船只靠泊、河流漂浮物、冰排较多和存在碍航情况的测站;岛岸结合式适用于中低水位易受冰凌、漂浮物、船只碰撞的测站。

2.测井结构

水位测井按照与平台的关联性,分为一体测井、独立测井两种。一体测井的井体即为仪器室的基础载体,通常为混凝土浇筑或浆砌结构;独立测井则是在码头、桩台、桥台上与之分离的测井,通常为钢管、聚氯乙烯硬管等。独立测井对于受水生物附着影响、海水腐蚀影响、平台下部淤积影响显著的地区,具有方便平台周围清淤、测井维修更换的优点。

水位测井按照井体与河底的关系,分为坐床、悬空两种。坐床式测井为平台一体测井,其底部基础直接设造在河床中;悬空式测井为独立测井,底部悬空在水中,靠连接件和紧固件扶持。

水位测井按照井体与河水侵入与否,分为湿式、干式两种。湿式测井为坐床式测井、悬空式测井,即测井外部亲水;干式测井为地下室结构的岸式平台采用,整个测井置于室内,用进水管导入水体。湿式和干式的最大差别是排沙清淤的机制不同,湿式是设施清淤,需要器具进入井内;干式是设备清淤,仅需使用井底阀。

水位观测平台的布置需要根据断面情况和测验环境决定,但测井形式则要在平台布置方案基础上,考虑测验环境情况和使用维护需要,对平台与测井的结构关联、测井是否坐床、测井井体是否入水等布置方法加以选择和确定。

3.进水管

无论岛式、岸式、岛岸结合式,除了直接进水的悬空式样测井,都需要不同长度的进水管。进水管的布置分水平式进水管、虹吸式进水管、虹连式进水管和管嘴式进水管4类。水平进水管适用于岸坡较稳定,滩地较短,河流含沙量较少的测站;虹吸及虹连式进水管适用于河床较稳定,河底坚硬、滩地较高的测站,也适用于采用岸式平台的测站,虹连式进水管尤其适合干式测井;管嘴式进水管适用于悬空式测井,用于调节进水阻尼中局部水头损失与沿程水头损失的配合。进水管横截面为方形或圆形,可采用钢管、混凝土管、塑料管、陶瓷管等材料,坐底测井的水平式进水管也可用砖、石砌成暗渠等形式,根据需要可以设置多个不同高程的进水管。结冰的河流或有封冻的地区,进水管设置需在冰冻线以下。有消浪要求的,需要在消除测井涨落滞后的前提下,尽量增加进水管阻尼作用,且只能采用单一进水管。

4.沉沙池

由于自然水体含有悬浮物、泥沙,当外部水体进入测井后,会产生一定的沉淀,因悬浮物和含沙量的不同而淤积程度不同。为此,需要在测井底和进水管前部设计防淤和清淤设施。为此,测井的入水口设计为高出测井底部0.3m以上,并需沿进水管布置一定数量的沉沙池,而且沉沙池的进水管也要高于河床0.3m以上。通常,沉沙池为方形或长方形等形式,一般采用钢筋混凝土、砖砌、石砌或其他材料。

5.平台的设造

水位观测平台根据建站目的和观测精度的要求选定在测验河段水位代表性好、有适宜的建设条件的位置设造。拟建位置应岸坡稳定,不易冲淤、主流不易改道,不受回水和水工建筑物出流影响,沿海地区还要考虑尽量避免风浪的直接冲击。为了与基本水尺的水位一致,水位观测平台应靠近基本水尺断面,两者间距应不大于3.0m。

6.结构要求

湿式、坐床式、一体式测井需要考虑受水流阻力影响,截面一般建成圆形、椭圆形。为满足使用需要,测井要有足够的截面尺寸容纳水位计部件,并保证任何部件在运行中距井壁有7.5cm以上的间隙,一个测井内安有两台或两台以上水位计的,其部件之间需要距离12cm以上。测井底面和井口高程应超出设计量程各0.5m以上。需要注意的是进水管长度,虹吸式进水管的最大虹吸高度不宜超过7.0m,而水平式进水管需要设计一定的坡度,且坡度不低于1/100。最重要的一点是应保证进水管和沉沙池密封不漏水。

3.2.3.3　常见的平台和进水管形式

《水位观测平台技术标准》(SL 384—2007)对水位观测平台的设计提出了详细的要求,对于各种平台类型的适用条件、设计标准、结构要求、荷载要求、型式设计、基础设计、布置设计等提出了系统的规定。以下是常见的水位观测平台或进水管布置形式:

1.岛式平台

岛式平台主要由进水管、检测孔、沉沙池、淘沙廊道、测井、仪器室、栈桥、桥墩等组成,如图3.4所示。该平台的特点是采用直立式、平台一体化、坐床、湿式测井,水平进水管,具有前端沉沙池和井底沉沙池。

2.岛岸结合式平台

岸边稳定、进水管路径较短、开挖敷设容易的,适合建岛岸结合式水位观测平台,主要由进水管、沉沙池、测井、仪器室、栈桥等组成,如图3.5所示。

3.虹吸式进水管(室内阀门)

水位变差不大,进水管路径较长,不易开挖敷设管路的适合采用虹吸式进水管(室内阀门),如图3.6所示。

4.虹吸式进水管(室外阀门)

采用岸式平台,且河堤内建造,水位变差不大,进水管路径较长,不易开挖敷设管路,适合采用虹吸式进水管(室外阀门),如图3.7所示。

5.虹连式进水管

水位变差不大,进水管路径较长,不易开挖敷设管路,适合采用岸式平台、虹连式进水管,如图3.8所示。对于悬浮物和泥沙较多的,可以在测井底部设置排污阀,进水管从测井底部上方0.5m处接入。

3.2.3.4　测井水位滞后量

水位测井相当于连通管,进水管的沿程水头损失,进水管与沉沙池和测井结合部构成的局部水头损失,都会导致测井内外水位差。过大的水位差导致水位计不能准确记录瞬时水位,而过小的水位差则会因阻尼不足引起外部波浪传入测井,同样也导致悬浮物、泥沙沉积的增加。《水位观测平台技术标准》(SL 384—2007)对于测井内水位滞后量和测井内外含沙量差异引起的水位差都要求不超过2cm。为此,在设计测井和进水管时,需要合理确定测井及进水管横截面的关系。需要说明的是,水位观测总不确定度一般不超过2～3cm,因此测井的内外水位差仅仅是水位误差的组成部分,具体指标需要综合考虑误差并加以衡量确定。

1.测井水位滞后量计算

2.测井内外水体密度差异引起的水位差计算

3.2.4　水位计架

常见的水位计架有以下几种材料和结构:钢管及法兰、型钢桁架、铁塔及支臂,水位计架建设也还需要相应的地基基础。此外,根据需要还可能设置防护围栏、避雷接地、警示及安防装置,以免受到动物、人、雷电、大风等人为破坏或自然损坏。

需要说明的是,并非所有的测验河段都具备建设水位观测平台或自记井的条件,有的河段因地形条件、通航影响等限制无法建设平台;有的河段因河道冲淤变化大、气候条件不利等因素而无法维持自记井正常运行;有的地方因土地资源不足无法建造水文测站和较大的基础设施。也有一些测站,因为管理上的变化或者任务需求的特点,并不需要设立站房、观测平台和自己井,而是采用浮子式水位计以外的其他类型的自记水位计,这就需要为之建造相应的水位计架(包括缆风绳)、气缆管道和辅助支架,用以固定测量传感器、控制器机箱、信号传输天线、避雷装置等。