常用水位计在水利工程运行管理中的选型研究.pdf

第 36 卷第 4 期2023 年 10 月镇江高专学报Journal of Zhenjiang CollegeVol.36 No.4Oct.,2023常用水位计在水利工程运行管理中的选型研究张逸远1,2,傅 晓3,施 洁4,干佳馨5(1.东南大学 土木工程学院,江苏 南京 211189;2.江苏省太湖地区水利工程管理处 钟楼防洪控制工程管理所,江苏 常州 213016;3.江苏省太湖地区水利工程管理处 望亭枢纽管理所,江苏 无锡 214142;4.江苏省灌溉动力管理一处 抗旱排涝管理所,江苏 泰州 225300;5.江苏省泰州引江河管理处 工程管理科,江苏 泰州 225300)摘 要:水位计被广泛应用于水利工程运行管理中的水位监测。不同类型水位计的在设备成本、安装成本、维护成本、使用寿命等不尽相同。优选水位计有助于水利工程养护维修控制,保障工程日常有效监测。基于工程经济学理论,对比分析 5 种常用水位计,主要涉及在不同场景的安装、调试、维护、使用等作业情况,以期为水利工程中水位计的选型和应用提供参考和借鉴。关键词:水位计;水利工程;设备选型;经济寿命;设备安装中图分类号:TV213.4文献标志码:A文章编号:1008-8148(2023)04-0075-06收稿日期:2022-11-17作者简介:张逸远(1993),男,江苏镇江人,助理工程师,硕士生,主要从事水利工程运行管理研究;傅 晓(1993),女,江苏沭阳人,会计师,主要从事水利工程财务管理研究。水位计是水位自动监测的重要设备,广泛应用于水利工程运行管理。水位计类型众多,如浮子式水位计、激光水位计、雷达水位计等,它们在设备成本、安装成本、维护成本、使用寿命等方面不尽相同。优选水位计有助于水利工程养护维修控制,保障工程日常有效监测,提高水位测量自动化水平。笔者基于工程经济学理论,结合水利工程现场实际情况,厘清水位计的应用与选型。1 常用水位计对比 选取 5 种常用水位计即浮子式水位计、激光水位计、雷达水位计、超声波水位计、电子水尺进行比较分析。浮子式水位计为机械式结构,主要由浮子、平衡锤、水位编码器组成。安装时需建水位测井,有一定的施工难度,建设成本较高1,但使用寿命较长,适用于岸坡稳定、有建设测井条件的场景。设备运行时,浮子随水位变化上下移动。水位不变时,浮子与平衡锤两侧的力保持平衡,水位轮处于静止状态;水位上升时,浮子上浮,平衡锤随之拉动悬索带动水位轮顺时针旋转,水位编码器显示读数增加;水位下降时,浮子下沉,平衡锤随之拉动悬索带动水位轮逆时针旋转,水位编码器显示读数减小2。如 WFH-2A型浮子式水位计的浮子采用低重心不锈钢外配重材质结构,平稳性较好,能够在波涌环境下稳定工作,安装时采用 2030 cm 内径的水位测井,可降低安装成本3。激光水位计适用于短量程狭窄复杂环境,测量准确度较高。工作原理是利用激光测距技术,在水位计测量管内安装 1 个浮子,浮子随水位变化上下浮动,水位计的激光传感器将激光打到浮子表面并接收其反射激光,水位计根据激光往返时间自动计算距离,并输出电流模拟量信号,PLC 系统进行信号采集和运算,得到当前水位值。如 HX-DLS-050型激光水位计采用全铝铸造防爆外壳,防水等级为IP67,能耐受恶劣气候,适合长期室外使用的场景。雷达水位计是利用雷达波进行测距的电子设备。雷达波不受温度、湿度、风、霜、雨、雪等环境因素影响,雷达水位计运行稳定,测量精度极高,安装中不需要建立测井,安装成本相对较低。工作原理57是由传感器发射雷达波照射水面并接收其回波,由此获得由水面至雷达波发射点的时间,由于雷达波传播速度为常数,系统可自动计算当前水位值。如SEBAPLUS35 型雷达水位计精度极高,设备密封性极好,安装便捷,维护成本低,使用寿命长,但购置成本较高。超声波水位计是利用超声波测距的电子设备。超声波受流水波动、泥沙、漂浮物、水温等因素影响较大,使用范围有限。安装时不需要建立测井,安装成本较低。工作原理是水位计向水面发出超声波,水面反射超声波后,仪器测得超声波往返水面的时间,由系统计算当前水位值。如 YDZ-YL9 型超声波水位计穿透蒸汽能力、过滤障碍物能力、测量稳定性较以往超声波水位计有所提升。电子水尺通过传感器发射电磁波等形式进行水位测量,工作原理与雷达水位计类似,测量精度较高,安装简单且自由,可垂直安装,亦可倾斜安装,还可沿河道面自下而上阶梯安装,但量程较短。如HXCAR810D 型雷达式电子水尺采用不锈钢管式防护外壳,测量中可以有效过滤波浪干扰。5 种类型水位计主要技术参数对比如表 1 所示。雷达水位计设备价格最高,为浮子式水位计的 6 倍,量程、工作环境温度、功耗等参数最佳。其他 4 种水位计在各项参数上各有优劣,因此必须结合水利工程的现场情况进行选择。与此同时,5 种水位计的使用寿命、设备购置费、设备安装费差异较大,如浮子式水位计要配套建设测井,其安装费远高于其他水位计,无法通过这 3 项参数直接判断设备的经济性。因此需引入工程经济学中设备全寿命周期费用和经济寿命相关理论计算、分析不同水位计的经济性。表 1 水位计主要技术参数对比水位计设备型号最大量程/m精度/mm工作环境温度/功耗/W 使用寿命/a 设备价格/元台-1设备安装费/元台-1浮子式水位计WFH-2A4020-10+501.2015203 00050 000激光水位计HX-DLS-050102-20+600.8010156 60010 000雷达水位计SEBAPLUS35703-40+800.15152018 0008 000超声波水位计YDZ-YL93020-45+800.9610156 5008 000电子水尺HXCAR810D103-20+800.5010156 0008 0002 水位计经济寿命分析2.1 经济寿命分析原理设备的全寿命周期费用主要由设备原始费用、设备使用费、报废处理费构成。设备原始费用指采购设备中所包含的设备原价、运输费、安装费等;设备使用费指设备使用过程中的维护保养费、人工费等;报废处理费指处理旧设备所产 生 的 回 收 收 入、拆 卸 处 理 费 等,即 设 备残值。随着使用年限的增加,平均每年分摊的设备原始费用逐年减少,设备使用费逐年增加。当设备原始费用减少值大于设备使用费增加值时,使用设备是经济的,反之,不经济。设备的年平均费用最低时对应的时间就是设备的经济寿命4352-355。设备年平均费用Ct=P-Ftt+tt=1Qtt,其中,t 为设备使用年数,P 为设备原值,Ft为年度估计残值,Qt为年度使用费用,P-Ftt为年折旧费,tt=1Qtt为年平均使用费。2.2 经济寿命计算与对比根据水位计参数,取其使用寿命最大值,HX-DLS-050 型激光水位计、YDZ-YL9 型超声波水位计、HXCAR810D 型电子水尺为 15a,WFH-2A 型浮子式水位计、SEBAPLUS35 型雷达水位计为 20 a。按 0.68 元度-1的电价计算,浮子式水位计的年均电费为0.681.21 00024365=7.15,其他 4 种水位计功耗更低,故电费可忽略,不计入年度使用费用,年度使用费用主要为日常维护保养费用、设备部分耗材的更换费用。采用列表法计算 5种水位计年平均费用,如表 2表 6 所示,得出它们的经济寿命,再通过经济寿命期内的年平均费用判断水位计的经济性。67表 2 WFH-2A 型浮子式水位计年平均费用计算表 元tFtQtP-Ftttt=1Qttt=1QttCt11 50050051 50050050052 000275060026 1251 10055026 675340070017 5331 80060018 133440080013 1502 60065013 800540090010 5203 50070011 22064001 0008 7674 5007509 517162002 0003 30020 0001 2504 550172002 1003 10622 1001 3004 406182002 2002 93324 3001 3504 283192002 3002 77926 6001 4004 179202002 4002 64029 0001 4504 090表 3 HX-DLS-050 型激光水位计年平均费用计算表 元tFtQtP-Ftttt=1Qttt=1QttCt13 30070013 30070070014 00022 0008007 3001 5007508 05031 5009005 0332 4008005 83341 0001 0003 9003 4008504 75051 0001 1003 1204 5009004 020113001 7001 48213 2001 2002 682123001 8001 35815 0001 2502 608133001 9001 25416 9001 3002 554143002 0001 16418 9001 3502 514153002 1001 08721 0001 4002 487表 4 SEBAPLUS35 型雷达水位计年平均费用计算表 元tFtQtP-Ftttt=1Qttt=1QttCt19 0001 00017 0001 0001 00018 00026 0001 20010 0002 2001 10011 10034 0001 4007 3333 6001 2008 53344 0001 6005 5005 2001 3006 80054 0001 8004 4007 0001 4005 800152 0003 8001 60036 0002 4004 000161 5004 0001 53140 0002 5004 031171 5004 2001 44144 2002 6004 041181 5004 4001 36148 6002 7004 061191 5004 6001 28953 2002 8004 089201 5004 8001 22558 0002 9004 125表 5 YDZ-YL9 型超声波水位计年平均费用计算表 元tFtQtP-Ftttt=1Qttt=1QttCt13 20060011 30060060011 90022 0008006 2501 4007006 95031 6001 0004 3002 4008005 10041 2001 2003 3253 6009004 22551 0001 4002 7005 0001 0003 700115002 6001 27317 6001 6002 873125002 8001 16720 4001 7002 867135003 0001 07723 4001 8002 877145003 2001 00026 6001 9002 900155003 40093330 0002 0002 933表 6 HXCAR810D 型电子水尺年平均费用计算表元tFtQtP-Ftttt=1Qttt=1QttCt13 00070011 00070070011 70022 0001 0006 0001 7008506 85076002 5001 91411 2001 6003 51486002 8001 67514 0001 7503 42596003 1001 48917 1001 9003 389106003 4001 34020 5002 0503 390114003 7001 23624 2002 2003 436154004 90090742 0002 8003 707由计算可知,WFH-2A 型浮子式水位计、HX-DLS-050 型激光水位计、SEBAPLUS35 型雷达水位计、YDZ-YL9 型超声波水位计、HXCAR810D 型电子水尺的经济寿命分别为 20 a,15 a,15 a,12 a,9 a,若对使用年限要求较高,选择 WFH-2A 型浮子式水位计比较经济。根据各设备的年平均费用绘制曲线,如图 1 所示(红色为各水位计年平均费用最低点),比较其他 4 种水位计的选用经济性,根据计划使用年限选用相应的水位计:HXCAR810D 型电子水尺(5 a 以内)、YDZ-YL9 型超声波水位计(5 10 a)、HX-DLS-050 型激光水位计(1015 a)、SE-BAPLUS35 型雷达水位计(15 a 以上)。水位计实际选用时,除了考虑设备参数、设备经济性因素外,还需要考虑安装应用场景,因为安装难度、使用寿命、维护成本会因应用场景不同而变化。77图 1 年平均费用绘制曲线图3 水位计安装与应用场景分析3.1 浮子式水位计5 种水位计中,WFH-2A 型浮子式水位计在安装成本、施工难度等方面均最高,因为安装时需要配套建设水位测井,一般需要 12 月5,大大增加了安装成本和难度,而且安装地点也受限。选择测井位置时,要保证测井下端进水口内、外水位在各种水流条件下保持一致,能实现同步上升和下降。测井直径要满足一定要求,以保证平衡锤和浮子放入测井后不碰撞井壁6。完成水位测井施工后,需要在测井上方搭建测井平台,主要用于后续水位计安装,随后依次安装水位转轮、编码器、平衡锤、浮子。安装完成后需要校验水位计。将水位转轮上的钢丝绳提起,旋转水位转轮,当水位计显示水位值与当前实际水位值相同时放回钢丝绳,完成校验。浮子式水位计安装示意图如图 2 所示。图 2 浮子式水位计安装示意图浮子式水位计需要配套建设水位测井,因此适合有条件进行水位测井建设的测量环境。如石嘴山水文站位于宁夏石嘴山市黄河沿岸,河段泥沙含量大,且昼夜温差较大,原先使用的超声波水位计易受温度、泥沙杂质影响,故改用 WFH-2A 型浮子式水位计。在安装过程中,测井内加装了 1 套静水装置,可进一步减弱波浪对水位计的不良影响。水位计于2012 年投入使用,经多年比测数据统计,测量误差均能控制在限差标准以内。3.2 激光水位计激光水位计在安装时首先要架设水位计测量管。测量管一般采用镀锌钢管,直径越大越好,因为较大的管径可降低激光束打到钢管内壁的概率,防止测量出现较大误差。安装测量管时,先在墙面进行抱箍安装,再将测量管固定在抱箍上。测量管安装完成后,将浮子放在管内,放入前需将浮子上部做成一个平面,这样激光束射到浮子上才可实现有效反射。测量管底部与河底存在一定距离,为避免水位过低时浮子脱离测量管,需在测量管下端安装不锈钢网罩,在水位过低时兜住浮子。浮子安装完成后,用法兰盘将水位计探头固定在测量管上方,调节管盖,使激光束处在中心位置,发射激光,再微调法兰盘的调平螺丝使激光束打在浮子的位置,拧紧固定螺丝,完成探头固定。考虑室外安装,需在激光水位计外安装不锈钢外壳,加以保护。激光水位计安装完成并与上位机连接后进行校验。用水位计测量 3 次激光基准面到水面(即浮子反射面)的距离,取平均值 M,从附近水尺上读出实际水位值 S,水位计测量基准面高程 H,S=H-M,即水位值等于激光测量基准值减去激光测量值,测量87后将数据公式编入程序完成设置。激光水位计的安装条件要求不高,可以垂直于水面安装,亦可沿斜坡安装,适用场景较多。但一般量程较短,不能满足大量程的测量需求,且易受水面波动影响,适用于水库等流动性较小的静态水面。如钟楼防洪控制工程位于京杭大运河常州改线段,在非运行期,工程采用的弧形闸门停滞在弧形门库内,遭遇强降雨时,门库水位会暴涨,需根据门库水位及时给弧形闸门门体浮箱充水,以防止门体过轻上浮,损坏闸门支铰轴承等组件,因此必须准确有效监测门库水位。关闭的检修闸门将门库与京杭大运河阻隔,使门库水面保持平静,且该河段历史最高水位为6.42 m,对水位计量程要求不高,使用激光水位计较为合适。2019 年在南、北两侧门库挡墙附近安装 HX-DLS-050 型激光水位计,使用至今,一直保持精准检测,每年的维护成本也较低,尚未出现任何元器件老化损坏问题。激光水位计的安装、校验如图 3 所示。图 3 激光水位计安装(左)、校验(右)示意图3.3 雷达水位计如图 4 所示,雷达水位计安装较为简单,只需在测量水面岸边架设立杆和支架,将水位计主体固定在支架上即可。为保证支架在大风大雨等恶劣环境下不发生抖动,安装中需以较高刚度材料为支架。水位计主体的固定位置要保证在最低水位时雷达波不照射到岸坡上。5 种水位计中,SEBAPLUS35 型雷达水位计运行最稳定、适用环境最广泛,缺点是价格比较高,是其他几种水位计的 36 倍,因此应用广泛性不如其他几种水位计。位于陕西黄陵县的黄陵水 文 站 于 2012 年 进 行 改 造,购 置 安 装 了SEBAPLUS35 型雷达水位计,于 2013 年平水期和洪水期进行多次测量数据比测分析,误差均符合水位观测标准(GB/T 501382010)规定要求,该水位计的安装使用提升了水文观测的科技含量和水位站自动化水平,提高了水位观测数据的精度和可靠性7。图 4 雷达水位计安装示意图3.4 超声波水位计超声波水位计的安装方式与雷达水位计类似,即安装立杆和支架后将水位计主体固定在支架上。YDZ-YL9 型超声波水位计在原有超声波传感器的基础上增加了温度传感器,用于监测环境温度变化,当温度发生变化时对声速进行修正,提高测量的准确度。在水面波动大、流速快、含沙量大等环境中,超声波的传播会受影响,产生较大的测量误差。因此,超声波水位计适用于水流波动小、无漂浮物、水势平缓的场景8,如水库、小型湖面等。位于湖北荆州市的沙港水库是具有防洪、灌溉、供水等功能的中型水库,正常情况下为净水蓄水状态,水质清澈,水面波动小,适合应用超声波水位计。沙港水库于 2011年购置安装 YDZ-YL9 型超声波水位计并投入使用,当年的采测数据的比对分析均符合水位观测标准(GB/T 501382010)规定的精度要求,能够很好地实现水库水位自动化监测9。超声波水位计安装示意图如图 5 所示。图 5 超声波水位计安装示意图3.5 电子水尺电子水尺的安装方式与激光水位计类似,可垂直于水面安装,亦可沿斜坡面安装,不同之处是不需要额外安装放置水位计的测量管,安装流程更简便。电子水尺安装示意图如图 6 所示。97图 6 电子水尺安装示意图HXCAR810D 型电子水尺基于 TDR 时域反射和ETS 等效时间采样技术,具有高精度、高稳定性等雷达水位计所具备的优势,而价格远低于雷达水位计,缺点是量程较短且防雷效果差,适用于污水处理、城市道路积水、下水道等场景的水位监测。2005 年,在北京花乡桥、四惠桥等地的道路低洼地区积水监测系统建设中选取电子水尺作为水位测量设备。作为北京奥运会的配套设施,电子水尺在水情汛情监测中发挥了重要作用10。2020 年,在上海浦东机场周边重点路段和积水区域安装的电子水尺通过 4G 网络将水位监测数据接入智慧防汛平台,提升了机场的防汛能力11。4 结束语 综上所述,水位计的选用不仅要考虑技术、经济因素,还要综合考量水流速度、水体含沙量、安装方式、安装难度、设备成本、维护成本等。同一类型不同型号的水位计的量程、精度、价格等不尽相同。随着科学技术的发展,各类水位计不断改进,增强性能。在水利工程管理实际选用中还需要考量水位计的具体型号、使用场景、量程需求等,实现不同场景下水位的有效监测。参考文献:1 王忠武,杜君.常用水位计在水文自动测报系统中的选择J.黑龙江水利科技,2010,38(5):141.2 陈顺胜,周珂,吕忠烈.浮子式水位计进水口改良研究J.安徽农业科学,2014,42(10):3103-3104.3 郝岩刚,宋登洋,陶乐.WFX-40 型浮子式自记水位计在黄河上游的应用J.内蒙古水利,2018(6):52-53.4 黄有亮,徐向阳,谈飞,等.工程经济学M.3 版.南京:东南大学出版社,2015.5 张应辉.浅谈山区型河流水位计的选型J.水利水文自动化,2008(4):45-46.6 邵明猛,张健,董传强.南水北调长沟泵站三种水位计的应用及改进措施J.水利建设与管理,2022,42(1):37-42.7 王宝童.SEBAPLUS35 型雷达水位计在黄陵水文站比测分析及应用J.陕西水利,2015(4):110-111.8 周杰.浅谈超声波水位计在水闸工程中的应用J.治淮,2022(3):36-38.9 张健.YDZ-YL9 型超声波水位计在沙港水库的应用比测分析J.广西水利水电,2012(4):11-13.10 徐海军,刘林海.电子水尺在城市道路积水监测系统中的应用J.水利信息化,2010(3):45-47,57.11 陈岑,章悦,张晓鸣.电子水尺、远程气象终端浦东机场升级“智慧防汛”EB/OL.(2020-07-03)2022-01-16.https:/ 蕊A study on the selection of common water level gauges in the operation andmanagement of water conservancy projectsZHANG Yiyuan1,2,FU Xiao3,SHI Jie4,GAN Jiaxin5(1.School of Civil Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China;2.Zhonglou Flood Control Engineering Management Office,Tai Lake District Water Conservancy Project Management Department of Jiangsu Province,Changzhou 213016,China;3.Wangting Hub Management Institute,Tai Lake Distruct Water Conservamcy Project management Department of Jiangsu Province,Wuxi 214142,China;4.Drought and Flood Control Management Institute,Irrigation Power Management Department of Jiangsu Province,Taizhou 225300,China;5.Project Management,Taizhou River Navigation Management Department of Jiangsu Province,Taizhou 225300,China)Abstract:Water level gauges are widely used in water level monitoring in the operation and management of waterconservancy projects.Different types of water level gauges are different in terms of equipment cost,installation cost,maintenance cost and service life.The optimization of water level gauges will help to save the maintenance cost ofwater conservancy project and guarantee the daily effective monitoring of the project.Using the theory of engineeringeconomics,a comparative analysis is conducted on five common water level gauges,and a detailed introduction isgiven to their installation,debugging,maintenance,and use in different scenarios,in order to provide referencesand examples for the selection and application of water level gauges in hydraulic engineering.Key words:water level gauge;water conservancy project;equipment selection;economic life;equipment installation08