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【摘要】：水位是水文测验的基本项目之一.水位观测数据是研究河床冲淤、河势工情变化、水文情报和服务防汛抗洪指挥的重要依据。目前，兰考黄河水位观测,存在着非汛期小流量过程中自记水位计塔或直立水尺脱河,严重影响水位的连续性，为解决此问题，本文提出了激光测距仪观测水位的新方法。
【关键词】： 水位观测 水尺 激光测距仪 兰考黄河
中图分类号：C35文献标识码： A
前言
黄河水文变化复杂、测验条件困难,为适应黄河条件,多年来经过不断探索和实践, 黄河水位观测技术，由直立固定水尺发展到活动水尺和各种适合测站特性的自記水位计、遥测水位计,大致可分为直读式水尺观测、研制推广应用超声波水位计等发展阶段。
兰考黄河河段黄河水位观测从1956年东坝头险工27护岸的混凝土墩直立式水尺观读、直立式木桩搪瓷水尺观读，后逐渐推广利用工程块石护坡稳定的条件修建斜坡式水位观测，20世纪90年代以来又推广应用非接触气式（超声波）水位计，将水位观测向现代化迈进了一大步。
黄河水位观测存在的问题，在于非汛期小流量过程中，固定的自记水位计塔脱河情况普遍，仍需要最原始的水尺“直接”方式观测水位。
因此，研究出一套适合大多数测量场所使用，并且造价低、施工方便的水位测量装置意义重大。根据这种需求，在兰考黄河水位测报系统建设中，研发“激光测距仪在黄河水位站测量水位上应用的可行性” ，这是一个需要研究和解决的课题。
1.兰考黄河水位观测现状
兰考黄河河段现共设夹河滩护滩工程、东坝头控导、东坝头险工和蔡集控导工程四处水位观测点。由于该河段黄河水文变化复杂、测验条件困难,为适应黄河条件,多年来经过不断探索和实践, 兰考黄河水位观测技术，由直立木桩搪瓷水尺、混凝土墩水尺、工程护坡斜坡型水尺及超声波自记水位计等发展阶段。
（1）以直立木桩搪瓷水尺为主的第一阶段：兰考黄河河段为宽、浅、散乱的游荡型河床，主流摆动频繁，河床冲淤急剧，多漂浮物，导致水尺冲失严重，一次洪水过程，一个测站往往冲失几十根水尺桩，严重影响水位观测的连续性，并因频繁补设水尺而增加了劳动强度。
（2）以建立混凝土墩水尺、工程护坡斜坡型水尺主的第二阶段：为克服直立木桩搪瓷水尺易冲失的情况，1995年兰考局根据工程稳定情况和河势稳定的情况下，在东坝头险工17护岸设立了混凝土墩水尺、工程护坡斜坡型水尺。
（3）推广应用非接触超声波水位计阶段：针对兰考局使用直立木桩搪瓷水尺、混凝土墩水尺、工程护坡斜坡型水尺仍存在的问题，20世纪末，兰考局在东坝头险工26垛推广应用了HW——1000型非接触超声波水位计。
2.存在问题
兰考黄河河段为宽、浅、散乱的游荡型河床，主流摆动频繁，河床冲淤急剧。兰考局夹河滩护滩工程、东坝头控导和蔡集控导等工程的传统直立式木桩搪瓷水尺及东坝头险工上的混凝土直立水尺和非接触超声波水位计在安装和水位观测方面存在着以下各种问题：
其一，水尺一般固定在根石坦坡上，设置难度大；
其二，根石易走失下蛰，使水尺移动或被水流冲毁、冲失；
其三，水尺处易淤积、易变水流方向、易挂带漂浮物等；
其四，因小流量情况下脱河时间长，造成水位无法连续观测；
其五，占用人员多,观测数据误差大,工作量大并存在一定的危险性；
其六, 长期以来,每年的防汛期间需要多次补充水尺，给水位观测工作带来诸多不便。
3.激光测距仪测量黄河水位的可行性
3.1、激光测距仪的测量水位装置工作原理
采用水准仪等测量仪器的水平调整方式，利用3、4个可调螺丝进行精确整平，使激光测距仪光线处于精确水平位置；然后利用经纬仪垂直角度测量原理对准水准基点上树立的标尺（基点高程H、水尺读数I），测出基点距仪器中心的长度L1和垂直角度α1，换算出测距仪水平光线高程H1；而后再将激光测距仪光线照准水边参照物（水面上浮子或水边固体物水边线）测量距离L2和垂直角度α2，换算出水位数值H2。本文设计的激光水位测量装置，其计算方法如下：
1）计算测距仪水平光线高程H1
H1 = L1 * sinα1 +H+I
2）计算水位高程H2
H2 = H1 -L2 * sinα2
3.2、实现水位测量的可行性主要条件
3.2.1、参照物（水面上浮子或水边固体物水边线）的设计
出于视力和安全原因，激光测距仪的光线不能对准彩色液体（水）或玻璃测量，解决这一问题的方法就是在水面上布置参照物（水面上浮子或水边固体物），要求必须上下活动自如，正确反应出水位变化，即在水面上设置一个由细钢丝绳链接的带有反光设置泡沫材质的固体结构或在水边稳定固体物用油漆刻制明显的反光标记。
3.2.2、激光测距仪测水位装置的可维护性
激光测距仪测水位装置能否正常运行，可维护性是关键，在该装置中，能否对参照物（浮子或其他固体物）进行维护，是该装置能否用于工程实际的关键环节。正常运行时参照物应处于自由状态，当需要检修时，可使用一种专用的配套设计工具，使参照物能正确自如的反应水位变化情况。
3.3、精度分析
激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器，其中手持激光测距仪是目前使用范围最广的激光测距仪，测量距离一般在200米内，精度在±2mm，测量水位的测量精度可达到10mm是比较合适的，也符合水位测量规范要求。
在不好的天气或者黎明，这是没有问题的。当阳光照射的时候，激光点会变得模糊。距离超过15米的情况下，我们推荐使用我们的激光增强眼镜。通过红色的眼镜激光点能看的更清楚。更专业的方法是我们的4倍 (外置)或2倍 (内置)放大倍率的望远瞄准镜。在测量近100米的距离时，你不能看到激光点，镜头里的十字丝可以瞄准目标。
3.4、应用激光测距仪观测黄河水位的优点
在黄河流域上应用激光测距仪观测水位对比现在使用的水位观测方法，具有如下优点：
(1) 体积小巧，携带方便，能灵活应用于各个工程的水位观测中；
(2) 不受河流变化的影响，增大了水位观测范围，给实现水位连续观测的奠定了坚实基础；
(3) 可大幅缩短测量时间和大幅度的降低了各工程水位观测所需费用；
(4) 200米范围内测量精度可以达到0.002米，且望远镜可以进行视度调节，可以进行更加精准的观察，大大提高了水位观测精度；
(5) 可以测量高度，高差，光线距离，倾斜角度；
(6) 多种测量模式：最近、最远和连续测量功能；
(7) 可消除人为因素产生的测量误差；
(8) 测量结果的保存、检索、统计处理变得简单易行。
4、结论
通过以上对在兰考黄河工程水位观测点上应用激光测距仪观测水位方法的分析，该方法的研发和应用，将彻底克服现兰考黄河水位观测中出现的各种问题，可为国家防汛指挥系统、国家水调自动化系统水位观测提供一种新型的观测手段，也可广泛用于水库、湖泊、水电站等新建水位遥测站中，可以较低的工程费用实现水位连续观测的目的，其社会和经济效益意义重大，具有很好的推广使用价值。
【关键词】： 水位观测 水尺 激光测距仪 兰考黄河
中图分类号：C35文献标识码： A
前言
黄河水文变化复杂、测验条件困难,为适应黄河条件,多年来经过不断探索和实践, 黄河水位观测技术，由直立固定水尺发展到活动水尺和各种适合测站特性的自記水位计、遥测水位计,大致可分为直读式水尺观测、研制推广应用超声波水位计等发展阶段。
兰考黄河河段黄河水位观测从1956年东坝头险工27护岸的混凝土墩直立式水尺观读、直立式木桩搪瓷水尺观读，后逐渐推广利用工程块石护坡稳定的条件修建斜坡式水位观测，20世纪90年代以来又推广应用非接触气式（超声波）水位计，将水位观测向现代化迈进了一大步。
黄河水位观测存在的问题，在于非汛期小流量过程中，固定的自记水位计塔脱河情况普遍，仍需要最原始的水尺“直接”方式观测水位。
因此，研究出一套适合大多数测量场所使用，并且造价低、施工方便的水位测量装置意义重大。根据这种需求，在兰考黄河水位测报系统建设中，研发“激光测距仪在黄河水位站测量水位上应用的可行性” ，这是一个需要研究和解决的课题。
1.兰考黄河水位观测现状
兰考黄河河段现共设夹河滩护滩工程、东坝头控导、东坝头险工和蔡集控导工程四处水位观测点。由于该河段黄河水文变化复杂、测验条件困难,为适应黄河条件,多年来经过不断探索和实践, 兰考黄河水位观测技术，由直立木桩搪瓷水尺、混凝土墩水尺、工程护坡斜坡型水尺及超声波自记水位计等发展阶段。
（1）以直立木桩搪瓷水尺为主的第一阶段：兰考黄河河段为宽、浅、散乱的游荡型河床，主流摆动频繁，河床冲淤急剧，多漂浮物，导致水尺冲失严重，一次洪水过程，一个测站往往冲失几十根水尺桩，严重影响水位观测的连续性，并因频繁补设水尺而增加了劳动强度。
（2）以建立混凝土墩水尺、工程护坡斜坡型水尺主的第二阶段：为克服直立木桩搪瓷水尺易冲失的情况，1995年兰考局根据工程稳定情况和河势稳定的情况下，在东坝头险工17护岸设立了混凝土墩水尺、工程护坡斜坡型水尺。
（3）推广应用非接触超声波水位计阶段：针对兰考局使用直立木桩搪瓷水尺、混凝土墩水尺、工程护坡斜坡型水尺仍存在的问题，20世纪末，兰考局在东坝头险工26垛推广应用了HW——1000型非接触超声波水位计。
2.存在问题
兰考黄河河段为宽、浅、散乱的游荡型河床，主流摆动频繁，河床冲淤急剧。兰考局夹河滩护滩工程、东坝头控导和蔡集控导等工程的传统直立式木桩搪瓷水尺及东坝头险工上的混凝土直立水尺和非接触超声波水位计在安装和水位观测方面存在着以下各种问题：
其一，水尺一般固定在根石坦坡上，设置难度大；
其二，根石易走失下蛰，使水尺移动或被水流冲毁、冲失；
其三，水尺处易淤积、易变水流方向、易挂带漂浮物等；
其四，因小流量情况下脱河时间长，造成水位无法连续观测；
其五，占用人员多,观测数据误差大,工作量大并存在一定的危险性；
其六, 长期以来,每年的防汛期间需要多次补充水尺，给水位观测工作带来诸多不便。
3.激光测距仪测量黄河水位的可行性
3.1、激光测距仪的测量水位装置工作原理
采用水准仪等测量仪器的水平调整方式，利用3、4个可调螺丝进行精确整平，使激光测距仪光线处于精确水平位置；然后利用经纬仪垂直角度测量原理对准水准基点上树立的标尺（基点高程H、水尺读数I），测出基点距仪器中心的长度L1和垂直角度α1，换算出测距仪水平光线高程H1；而后再将激光测距仪光线照准水边参照物（水面上浮子或水边固体物水边线）测量距离L2和垂直角度α2，换算出水位数值H2。本文设计的激光水位测量装置，其计算方法如下：
1）计算测距仪水平光线高程H1
H1 = L1 * sinα1 +H+I
2）计算水位高程H2
H2 = H1 -L2 * sinα2
3.2、实现水位测量的可行性主要条件
3.2.1、参照物（水面上浮子或水边固体物水边线）的设计
出于视力和安全原因，激光测距仪的光线不能对准彩色液体（水）或玻璃测量，解决这一问题的方法就是在水面上布置参照物（水面上浮子或水边固体物），要求必须上下活动自如，正确反应出水位变化，即在水面上设置一个由细钢丝绳链接的带有反光设置泡沫材质的固体结构或在水边稳定固体物用油漆刻制明显的反光标记。
3.2.2、激光测距仪测水位装置的可维护性
激光测距仪测水位装置能否正常运行，可维护性是关键，在该装置中，能否对参照物（浮子或其他固体物）进行维护，是该装置能否用于工程实际的关键环节。正常运行时参照物应处于自由状态，当需要检修时，可使用一种专用的配套设计工具，使参照物能正确自如的反应水位变化情况。
3.3、精度分析
激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器，其中手持激光测距仪是目前使用范围最广的激光测距仪，测量距离一般在200米内，精度在±2mm，测量水位的测量精度可达到10mm是比较合适的，也符合水位测量规范要求。
在不好的天气或者黎明，这是没有问题的。当阳光照射的时候，激光点会变得模糊。距离超过15米的情况下，我们推荐使用我们的激光增强眼镜。通过红色的眼镜激光点能看的更清楚。更专业的方法是我们的4倍 (外置)或2倍 (内置)放大倍率的望远瞄准镜。在测量近100米的距离时，你不能看到激光点，镜头里的十字丝可以瞄准目标。
3.4、应用激光测距仪观测黄河水位的优点
在黄河流域上应用激光测距仪观测水位对比现在使用的水位观测方法，具有如下优点：
(1) 体积小巧，携带方便，能灵活应用于各个工程的水位观测中；
(2) 不受河流变化的影响，增大了水位观测范围，给实现水位连续观测的奠定了坚实基础；
(3) 可大幅缩短测量时间和大幅度的降低了各工程水位观测所需费用；
(4) 200米范围内测量精度可以达到0.002米，且望远镜可以进行视度调节，可以进行更加精准的观察，大大提高了水位观测精度；
(5) 可以测量高度，高差，光线距离，倾斜角度；
(6) 多种测量模式：最近、最远和连续测量功能；
(7) 可消除人为因素产生的测量误差；
(8) 测量结果的保存、检索、统计处理变得简单易行。
4、结论
通过以上对在兰考黄河工程水位观测点上应用激光测距仪观测水位方法的分析，该方法的研发和应用，将彻底克服现兰考黄河水位观测中出现的各种问题，可为国家防汛指挥系统、国家水调自动化系统水位观测提供一种新型的观测手段，也可广泛用于水库、湖泊、水电站等新建水位遥测站中，可以较低的工程费用实现水位连续观测的目的，其社会和经济效益意义重大，具有很好的推广使用价值。