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1、水文信息采集技术(精测篇),河海大学 舒大兴 13327805838 ,2014-3-23,人生感悟,3,一、洪水问题天灾50% 人祸50% 产生原因：由于过量砍伐树木和过度放牧，致使森林和草原的蓄水能力急剧下降； 由于湖泊和湿地减少，使得长江中、下游的蓄水能力下降； 是由于水土流失严重、淤积加剧，导致长江流域的一些河流和湿地淤塞。 防洪措施：工程措施，堤防的防洪标准越高，河床的蓄水和调蓄能力也加大，但堤防的风险也加大，而且洪水位高出地面很多，也使人们感到危险增加； 非工程措施，包括建立洪水预报和警报系统、制定超标准洪水防御措施、进行救灾与实行洪水保险、对洪泛区进行管理、制定撤离计划、制定有关
2、防洪的法规、政策，其中建立洪水预报和警报系统是切实可行的。,水问题困惑,水利工程带来的灾难,三门峡水库自1960年9月建成蓄水后，库区泥沙淤积严重，1969年潼关河床高程，仅9年就从323米抬升至328.4米，比建库前抬高5米多，形成悬河。1964年1967年曾先后两次对枢纽工程进行改建，使潼关高程下降。但1973年至今，三门峡水库使潼关高程又抬升。由于潼关高程居高不下，渭河自上世纪九十年代以来连续多年出现枯水，主槽萎缩，目前过洪能力很差，致使堤防抗洪标准不断降低，2003年8、9月份，渭南地区渭河“小水酿成大灾”，就是沉痛教训。,5,二、干旱问题-天灾60% 人祸40% 据统计，自然灾害中8
3、5%为气象灾害，而干旱灾害又占气象灾害的50%左右。相比而言，洪涝灾害突发性强、直接危害大，容易引起重视，干旱发展、变化过程相对较慢，容易忽视，一经发觉，往往灾情已经形成。 吉林省近200年干旱灾害频率表,水问题困惑,神州五号地球照片,6,2010年60年不遇大旱席卷云南 去年以来，云南省遭遇60年不遇大旱，严重干旱已经造成全省742万人、459万头大牲畜饮水困难，农业直接经济损失已超过127亿元。,无法播种,白菜干枯,三、最严重的是污染问题 人祸100% 太湖流域水污染写照：“五十年代淘米洗菜，六十年代水质变坏，七十年代鱼虾绝代，八十年代洗不净马桶盖”。 事实上全中国都是如此！,水问题困惑,
4、10,环保总局副局长说：中国平均两三天就发生一起与水有关的污染事件 。,中国的癌症村真是密密麻麻呀！全国已有247个，每年新发癌症病例200万人，因癌症死亡人数140万,12岁残疾,3岁侏儒,尸河,南盘江 变酱油江,内蒙稀土生产,黄河两岸到处是污染企业,污染企业排放毒烟,首都变雾都-我很高兴，终于有了转机,黑色幽灵,我们无力改变现状， 只是认识到水文的重要性， 在平凡的岗位上尽匹夫的责任！ 做好水利的尖兵和耳目，改善生存环境！,主要研究内容,一、雨量传感器误差及减小措施,三、水位传感器应用认识,二、自动蒸发站研究及应用,四、遥测系统维护交流,41,水文信息传感技术,水文传感器性能要求:,（1）
5、长期稳定性好 （2）能适应系统要求 （3）低功耗 （4）优良的性能价格比,水文仪器的重要性 水文传感器水文信息采集自动化 水文现代化水利现代化,国内主要雨量传感器,雨量器 虹吸式雨量计 翻斗式雨量传感器 (可用于遥测) 超声波雨量传感器(可用于遥测) 称重式雨量计（可用于遥测，太昂贵）,雨 量 器,虹吸式雨量计,1、可连续记录降水量和降水时间。 2、其上部盛水漏斗的形状和大小与雨量器相同。 3、量筒内的浮子随运动，带动自记笔在自记纸上划出水位上升的曲线。 4、当量筒内达到10毫米雨量，借助虹吸管，使水迅速排出，笔尖回落到零位重新记录。 5、精度很高，0.5%,部分省份已经拆掉这种仪器,翻斗式雨
6、量传感器,1、大量推广用于遥测； 2、大翻斗蒸发误差大，小翻斗受变化雨强影响的误差很大，0.1mm单翻斗雨量计的误差可达15%； 3、为了提高精度，开发许多类型的遥测雨量计。,翻斗式雨量传感器结构,1、承水口的公差 （形状误差，尽量减小） 2、沾水误差 （固有误差） 3、安装误差 （安装工艺，尽量减小） 4、动作过程误差 （不同型号误差变化） 5、蒸发误差 （不同型号误差变化） 6、环境影响误差（如风力、位置、高度）,雨量传感器误差来源,不同翻斗容量的雨强误差曲线,出厂率定时将雨强为2mm/min的误差调整到最小；此时翻斗感量约为2.84g（红线）其正负误差对称的分布在x轴的两侧。在雨强在04
7、mm/min变化时，误差变化幅度为12%。 根本不能使用,从雨量传感器的误差分析中可以看出，不管是虹吸雨量计，还是翻斗雨量计，雨强给小分辨率雨量计测量造成的误差是相当大的，多少年来，这一直是个没有解决的问题。,1、修改规范，使用0.2或0.5mm的翻斗雨量计,2、开发新型雨量计，减小雨强对测量误差的影响,3、采用数字方法实时修正雨强对测量误差的影响,如何减小遥测雨量计测量误差,雨强误差解决措施之一-使用大翻斗传感器,2006年之前，水文部门要求雨量观测至0.1mm。SL21-2006雨量观测规范中规定不需要雨日资料的雨量站,可使用0.2mm雨量计,多年平均降雨量大于800mm的地区可使用0.5
8、mm雨量计。为使用0.5mm雨量计制造了依据。 但是在需要控制雨日（规范对哪些站是需要控制雨日的站没有给出明确规定）地区变化的雨量站必须记至0.1mm； SL21-2006是水利行业标准，气象部门一直是使用0.1mm的雨量计。,双翻斗雨量传感器主要由储水器、上翻斗、汇集漏斗、计量翻斗和干簧管等组 成。储水器收集的降水通过漏斗进入上翻斗，当降水积到一定量时，由于水本身重力作用使上翻斗翻转，水进入汇集漏斗。降水量从汇集漏斗的节流管注入计量翻斗时，把不同强度的自然降水，调节为较均匀4mm/min的大降水强度，以减少由于降水强度不同所造成的测量误差。,雨强误差解决措施之二-使用双翻斗改变雨强,04mm
9、/min 误差4%,雨强误差解决措施之三-使用虹吸节流均化雨强,虹吸节流的作用,1、内置虹吸管5的大面积虹吸漏斗4和沉沙池7，当承雨器收集到的降雨量流入虹吸漏斗4，先积存起来，虹吸漏斗4内水位从虹吸管口开始上升，至虹吸管顶后开始虹吸排水至计量翻斗11。不管实际降雨强度如何变化，从虹吸管5流到计量翻斗11中的流量相对稳定，将0.018mm/min的降雨强度，均化到34mm/min的降雨强度。 2、在0.18mm/min的雨强变化范围内，使分辨率0.1mm的翻斗雨量计测量误差从18%减少到4%,雨强误差解决措施之四-浮子水位计,翻斗触发超声波雨量计原理,ST-URG型超声波雨量计,雨强误差解决措施
10、之五-声波雨量计,超声波雨量计,1.不锈钢器口，内径：200+ 0.60mm，外刃口角度45； 2.测量分辨力：0.1mm；输出分辨力：0.1mm； 3.降雨强度测量范围：0.018mm/min； 4.仪器综合计量误差：1%（在0.018mm/min雨强）； 5.信号输出：继电器接点通断信号和RS485总线通信； 6.仪器功耗：DC12V，1mA(休眠时)；30mA(测量时)；80mA(排水时)； 7.量筒容量314mL（相当10mm降雨量），排水时间10s； 8.开关接点容量：DC V15V，I300mA； 9.接点工作次数：1107次； 10.工作环境温度：10+75；湿度：98%RH（4
11、0）11.平均无故障工作时间：MTBF40000小时。,翻斗触发超声波雨量计性能指标,翻斗的作用：测量实时性，降雨1300mm时占空比1：40,雨强误差解决措施之六-翻斗修正器,翻斗修正器,1、安装在RTU机箱内，雨量计-修正器-RTU，升级安装方便；,2、增加的费用不多，将0.1mm翻斗雨量计的误差从18%减小到3%；,4、与前述方法相比，这种方法不但精度高，而且简单可靠，经济实惠。,3、增加翻斗修正器后，翻斗大小调整不需要很精准，测量结果也会很准确；,翻斗雨量计测量误差与校正后误差比较（ %）,寄送60套翻斗修正器,一体化雨量遥测站,自动雨量站外观,如何校准遥测雨量计翻斗误差,辽宁省气象局
12、JJS2 型雨量校准仪,原理很简单，水头不稳定，有待改进 但全国气象部门推广使用，每站一套,变化雨强校测雨量计的量瓶,翻斗的感量决定翻斗雨量计的误差，感量为3.1g时，雨强4mm/min时，误差-20%；感量为2.6g时，雨强0.1mm/min时，误差20%；厂家出厂调校感量为2.84g，雨强2mm/min时，误差为最小。雨强在0.1mm/min变化时，误差为10%。 在对翻斗雨量计进行校准时，需要模拟不同的降雨强度均匀地注入雨量计中，同时需要记录翻斗翻转的次数，人工到水很难控制模拟雨量的大小，记录翻斗次数也容易数错，校准工作非常繁琐。,翻斗校准量瓶,工作过程,1、装水 关闭活栓，打开瓶盖，注
13、入清水到628ml的刻度，相当降雨量20mm。（瓶颈直径为2cm，精度很高） 2、选择雨强 关闭瓶盖，将瓶盖上的旋钮旋转到设定的模拟降雨强度。 3、开始测量 点按电源开关，打开电源，给CPU主板上电，将量瓶置于雨量计的上方打开活栓，量瓶中的水按照设定的流量缓慢流入雨量计中，翻斗翻转时，自动记录翻转次数。 4、记录结果 仪器自动记录本次率定试验的历时，根据翻斗次数和历时计算实际模拟降雨强度，在液晶显示屏上显示翻斗翻转次数和模拟降雨强度，供用户抄录，据此调整翻斗倾角。,降雨量测量 人工补水测量 溢流量测量 蒸发量=降雨量+人工补水 - 溢流量 怎样精确测量0.1mm分辨率的降雨量？ 怎样进行人工补
14、水和溢流测量？,水量平衡工作原理：,全自动蒸发站,人工蒸发站,浮子水位计自动蒸发站,超声波蒸发站,1、通过连通管连接水位井到蒸发皿，两处的水位不一致；,测量水位的方法测量蒸发量存在的问题,2、水位测量分辨率是0.1mm，但水位测量误差可能是0.10.3mm；,3、通过测量水位的方法测量蒸发存在误差积累.,TTT-1 型三翻斗自动蒸发站,自动蒸发站的工作过程,时间触发工作：在设定的采样时间之前5分钟开始工作，判断探针是否接触水面？,1.离开水面 补水到探针接触水面,2.接触水面 溢流抽水到探针离开水面，再补水到探针接触水面,事件触发工作：任何时间，0.1mm雨量计翻转10斗(1mm雨量)时，立即
15、判断探针是否接触水面？,1.离开水面 进入休眠状态；,2.接触水面 溢流抽水到探针离开水面，再进入休眠状态,计算蒸发量=降雨量+补水量-溢流量,接触式水位测量仪器,浮子式水位计,压力式水位计,非接触式水位测量仪器,超声波水位计,激光水位计,雷达水位计,压阻式,振弦式,气泡式,水位传感器应用之我见,磁致伸缩水位计,机械编码浮子式水位计,优点： 无源，抗雷击 缺点： 机械磨损； 需要建井；,适用于风浪不大的静水井,光电编码浮子式水位计,机械磨损小 量程大 水位变率没有限制,磁致伸缩水位计,优点： 精度高、稳定性好、可靠性高、使用寿命长，浮子小，测井很小 缺点： 需要建井；,适用于已有测井的地表水地
16、下水位观测,压力水位计安装,压阻压力式水位计,优点： 不需要建井 缺点： 易遭雷击； 温漂、时漂，误差很大；,误差1-20cm 不适用于水文水位观测,气泡压力式水位计,优点： 不需要建井 缺点： 大气压补偿的误差很大，精度达不到规范要求； 气口易堵，不能正常工作,国产产品早上与中午的误差在3-8cm，水位不变时，每天一个类似的正弦波过程 不适用于水文水位观测,振弦压力式水位计,优点： 不需要建井； 精度高，量程大 缺点： 需做好防雷保护,适用于断面稳定含沙量不大的河道水位观测，特别适用于无测井水库水位观测,一体化超声波水位遥测站,L=0.5*C*T,优点： 不需要建井，带固态存储，集成度高； 缺点： 受温度影响，量程小,适用于水位变幅
