黑龙江省大庆水文局 黑龙江省大庆市 163000
摘要：水文是水在地球表面、大气层中和地壳内部各种变化和运动的现象，可分为陆地水文和海洋水文。陆地水文指江河、湖泊、水库、沼泽和地下水等，其要素主要包括降水、水位、水温、水流流速、水深和结冰等。陆地水文信息的获取，是水力发电、农田灌溉、防洪排涝、整治河道、发展航运以及国防建设等不可或缺的环节。
关键词：陆地水文；传感器；分析
引言：水文传感器作为水文信息采集的关键器件，对水文信息获取有着非常重要的意义。近年来，国家加大了对水文传感器的研究开发，但发展相对落后，总体性能与国外产品还有较大差距，很多产品还不能投入实际使用。温、深、流是陆地水文３个基本要素，也是最有代表性的３个要素。本文从温、深和流传感器出发，在详细比较现有常用传感器优缺点的基础上，重点探讨各类传感器发展趋势，并对水文传感器与水文信息获取系统的未来发展提出了几点建议。
1.温、深、流速传感器现状
1.1温度传感器
水温是表征水体冷热程度的物理量，是水文信息采集的基本要素之一，而且影响其他要素测量的准确性。水文上对水温测量要求并不高，分辨力达到0.1℃，准确度达到0.2℃就能满足一般水文测量要求。
1.2测深传感器
水深，是水面至水底的垂直距离。传统方法是人工看水尺（或测深杆），简单、快速、直观，但不适用于仪器自动化要求。此外，还可以通过卫星遥感资料反演水深，但由于精度较低，探测水深较浅，只能作为辅助参考。下面主要介绍４种常用水深测量方法：一是测深杆：一般固定装置在测站，需要人工定期记录数据，用于测量较浅的水深，测量范围视竿的长度而定，一般在５ｍ以内。二是垂钓法：目前水文缆道或水文测船上多用垂钓法，通过铅鱼悬索测深。此法适用于河床浅而稳定且水流流速较小的区域，很难在大流速、水深或河床不稳定的环境内使用。三是压力测深：根据压力与水深成正比关系的静水压力原理实现水深测量。特点是量程宽，安装简单，操作简便，成本低，精度较高，结冰期也可正常工作，比较适用于动态测量。但有时间、温度漂移，测量精度受泥沙影响，且用于小量程测量时，其绝对误差大。四是超声波测深：声波在介质中以一定速度传播，当遇到不同密度的介质分界面时，声波立即发生反射，根据发射与接收的时间差算出深度。特点是安装简单，响应速度快，测量精度高，但存在测量盲区，使用时需对声速进行校正。
1.3水流流速传感器
水流流速是指单位时间内水体的流动距离。近年来，随着电子技术与传感器技术的迅猛发展，新型的测流速设备越来越多，根据测流原理可分为转子式流速仪、声学多普勒流速仪、电波流速仪、电磁流速仪、激光流速仪和粒子图像测速系统等。我国对流速仪研究起步较晚，且功能相对单一，目前相对成熟的产品只有转子式流速仪。一是转子式流速仪。目前在流速测量方面以转子式流速仪为主，包括旋浆式和旋杯式两种，其中旋浆式流速仪是国际标准认可的最为常用的测量仪器之一。该类传感器的转子（旋浆或旋杯）在流体的推动下产生驱动力矩而旋转，传感器内部有脉冲产生与检测装置。二是其他流速仪。除上述几种常用外，还有很多种测速仪。如利用流体振荡原理测速的涡街流速仪，测量导电体流速的电磁流速仪，通过入射光与散射光的频率差和运动粒子速度有关的原理实现测速的激光多普勒测速仪等，但由于技术不够成熟、价格昂贵、结构原理复杂等原因未在我国得到推广应用。
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2.陆地水文传感器发展的几点建议
2.1优化测温分辨率
针对水文传感器的发展现状，我国相关部门从优化水文监测控制管理方面入手，保障远程控制和距离运输技术特性，为获取水文信息提供提供数据保障。在微电子技术和计算机技术的发展境况下，“网络化、自动化”已成为当下发展的重要实施依据。以水温测量技术为例，需要严格保障测温分辨率和精确度，采取热惯性能较为完善的敏感类器件，在保持热平衡时间的基础上，对测温技术予以优化改造，以确保温度测量工作顺利运行。在分立式温度传感器使用过程中，温度测量形式较为单一且效益不高，采取新型智能化复合功能功效，可实现多功能化发展特性。积极推进可适时将光纤测温材料纳入其中，研制更具价值成本优势的显性材料，提升测温技术的准确度，以保障分辨率和精确度。为进一步提升测温技术的准确度，南京水利水文自动化研究所对国内现有的测温材料进行分析改造，利用占据全国建设系统比例50%的优势，在西江中下游洪水预警中发挥着重要作用。
2.2提升测量精确度
在多媒体时代进化过程中，对自动化、智能化控制系统的发展提出了重要的限制条件，为不断优化水文传感器的运行发展，相关研究学者为其提供了诸多进化举措，以望能够提升传感器的运行实效性。在测深技术应用中，测深杆应用较为广泛且简便易行，被大量应用于测深机构领域，具有辅助测深特性。对于汽包式测深方法而言，则带有较高的人工机械水平相关条件，且自动化控制水平的实行程度较低。为此，压力传感器逐渐被应用于测深领域，因具有便利快捷的独特优势，对降低水流流速和测深难度具备缓解作用，应处于推广使用较为频繁的地位。从发展前景方面来看，测深技术还需要不断优化水体测量技术和使用技巧，适时发展远程监控和实时测量优势，保障测深仪器和相关设备的进一步发展。在包头黄河湿地水文站中，相关研究者利用Acdess数据库的数据资料，掌握区域水体变化情况，利用压力传感器以及相关测深技术，并对其实际变化进行记录，在开展为期1个月左右的测量水体深度工作后，根据测量值和标准值的对比分析，得出实际测深结果且基本符合测量标准，这对获取水体实际变化具有实质性作用。
2.3保障网络自动化
在测速技术中，利用ADCP为剖面测速提供信息依据，通过转子材料、信息收集、电路处理等方面完成转子式流速仪的测速工作，并结合相关区域变化情况对其具体分析。为预防河流测速相关故障问题，在河流测速方面可结合实时网络的发展，利用其便捷性以实现无线传感技术，可推动水体流速测量的优化工作。对于变化较为明显的水体测速工作来说，结合电波流速仪的优势特性，实现快速扫描且实际掌握水流分布情况，并匹配相关网络辅助条件（CNGI），达到更有效率的完成水体剖面流速分布测量工作。在山东昌润科技有限公司的经营任务中，秉持网络自动化和实时控制化发展理念，以MEMS智能传感器等方面为经营业务，将现代优秀网络技术融入设计生产理念中，取得一定实际成效且经济效益较为突出，年均增长值达到6亿元，已成为当下传感器制造业的成功经营企业，这也是网络智能化的独特作用。
总结：综上所述，我国目前陆地水文传感器的发展逐渐走向正轨，在“测温技术”、“测深技术”和“测速技术”等方面的发展较为显著，且取得了相应的实际成效。为进一步保障水文传感器的管理技术，在确保测温分辨率和测量精确度的前提下，实时引进网络自动技术，为水体测量信息提供全面性保障，以便管理获取后的水文信息，促使我国网络智能传感器的不断发展。
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论文作者:车庆文
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/19
标签：水文论文; 流速论文; 测量论文; 传感器论文; 测温论文; 水体论文; 技术论文; 《基层建设》2019年第5期论文;