一、引言

城市内涝作为全球城市化进程中的典型灾害，其监测精度直接影响应急响应效率与民生安全。根据《城镇内涝防治技术规范》（GB 51222-2017），积水深度超过 15 厘米即构成交通隐患，而超过 50 厘米将严重威胁生命财产安全。在监测技术体系中，雷达液位计、超声波传感器与压力式水位计因其技术特性差异，需根据积水深度进行精准选型。本文结合工程实践与技术规范，系统阐述不同深度区间的传感器适配策略。

二、技术原理与核心特性对比

雷达液位计

基于电磁波反射原理，通过发射频率调制连续波（FMCW）测量距离，精度可达 ±2mm（0-30m 量程）。其核心优势在于：

非接触式测量，避免水体污染与设备腐蚀；

抗干扰能力强，不受温度、湿度、泡沫等环境因素影响；

支持毫米级精度，适用于动态水位监测。

但成本较高（约 2-5 万元 / 台），且在浅水区（<0.5m）存在信号盲区。

超声波传感器

利用超声波在空气中的传播时间计算距离，典型精度为 ±0.5% FS（0-10m 量程）。其特点包括：

安装简便，支持地埋式与顶装式部署；

成本适中（约 0.5-2 万元 / 台），适合大规模组网；

响应速度快，可实现分钟级数据更新。

但受限于声波传播特性，在暴雨、强风或水面漂浮物较多时精度下降明显。

压力式水位计

通过测量液体静压换算水位，精度可达 ±0.1% FS（0-200m 量程）。其技术优势为：

结构简单，适合长期静态监测；

抗干扰能力强，尤其适用于浑浊水体；

成本最低（约 0.3-1 万元 / 台），维护周期长。

但需直接接触水体，易受泥沙堵塞影响，动态水位响应滞后。

三、积水深度分级与传感器适配矩阵

根据《室外排水设计标准》（GB 50014-2021），结合传感器技术特性，建立如下适配模型：

（一）浅水区（0-0.5m）

技术挑战

该区间多为城市道路、人行道积水，需解决：

高精度测量需求（如 375px 警戒深度）；

复杂环境干扰（如雨滴冲击、杂物覆盖）。

选型策略

优先方案：

采用压力式水位计 + 电子水尺组合方案。压力式水位计（精度 ±1mm）负责绝对深度测量，电子水尺（精度 ±25px）辅助消除零点漂移。例如，武汉市政在低洼路段部署的地埋式监测终端，通过双传感器融合将误差控制在 ±2mm 以内。

替代方案：

若需非接触式监测，可选用高频雷达液位计（如深圳华聚科仪的零盲区雷达），其通过波形重构技术将盲区压缩至 75px，满足浅水区测量需求。

（二）中深水区（0.5-3m）

技术挑战

该区间常见于地下隧道、立交桥涵，需应对：

动态水位变化（如泵站启停引起的水位波动）；

复杂空间结构（如曲面反射、多径干扰）。

选型策略

优先方案：

采用超声波传感器 + 数据滤波算法。例如，天津城市内涝监测系统在隧道部署的地埋式超声波传感器，通过自适应滤波消除波浪干扰，在 1-5m 量程内保持 ±3mm 精度。

优化方案：

对于高流速场景（>1m/s），可引入多普勒超声波流量计，同步测量水位与流速，实现流量动态监测。

（三）深水区（>3m）

技术挑战

该区间多见于河流、大型排水管网，需解决：

长距离测量精度衰减问题；

设备耐久性要求（如耐水压、抗腐蚀）。

选型策略

优先方案：

采用脉冲雷达液位计，其通过窄脉冲技术提升信号强度，在 30m 量程内保持 ±5mm 精度。例如，长江武汉段部署的雷达水位计，在汛期（水深 5-15m）仍能稳定运行。

特殊场景方案：

对于含有大量悬浮固体的水体（如合流制管网），可选用导波雷达液位计，通过金属导波杆穿透杂质层，确保测量准确性。

四、工程实践与系统集成

多传感器融合架构

典型案例：天津城市自动化积水监测系统采用 “雷达 + 超声波 + 压力式” 三级传感网络：

雷达（0-30m）覆盖主干河道；

超声波（0-10m）监测立交桥涵；

压力式（0-2m）聚焦道路低洼点。

通过数据融合算法，系统在 2023 年台风 “杜苏芮” 期间，将积水深度预测误差控制在 ±5% 以内。

安装与维护规范

压力式水位计：需垂直安装于积水井底部，定期清洗过滤膜（建议每季度一次）；

超声波传感器：安装高度需高于最高水位 0.5m，避免声波反射干扰；

雷达液位计：需避开金属障碍物，波束角内不得有漂浮物。

成本效益分析

初期投资：雷达（2-5 万 / 台）> 超声波（0.5-2 万 / 台）> 压力式（0.3-1 万 / 台）；

运维成本：压力式年均维护费用约 500 元（含校准），雷达与超声波年均维护费用约 200 元。

五、结论与展望

城市内涝监测的传感器选型需遵循 “深度适配、技术互补、系统集成” 原则：

浅水区优先采用压力式 + 电子水尺组合，确保高精度；

中深水区以超声波为主，结合滤波算法提升动态响应；

深水区依赖雷达技术，满足长距离与复杂环境需求。

随着物联网与人工智能技术的发展，未来监测系统将向 “多源数据融合 + 智能预警” 方向演进。例如，武汉水务研发的分布式光纤声波传感系统，通过声波信号识别积水细微变化，实现毫米级精度与实时预警。通过技术迭代与规范完善，城市内涝监测正从 “单点感知” 向 “全域智控” 迈进，为韧性城市建设提供坚实支撑。