非接觸測(cè)流法在高海拔地區(qū)徑流量測(cè)量中的應(yīng)用

非接觸測(cè)流法在高海拔地區(qū)徑流量測(cè)量中的應(yīng)用

高山河流具有比降陡、糙率大、流速大及湍流多等特點(diǎn)，因此高山河流的測(cè)流十分困難。介紹了采用非接觸測(cè)流法，通過(guò)圖像連續(xù)測(cè)量瑞士奧博萊奇冰川出口處徑流量的情況。該方法所得結(jié)果通過(guò)了示蹤劑測(cè)試，顯示出良好的一致性，且在夜間和雨雪天氣下也同樣適用。而且，該方法成本可控，可供大中型水電站工程使用。

高山河流；徑流；測(cè)流；無(wú)損方法

奧博萊奇(Oberaletsch)冰川位于瑞士瓦利斯地區(qū)伯爾尼山的南側(cè)。這里是瑞士建設(shè)水電站的最佳壩址之一。本次研究工作主要是為了連續(xù)測(cè)量奧博萊奇冰川徑流量，從而深入了解該流域的水文條件，并更好地對(duì)該區(qū)域的水電資源進(jìn)行量化。

與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，使用一個(gè)基于圖像的系統(tǒng)來(lái)測(cè)量徑流的方法優(yōu)勢(shì)明顯。該方法具有非侵入性，可以將測(cè)流設(shè)備安裝在安全區(qū)域，且對(duì)環(huán)境影響極小，安裝成本還低于其他連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)。

可以應(yīng)用該系統(tǒng)測(cè)量高海拔地區(qū)的徑流量。示蹤試驗(yàn)的驗(yàn)證結(jié)果與該方法所得結(jié)果一致性較好。而且，該系統(tǒng)在夜間和雨雪天氣下運(yùn)行良好。此外，該系統(tǒng)的固定成本和變動(dòng)成本不高，可供大中型水電站工程使用。

1 高海拔河流特征

要對(duì)一條河流的水電潛能進(jìn)行量化，必須要了解河流的長(zhǎng)序列徑流量。然而，有些情況下，尤其是對(duì)于比降陡、糙率大、流速大和湍流多的高海拔地區(qū)河流，想獲得長(zhǎng)序列徑流數(shù)據(jù)十分困難。很多測(cè)流設(shè)備無(wú)法在高海拔河流中使用。此外，高海拔河流地形崎嶇陡峭，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)十分困難。因此，在這種地區(qū)安裝流量測(cè)流系統(tǒng)是一項(xiàng)艱巨而富有挑戰(zhàn)性的工作。

基于圖像的測(cè)流系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯。由于測(cè)量裝置是變焦相機(jī),只要能夠拍攝到待測(cè)河流，就可以將其安裝在任意區(qū)域。它對(duì)環(huán)境的影響最小,且可以放置在遠(yuǎn)離自然災(zāi)害的安全地區(qū)。

2 選 址

冰川位于瓦利斯地區(qū),海拔2 130 m。測(cè)站系統(tǒng)安裝在冰川下游約200 m。

該河流流域面積為195 km2，屬于馬薩(Massa)河流域。流域約60%的面積被冰川覆蓋，海拔為1 464～ 4195 m，平均海拔2 945 m。奧博萊奇冰川融雪徑流流入馬薩河，瑞士聯(lián)邦環(huán)境局(FOEN)的馬薩布萊登貝伊納特斯(Massa-Blatten bei Naters)水文站負(fù)責(zé)測(cè)量馬薩河的徑流量。

以前，通過(guò)應(yīng)用程序?qū)︸R薩測(cè)站測(cè)量的徑流量進(jìn)行幾何校正來(lái)得到冰川徑流量。但是，由于兩個(gè)流域存在幾何差異，因此使用這種方法無(wú)法精確估算此處的水電資源儲(chǔ)量。

3 方法和設(shè)備

基于圖像的測(cè)流系統(tǒng)由室外云臺(tái)控制(PTZ)攝像機(jī)、Linux操作系統(tǒng)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和用于夜間測(cè)量的泛光照明燈組成。所有測(cè)量組件在12 V直流電條件下運(yùn)行,電源由一個(gè)80 W的甲醇燃料電池供應(yīng)。此外還有一個(gè)60 W太陽(yáng)能電池板供電。通過(guò)常規(guī)的GSM網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

系統(tǒng)每小時(shí)攝錄時(shí)長(zhǎng)3 s的短片，通過(guò)對(duì)連續(xù)短片進(jìn)行分析計(jì)算出流量。流量計(jì)算的依據(jù)為測(cè)量的水位、水面流速以及已知的河道地形。通過(guò)有光流或無(wú)光流的圖像片段的分離線確定水位，對(duì)相機(jī)位置進(jìn)行校準(zhǔn)，將分離線繪制成水位線，并采用交叉相關(guān)法計(jì)算水面流速。該方法不需要示蹤粒子。通過(guò)水面流速，采用糙率相關(guān)的混合長(zhǎng)度模型，估算在沿河道徑向離散分布斷面的速度曲線。沿河寬對(duì)這些流速曲線進(jìn)行積分，就可以計(jì)算出流量。

4 結(jié)果分析

在當(dāng)?shù)亟笛l件允許的情況下，第一時(shí)間進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)流系統(tǒng)的安裝。系統(tǒng)自2016年6月16日開(kāi)始運(yùn)行，一直到10月27日，僅在7月17日15:00至7月22日13:00之間因未知原因停止運(yùn)行。所測(cè)得的流量序列見(jiàn)圖1，從圖中可以看出日流量變化和季節(jié)性變化。在這一時(shí)期內(nèi)，使用該系統(tǒng)成功測(cè)量出水位和流量序列，并通過(guò)計(jì)算得出平均徑流量為5.86 m3/s，總水量為67×106m3。

圖1 流量時(shí)間序列

根據(jù)所收集數(shù)據(jù)，采用指數(shù)曲線擬合了水位流量關(guān)系，擬合結(jié)果顯示出較好的一致性(見(jiàn)圖2)。小流量數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，表明10月下旬以后流量降到低值。更為重要的是，這一現(xiàn)象表明流量很低時(shí)，水面速度測(cè)量結(jié)果雜亂且大多數(shù)值無(wú)法采用。這是因?yàn)?，?duì)相機(jī)的視圖及相關(guān)設(shè)置的設(shè)定是在6月份進(jìn)行的，當(dāng)時(shí)流量較大。當(dāng)無(wú)法采用水面速度的測(cè)量結(jié)果時(shí)，通過(guò)水位流量關(guān)系曲線估計(jì)流量值。這種情況在總的測(cè)量結(jié)果中所占比例不超過(guò)10%。

為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)，采用示蹤劑測(cè)試。由另一家公司進(jìn)行螢光素鈉示蹤劑測(cè)試。在1 d內(nèi)

完成4個(gè)測(cè)試，時(shí)間間隔為4 h。測(cè)試流量范圍為2.8～3.2 m3/s，與相關(guān)時(shí)刻基于圖像計(jì)算的流量值相符(見(jiàn)圖2)。

圖2 水位流量關(guān)系曲線

為了評(píng)價(jià)該方法的測(cè)量精度，進(jìn)行了敏感性測(cè)試。每小時(shí)平均流量值的相對(duì)誤差為7%。整個(gè)測(cè)量周期內(nèi)平均流量估計(jì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.28 m3/s(4.2%)。

由于FOEN馬薩測(cè)站距離此次測(cè)量站點(diǎn)很近，通過(guò)兩個(gè)測(cè)站每小時(shí)測(cè)量的徑流量相關(guān)關(guān)系，可以估算冰川徑流量占馬薩河流域總流量的比例。據(jù)估計(jì)，冰川徑流量占馬薩站徑流量的比例接近20%。

5 結(jié) 語(yǔ)

本研究在奧博萊奇冰川安裝了測(cè)量系統(tǒng)并進(jìn)行了測(cè)流。測(cè)量結(jié)果表明，冰川徑流的平均流量為5.86 m3/s，總水量為67×106m3。每小時(shí)流量值的相對(duì)誤差為7%。

該系統(tǒng)是高海拔條件下的有效測(cè)流工具。測(cè)量結(jié)果通過(guò)了示蹤劑測(cè)試，顯示出良好的一致性。系統(tǒng)在絕大多數(shù)條件下都運(yùn)行良好?？傮w來(lái)看,在高海拔地區(qū)，可以利用該系統(tǒng)收集校準(zhǔn)水文模型所需的數(shù)據(jù)。而且，一般大型水電項(xiàng)目均可以負(fù)擔(dān)該系統(tǒng)的固定成本和變動(dòng)成本。

邰肇悅 譯

(編輯：李 慧)

2017-02-20

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