庫區(qū)垂向分層水溫在線監(jiān)測技術研究與應用

張國學　史東華　李然

摘要：大型水庫建成蓄水后一般會產(chǎn)生垂向水溫分層現(xiàn)象，研究庫區(qū)垂向分層水溫變化規(guī)律對水庫制定科學的生態(tài)調(diào)度方案具有重大意義。通過對分布式光纖測溫系統(tǒng)原理及應用范圍的研究，利用系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)處理技術和數(shù)據(jù)比測方法在溪洛渡和向家壩水庫壩前開展了垂向分層水溫在線監(jiān)測應用研究。應用情況表明：分布式光纖測溫系統(tǒng)在穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)連續(xù)性和準確性等方面都能滿足監(jiān)測要求，可為庫區(qū)水生態(tài)調(diào)度提供可靠的數(shù)據(jù)參考，為今后庫區(qū)水溫垂向在線監(jiān)測應用提供了新的路徑。

關鍵詞：分布式光纖測溫;垂向水溫分層;數(shù)據(jù)比測;系統(tǒng)集成;水生態(tài)調(diào)度

中圖法分類號：P33

文獻標志碼：A

DOI：10.16232/j.enki.1001-4179.2019.03.018

1 研究背景

分布式光纖測溫系統(tǒng)是一種用于實時測量空間溫度場分布的傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用光頻率域反射（OFDR，Optical Frequency Domain Reflection）和激光拉曼光譜等技術，對采集的溫度信息進行放大處理，并實時記錄。該技術最早于1981年由英國南安普頓大學相關學者提出，目前在國外（主要是英國、德國等國）應用較廣，已研制出成熟產(chǎn)品，國內(nèi)也在積極開展這方面的研究工作，已有系列產(chǎn)品在一些工業(yè)領域得到了初步應用。該系統(tǒng)可實現(xiàn)大范圍空間溫度分布式實時測量，具有測量距離長、無監(jiān)測盲區(qū)、實時監(jiān)測、可精確定位等優(yōu)點，特別是在隧道消防火災監(jiān)測、地鐵高鐵火災監(jiān)測、電力電纜溫度監(jiān)測、石化油罐溫度火災監(jiān)測等領域均有廣泛應用。但是該技術在庫區(qū)水溫監(jiān)測方面的應用還較少。水庫水溫資料的收集與分層規(guī)律的研究，是開展水生態(tài)調(diào)度與水生態(tài)環(huán)境修復的重要依據(jù)。目前，國內(nèi)外水庫分層水溫監(jiān)測多以人工測量輔以模型算法研究，或利用溫度鏈對固定點進行在線監(jiān)測為主，監(jiān)測的數(shù)據(jù)不能直觀反映垂向水溫分層狀況以及垂向水溫連續(xù)動態(tài)變化過程。因此，本文結(jié)合溪洛渡和向家壩庫區(qū)垂向分層水溫監(jiān)測項目，探索一種采用德國LIOSTechnology公司的分布式光纖測溫系統(tǒng)用于庫區(qū)垂向分層水溫在線監(jiān)測的方法，通過系統(tǒng)集成光纖布設、數(shù)據(jù)處理及對比觀測來驗證該方法的可行性，為庫區(qū)垂向分層水溫實現(xiàn)在線監(jiān)測提供應用經(jīng)驗。

2 常規(guī)垂向水溫測量方式及優(yōu)劣分析

2.1 測量方式

目前對于垂向水溫的獲取，主要采用單點移動測量和多點串聯(lián)測量兩種方式。單點移動測量是使用單個溫度傳感器在水下進行垂向移動，測量不同深度的水溫。多點串聯(lián)測量，是一種“準分布式”的測量方式，沿垂向掛載多個溫度傳感器，組成溫度鏈，定點測量不同深度的水溫。

2.2 單點移動測量方式分析

單點移動測量方式是目前使用于測量垂向水溫最多的測量方式，典型代表設備即聲速剖面儀。對于垂向水溫規(guī)律較為穩(wěn)定、數(shù)據(jù)實時性不高的區(qū)域，采用單點移動測量的方式按每周或每月一次的測量頻次，基本可以滿足分層水溫研究要求。但是對于大型水庫開展生態(tài)調(diào)度實時在線監(jiān)測，具有庫區(qū)水深大、測量頻次高、數(shù)據(jù)實時性強的特點，采用人工單點測量的方式則很難滿足要求。單點移動測量方式有以下缺點：①人工收放，費時費力，可靠性低;②數(shù)據(jù)誤差與人工操作方式有關，在有一定流速的水體進行施測，其下放與提升速度的控制會直接影響水溫測量數(shù)據(jù)的可靠度;③實時性差，獲取數(shù)據(jù)的頻次較低，數(shù)據(jù)量少;④不能在線監(jiān)測，只能通過人工測量后將數(shù)據(jù)從設備中導出。

2.3 多點串聯(lián)測量方式分析

多點串聯(lián)測量方式能夠測量垂向不同水深的水溫，從原理上更適合作為測量垂向水溫的測量方法，多點串聯(lián)典型設備為溫度分布鏈傳感器，具有以下優(yōu)點：①能夠測量垂向上不同水深的水溫，實現(xiàn)“準分布式”測量;②數(shù)據(jù)量較單點測量方式大，通過集成也可實現(xiàn)在線監(jiān)測。但多點串聯(lián)測量方式也有以下缺點：①隨著水深的增加，溫度傳感器數(shù)量需增多，導致設備成本較高;②溫度傳感器的耐壓范圍有限，導致在長期高壓運行下傳感器易損壞，可靠性降低;③當某一測點的溫度傳感器故障需要維修時，將會導致溫度鏈的整體維護，維護成本大。

3 分布式光纖測溫技術分析及其特點

光纖技術的快速發(fā)展，為溫度測量提供了一種全新的測量方法，即分布式光纖測溫技術。分布式光纖傳感器因其防潮防腐蝕、靈敏度高、可實現(xiàn)分布式等特點，已經(jīng)成為了液體測溫技術研究和運用領域的熱點。針對大型水庫庫區(qū)深水水溫垂向監(jiān)測的實際需求，開展分布式光纖測溫技術研究，并應用于庫區(qū)深水垂直分層水溫的在線監(jiān)測具有重要意義。

3.1 測溫原理

分布式光纖測溫的基本原理是：對特定光源進行溫度調(diào)制，受溫度調(diào)制的攜溫信號光在光纖中傳播因不均勻的折射率發(fā)生散射，在光纖的一端通過探測散射光參數(shù)對攜溫信號光進行解調(diào)，從而獲得分布式的溫度信息。光纖中的散射一般包括瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射3種類型。其中拉曼散射是由光纖中分子與光子因熱能量交換而產(chǎn)生的，與溫度相關。通過對拉曼散射的分析和計算，就能得出相關的溫度數(shù)據(jù)。光在光纖中傳輸，對于自發(fā)拉曼散射的反斯托克斯光強IAS與斯托克斯光強Is之比滿足下面的公式：

公式

式中，h是普朗克常數(shù);k是布魯茲曼常數(shù);v是激光的頻率;D;是振動頻率;T是絕對溫度。

公式

由公式（1）可知，若得到了反斯托克斯光強和斯托克斯光強兩個參數(shù)，其余參數(shù)為已知，就能計算出絕對溫度。

光頻域反射技術（OFDR）是一種從頻域的角度進行解調(diào)分布式光纖上溫度數(shù)據(jù)分布的方法，與傳統(tǒng)的光時域反射技術（OTDR）相比，具有動態(tài)范圍更大、空間分比率更高的先進性。圖1是OFDR模型原理圖。

線性掃頻的連續(xù)光經(jīng)耦合器，一束光經(jīng)反射鏡返回，光程固定為參考光;另一束則進入待測光纖，產(chǎn)生瑞利散射。返回的信號光如果達到光的相干條件，則信號光和參考光會在光電探測器的光敏面上發(fā)生混頻。對于光纖上某點處的后向散射信號，經(jīng)過處理可以得到對應的光電流頻率大小與散射點位置成正比，因此通過光電探測器輸出的光電流頻率，就能確定所測光纖的位置從而實現(xiàn)沿光纖溫度場的空間分布式測量。

根據(jù)光電探測器的平方率特性，輸出電流滿足下面公式：

公式

式中，L是光纖長度;E是光纖x=0處的電場強度;a（x）為光功率衰減系數(shù);σ（x）是后向瑞利散射系數(shù);γ是參考臂反射系數(shù);B（t）=β。+yt是傳播常數(shù)，其他變量含義可參考文獻。

由公式（2）～（3）可知，光纖上任意一點x處瑞利后向散射信號對應的電流頻率為2γ|x-x，1，x，為0時，頻率大小與位置x成正比，由此可以推導出光纖測溫的分布位置。

3.2 測溫特點

（1） 數(shù)據(jù)量大。光纖上的任意點都能作為測溫采樣點，采樣點的數(shù)量由測溫光纖的長度和沿程點間距決定。因此，測溫光纖的采樣點可以達到很多個，是真正意義.上的分布式多點測量。

（2） 可自動化控制。通過先進的集成技術，將測溫光纖與控制設備進行集成，即可根據(jù)測量需求控制光纖按照設定的時間間隔、沿程間距進行自動測量，通過無線通信信道將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)自動傳輸至中心站接收處理。

（3） 實時性強。測溫光纖的采集時間非常短，所有采樣點全部采集速度都是光速級的，因此具有非常好的實時性。

（4） 可靠性高。測溫光纖可以在惡劣環(huán)境中持續(xù)工作，只要光纖自身不出現(xiàn)斷裂性損壞，監(jiān)測系統(tǒng)就能正常工作，無需更多的維護。

3.3 垂向水溫監(jiān)測的可行性分析

根據(jù)分布式光纖測溫的原理和特點，認為將分布式光纖應用于垂向水溫的監(jiān)測是可行的。分析理由如下：①分布式光纖的分布采樣，可以很好地反映出不同水深對應的水溫關系，只要設定好光纖的長度和測量間隔，就能實時直接獲得不同深度對應的水溫數(shù)據(jù);②光纖的測量范圍較長，滿足一般水庫庫區(qū)水深的要求，能夠測量到整個垂向，上的水溫數(shù)據(jù);③光纖上不同沿程的數(shù)據(jù)，可保證在同一時間獲得所有采集點的垂向連續(xù)水溫數(shù)據(jù);④光纖測溫具有極高的實時性，滿足自動化監(jiān)測要求，可實現(xiàn)在線實時監(jiān)測。

4 分布式光纖在線監(jiān)測的集成與應用

4.1 庫區(qū)垂向水溫監(jiān)測條件

目前，單點移動測量的方式只能依靠人工進行測量，不能實現(xiàn)在線測量。多點串聯(lián)測量的數(shù)據(jù)量仍然有限。特別是對于水深壓力大、水下地形復雜的大型水庫，按照垂向分層水溫監(jiān)測要求，需要獲取不同水深的水溫數(shù)據(jù)，設定的間距越小，其數(shù)據(jù)量多，對分析其垂向分層越有利，因此傳統(tǒng)的測量方式很難滿足垂向分層數(shù)據(jù)的要求。

溪洛渡水庫壩前水深為140～200m，大壩為高拱壩結(jié)構，壩體在水下的特點為向外斜向延展;向家壩水庫壩前的水深也在100m以上。兩處大壩壩前的水深、水下建筑環(huán)境以及泥沙淤積等不確定性因素為垂向分層水溫的監(jiān)測帶來了極大的困難。

4.2 系統(tǒng)集成設計

根據(jù)溪洛渡水庫和向家壩水庫的壩前環(huán)境條件和監(jiān)測要求，采用德國LIOSTechnology公司研制的L-OS分布式光纖測溫系統(tǒng)開展兩個水電站壩前垂向分層水溫的在線監(jiān)測。系統(tǒng)由溪洛渡和向家壩兩個監(jiān)測點和一個數(shù)據(jù)遠程接收中心站組成，每個監(jiān)測點由一臺測溫主機和一條多模測溫光纖連接組成。

LIOS分布式光纖測溫系統(tǒng)是利用光纜作為溫度傳感和信息傳遞的介質(zhì)，能在整個連續(xù)光纖的長度上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式測量出被測參數(shù)隨光纖長度方向的溫度數(shù)據(jù)。光纖本身既是測溫元件又是連接線纜，可提供快速、可靠的溫度測量。測量定位精度可以達到0.5m（可定制到0.25m），測量精度優(yōu)于0.59C（其精度可達0.19C，但成本較高）。

為實現(xiàn)垂向水溫的自動采集、傳輸與接收處理，需進行系統(tǒng)集成設計。集成后各部分功能如下：①分布式光纖測溫設備，對垂向水溫數(shù)據(jù)進行實時采集;②水溫數(shù)據(jù)提取終端，自動控制測溫光纖的提取時間數(shù)據(jù)提取和傳輸控制;③數(shù)據(jù)傳輸，采用移動網(wǎng)路通信方式，按照設置時間間隔將水溫數(shù)據(jù)向后方中心站自動傳輸;④供電設備，采用交流與直流相結(jié)合的方式，保證監(jiān)測點采集和傳輸設備的正常運行;⑤中心站，對水溫數(shù)據(jù)進行自動解碼處理和入庫存儲，為用戶提供分析、查詢和顯示功能。

4.3 光纖布設方式

考慮到溪洛渡、向家壩各自壩體的特點及現(xiàn)場地形條件等，對測溫光纖進行斜拉式的投放，鋪滿整個由壩頂?shù)剿椎拇瓜蚋邔?。根?jù)斜拉角和壩頂高程等參數(shù)，將斜拉光纖上的測量點投影到垂向上對應高程點。理想鋪設方式是從壩上到壩底垂直布設，但由于壩體本身設計的原因無法滿足垂直鋪設條件，因此，光纖的布設從壩頂開始，斜拉向水底，光纖布設以及對應高程如圖2所示。

根據(jù)溪洛渡和向家壩壩前布設的有效光纖長度、斜拉角度和高程基值，計算出光纖投影到垂向上的有效高程點和范圍。

4.4 光纖測量控制

由于測溫光纖上的任意點都能作為測溫采樣點，在實際監(jiān)測中，將光纖設置為每間隔1m選取一個測量點。由兩個壩前的斜拉角換算，得到的分布式垂向水溫高程間距為0.97m。LIOS分布式光纖測溫系統(tǒng)可以對光纖測量的采集時間間隔進行調(diào)節(jié)，根據(jù)實際監(jiān)測需要，測量設置為每5min進行一次溫度采集。

4.5 垂向水溫數(shù)據(jù)的選取

測溫光纖采取的是全覆蓋的布設方式，即包含了由壩頂?shù)剿椎乃懈叱蹋虼瞬蓸狱c數(shù)據(jù)包含了有效的水溫數(shù)據(jù)和空氣中的溫度數(shù)據(jù)。可引入壩前即時水位參數(shù)作為選取有效水溫數(shù)據(jù)的閾值，將測溫光纖每個測量點的垂向投影高程h;與壩前即時水位W，進行比較，滿足h;

5 光纖實測數(shù)據(jù)對比驗證

由于缺乏溪洛渡和向家壩水庫的歷史垂向水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此對比驗證采用現(xiàn)場實測的方式進行。實測數(shù)據(jù)采用隨機選取整點時間進行人工測量，在時間.上做到近似同步。人工測量的地點，選取在盡可能接近光纖投放點的位置。

5.1 垂向水溫對比方法

為了有效驗證測溫光纖監(jiān)測的準確性，在溪洛渡和向家壩水庫壩前兩個光纖投放的位置用傳統(tǒng)單點移動的測量方法進行了數(shù)據(jù)對比驗證。人工采用聲速剖面儀進行垂向水溫測量，將不同深度對應水溫的數(shù)據(jù)表根據(jù)壩前即時水位換算成高程對應水溫數(shù)據(jù)表，把同一時間點人工測量數(shù)據(jù)與光纖測量數(shù)據(jù)進行對比。

5.2 實測結(jié)果對比

溪洛渡水庫壩前和向家壩水庫壩前，各自選取了3個整點時間進行對比驗證。將光纖投放點處人工采用聲速剖面儀測量的垂向水溫數(shù)據(jù)和同一時間的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果見圖3。

由隨機選取的測量對比結(jié)果可以看出：測溫光纖和剖面聲速儀實測的兩組壩前垂向水溫基本一致，兩種實測方式水溫溫度差小于0.59C，考慮到使用的測溫光纖最小分辨率和剖面聲速儀的最小分辨率之間的差異，可知測溫光纖實測垂向水溫判定是準確的。測溫光纖和聲速剖面儀實測垂向水溫變化趨勢基本一致，呈良好的正相關關系。由此可知，測溫光纖測量的壩前垂向水溫數(shù)據(jù)有效可靠。

已有文獻指出，溪洛渡水庫壩前垂向水溫的分布有明顯的分層情況，并在5月份開始出現(xiàn)分層趨勢。5月10日的對比曲線也很好地反映了這種分層的趨勢，由此也驗證了測溫光纖測量數(shù)據(jù)的準確性。

6 結(jié)論

在對傳統(tǒng)的垂向水溫測量方式進行分析的基礎上，根據(jù)分布式光纖的特點，提出了一種基于分布式光纖的垂向水溫在線監(jiān)測技術構想并開展實踐探索。以溪洛渡水庫和向家壩水庫兩個壩前的垂向水溫測量為例，通過光纖測量和人工測量的對比觀測數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論。

（1） 應用分布式光纖測溫技術，對垂向水溫進行測量的方法和技術是可行的。

（2） 分布式光纖因其自身的原理和特點，對垂向水溫的自動采集、分布位置確定是非常適合的。

（3） 分布式光纖測溫實測數(shù)據(jù)，能夠準確地反映溪洛渡和向家壩水庫壩前的垂向水溫與分層情況，為庫區(qū)的水溫分析和生態(tài)環(huán)境研究提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

（4） 對于庫區(qū)深水垂向水溫的實時在線監(jiān)測，該方法還存在著一些不足和難點。主要是高水深庫區(qū)光纖安裝難度大，安裝固定后的光纖在水下受力、分布等情況不清晰，以及后期運行中存在光纖位置的漂移等情況將會直接影響數(shù)據(jù)的可靠度。

如何提高測量數(shù)據(jù)的精度、改進光纖布設方式帶來的影響以及提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性將是后期研究探索的主要方向。

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引用本文：張國學，史東華，李然.庫區(qū)垂向分層水溫在線監(jiān)測技術研究與應用[J].人民長江，2019，50（3）：101-105.

Research and application of on-line monitoring technology for reservoir vertical stratified water temperature

ZHANG Guoxue，SHI Donghua，LI Ran

（Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：Vertical water temperature stratification will occur after large reservoir is built and impounded. It is of great significance to study the variation law of vertical stratified water temperature in reservoir area for the establishment of scientific water ecological regulation scheme. In this paper，the principle and application range of distributed optical fiber temperature measurement system are studied. The application of vertical stratified water temperature monitoring in front of Xiluodu dam and Xiangjiaba dam was studied by system integration，data processing technology and data comparison method. The application results showed that the distributed optical fiber temperature measurement system can meet the monitoring requirements in terms of stability，data continuity and accuracy，and can provide reliable data reference for water ecological regulation in the reservoir area. It provides anew way for the application of vertical on-line monitoring of water temperature in the reservoir area in the future.

Key words：distributed optical fiber temperature measurement;vertical water temperature stratification;data comparison;system integration;water ecological regulation