非接觸測流法在高海拔地區徑流量測量中的應用

非接觸測流法在高海拔地區徑流量測量中的應用

高山河流具有比降陡、糙率大、流速大及湍流多等特點，因此高山河流的測流十分困難。介紹了采用非接觸測流法，通過圖像連續測量瑞士奧博萊奇冰川出口處徑流量的情況。該方法所得結果通過了示蹤劑測試，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；測流；無損方法

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

與傳統測量方法相比，使用一個基于圖像的系統來測量徑流的方法優勢明顯。該方法具有非侵入性，可以將測流設備安裝在安全區域，且對環境影響極小，安裝成本還低于其他連續測量系統。

可以應用該系統測量高海拔地區的徑流量。示蹤試驗的驗證結果與該方法所得結果一致性較好。而且，該系統在夜間和雨雪天氣下運行良好。此外，該系統的固定成本和變動成本不高，可供大中型水電站工程使用。

1 高海拔河流特征

要對一條河流的水電潛能進行量化，必須要了解河流的長序列徑流量。然而，有些情況下，尤其是對于比降陡、糙率大、流速大和湍流多的高海拔地區河流，想獲得長序列徑流數據十分困難。很多測流設備無法在高海拔河流中使用。此外，高海拔河流地形崎嶇陡峭，到達現場十分困難。因此，在這種地區安裝流量測流系統是一項艱巨而富有挑戰性的工作。

基于圖像的測流系統優勢明顯。由于測量裝置是變焦相機,只要能夠拍攝到待測河流，就可以將其安裝在任意區域。它對環境的影響最小,且可以放置在遠離自然災害的安全地區。

2 選 址

冰川位于瓦利斯地區,海拔2 130 m。測站系統安裝在冰川下游約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，瑞士聯邦環境局(FOEN)的馬薩布萊登貝伊納特斯(Massa-Blatten bei Naters)水文站負責測量馬薩河的徑流量。

以前，通過應用程序對馬薩測站測量的徑流量進行幾何校正來得到冰川徑流量。但是，由于兩個流域存在幾何差異，因此使用這種方法無法精確估算此處的水電資源儲量。

3 方法和設備

基于圖像的測流系統由室外云臺控制(PTZ)攝像機、Linux操作系統的工業控制計算機和用于夜間測量的泛光照明燈組成。所有測量組件在12 V直流電條件下運行,電源由一個80 W的甲醇燃料電池供應。此外還有一個60 W太陽能電池板供電。通過常規的GSM網絡對系統進行監控。

系統每小時攝錄時長3 s的短片，通過對連續短片進行分析計算出流量。流量計算的依據為測量的水位、水面流速以及已知的河道地形。通過有光流或無光流的圖像片段的分離線確定水位，對相機位置進行校準，將分離線繪制成水位線，并采用交叉相關法計算水面流速。該方法不需要示蹤粒子。通過水面流速，采用糙率相關的混合長度模型，估算在沿河道徑向離散分布斷面的速度曲線。沿河寬對這些流速曲線進行積分，就可以計算出流量。

4 結果分析

在當地降雪條件允許的情況下，第一時間進入現場進行了測流系統的安裝。系統自2016年6月16日開始運行，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行。所測得的流量序列見圖1，從圖中可以看出日流量變化和季節性變化。在這一時期內，使用該系統成功測量出水位和流量序列，并通過計算得出平均徑流量為5.86 m3/s，總水量為67×106m3。

圖1 流量時間序列

根據所收集數據，采用指數曲線擬合了水位流量關系，擬合結果顯示出較好的一致性(見圖2)。小流量數據點較少，表明10月下旬以后流量降到低值。更為重要的是，這一現象表明流量很低時，水面速度測量結果雜亂且大多數值無法采用。這是因為，對相機的視圖及相關設置的設定是在6月份進行的，當時流量較大。當無法采用水面速度的測量結果時，通過水位流量關系曲線估計流量值。這種情況在總的測量結果中所占比例不超過10%。

為了對系統進行驗證和校準，采用示蹤劑測試。由另一家公司進行螢光素鈉示蹤劑測試。在1 d內

完成4個測試，時間間隔為4 h。測試流量范圍為2.8～3.2 m3/s，與相關時刻基于圖像計算的流量值相符(見圖2)。

圖2 水位流量關系曲線

為了評價該方法的測量精度，進行了敏感性測試。每小時平均流量值的相對誤差為7%。整個測量周期內平均流量估計誤差的標準差為0.28 m3/s(4.2%)。

由于FOEN馬薩測站距離此次測量站點很近，通過兩個測站每小時測量的徑流量相關關系，可以估算冰川徑流量占馬薩河流域總流量的比例。據估計，冰川徑流量占馬薩站徑流量的比例接近20%。

5 結 語

本研究在奧博萊奇冰川安裝了測量系統并進行了測流。測量結果表明，冰川徑流的平均流量為5.86 m3/s，總水量為67×106m3。每小時流量值的相對誤差為7%。

該系統是高海拔條件下的有效測流工具。測量結果通過了示蹤劑測試，顯示出良好的一致性。系統在絕大多數條件下都運行良好。總體來看,在高海拔地區，可以利用該系統收集校準水文模型所需的數據。而且，一般大型水電項目均可以負擔該系統的固定成本和變動成本。

邰肇悅 譯

(編輯：李 慧)

2017-02-20

1006-0081(2017)05-0017-02

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