CN101038198A

CN101038198A - 一种水库水位的监测方法

Info

Publication number: CN101038198A
Application number: CN 200710067265
Authority: CN
Inventors: 杨如祥; 夏旭鹏; 韦冬青; 马光明
Original assignee: 秦一涛
Current assignee: Zhejiang Zhendong Photoelectric Technology Co Ltd
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2027-02-13
Also published as: CN100494918C

Abstract

一种水库水位的监测方法，采用分布式光纤温度传感器(DTS)系统，包括以下步骤：①在水库中设置管子，管子一端露于空气中；②将光缆铺设在管子上，保证光缆一端与所述的分布式光纤温度传感器的主机连接；③根据不同水位高度范围内对测量精度的不同要求，可以将光缆以不同间距分段缠绕在所述管子上；④由DTS系统测量出整条光缆上各监测点的温度，再对各点的距离求导求出各监测点的空间温度变化值，则空间温度变化最大点所对应的光缆位置即为水库水位。本发明利用DTS系统，能够精确快速地监测水库水位，同时采用分段缠绕的光缆铺设方式，在满足DTS系统测量要求的前提下，能够实现高精度低成本的监测，满足了水利工程中对水位监测的要求。

Description

一种水库水位的监测方法

技术领域

本发明涉及一种水位监测方法，特别地，涉及一种利用分布式光纤温度传感器(DTS)系统进行水库水位监测的方法。

背景技术

在水利工程中，水库水位测量一直是水文、水利部门的重点，如果没有提前进行有效的水位监测，则在遇到洪水、台风等异常天气状况下，因为水位达到警戒线而造成江堤决口、大水冲毁堤坝等恶性事故将会时有发生，由此给国家和人民生命财产带来巨大的损失。另一方面，测量出不同深度水层的温度，对于水资源的利用将起到很好的指导作用，比如在技术允许的情况下，温度较低的水层，可以用来冷却，温度适宜的水层可以用来灌溉等等。因此，进行精确而有效的实时水位监测，对预防事故的发生以及水资源的有效利用有着重要意义。

现有的水库水位测量采用各种传感器技术，常见的有超声波探测器、压差式水位传感器、浮子式水位传感器等等，这些传统的方式虽然能够实现水位监测，但都存在一定的局限性，水位计的安装要求较高，系统的改进需要投入较大的成本，而且监测的精度较低，测量范围受到限制，不能满足现代化工程不断发展的需要。

分布式光纤温度传感器(DTS)系统是基于先进的光时域反射(OTDR)技术的原理和光纤的背向拉曼散射温度效应，以光纤为载体，由主机、传感光缆及其他附件组合而成，是国际上近年发展起来的一种用于实时监控温度场的高新技术。

本人在公开号为200310122784.7的中国在先发明专利《堤坝渗漏定位分布式光纤温度传感监测装置及方法》、公开号为200510050546.9的中国在先发明专利《管道渗漏定位分布式光纤温度传感监测装置及方法》中均利用了分布式光纤温度传感器(DTS)来实现工程项目的监测和安全防护。在上述专利的监测方法中，主要采用加热装置对光纤金属套或设置在光缆内的导体通电加热，使得光纤周围温度升高，分布式光纤温度传感器(DTS)系统测量出整条光缆上的温度后，再对距离求导，就可以求出光缆上各点的空间温度变化。当沿光纤方向上的某一外部工作点发生温度变化时，加热的光纤与周围就会产生一定的温差，该温差引起光纤温度场的变化，分布式光纤温度传感器(DTS)系统监测到相应的信号后通过对整条光缆的温度分布曲线的比较和分析，可以发现并确定液体、气管线泄漏所处的位置。

目前，国际、国内已经将分布式光纤传感技术成功地应用于各类工程项目，特别是在大型水利水电工程的安全监测中，如大坝混凝土固化过程的温度监测、大坝中渗流与泄漏监测等。

水库中的水在不同深度处的温度有一定的差别，但这样的温差变化不会太大，一般在±0.4℃/m以内；在单一的空气中，空间温度变化也较小，一般在±0.2℃/m之内。而水温和空气温度又存在一定的差别，特别在水平面处，即水与空气的交界面处，空间温度变化最大，通常＞2℃/m，因此，可以利用分布式光纤温度传感器(DTS)系统通过测量水库在不同深度处的温度值来判定水位。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状提供一种采用分布式光纤温度传感器系统且满足高精度、低成本的水库水位监测方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该水库水位监测方法，其特征在于采用分布式光纤温度传感器系统监测光缆的温度变化，包括以下步骤：

(1)在水库中设置一管子，管子一端露于空气中；

(2)将光缆铺设在所述管子上，保证光缆的一端置于经过标定的水库底部或其它参考焦，光缆的另一端露在空气中，且光缆露在空气中的另一端与所述的分布式光纤温度传感器的主机连接；

(3)根据不同水位高度范围内对测量精度的不同要求，将光缆以不同间距分段缠绕在所述的管子上，对应测量精度要求高(即测量误差小)的水位高度范围内光缆缠绕间距较小(即光纤缠绕紧密)，对应测量精度要求低(即测量误差大)的水位高度范围内光缆缠绕间距较大(即光纤缠绕稀疏)；

(4)由分布式光纤温度传感器系统测量出整条光缆上各监测点的温度后，再对各监测点对应的距离求导，可得到光缆上各监测点的空间温度变化值；

(5)对应光缆在空间温度变化值最大点所对应的监测点位置即为需要测得的水库水位。

由于分布式光纤温度传感器系统本身对光缆的检测长度有一定的限制，将光缆至管子底部到头部一直采用前后圈紧密相接的缠绕方式不能满足系统的测量要求，如果将光缆直线铺设，又不能达到测量的精度要求，因此，为了满足检测系统的测量参数要求，降低测量成本，所述的光缆在管子上的铺设方式如下：

在不作测量精度要求的水位高度范围内，如死水区和最高水位线以上的区域，可以将光缆直接沿管子直线铺设；

在有测量精度要求的水位高度范围内，包括警戒水位线、安全水位线等，可以将光缆紧贴管子缠绕，光缆前后圈之间不重叠，并且通过以下公式确定在不同的水域区段内光缆的具体缠绕方式

D_{i} = \frac{{ΔH}_{i}}{{ΔL}_{i}} \times \frac{C_{i}}{\sin α}

即在有测量精度要求的不同水域区段内，将光缆以D_i为平均间距，一圈一圈缠绕在所述管子上，

其中，i表示不同水位高度范围所对应的不同水域区段，i为自然数，可以按照实际工程需要分割若干个水域区段；D_i表示在第i水域区段内，缠绕在管子上的光缆相邻两圈中心线间距的平均距离；ΔH_i表示在所述的第i水域区段内的水位高度H_i的测量误差；ΔL_i表示与所述的第i水域区段对应的高度范围内，光缆缠绕长度L_i的测量误差；C_i表示在所述的第i水域区段内，光缆缠绕管子一圈的平均周长；α表示管子与水平面的倾角。

所述的光缆相邻两圈中心线间距在对应的第i水域区段内可以按任意方式缠绕在管子上，但是，为了便于工程测量和降低数据计算及处理的复杂度，可以将光缆按计算得到的中心线平均距离D_i均匀地缠绕在所述的管子上，即在第i水域区段内，光缆的前一圈中心线与后一圈中心线之间是等距离缠绕的。

所述的管子可以选择钢管或工程塑料管等，也可以为圆管或方形管或三角管或其它任何横截面的长直管，只要能够方便地实现光缆在其上面的缠绕，另外，考虑到施工的方便和维修的需要，所述的管子可以这样设置在水中的：管子一端靠近所述的水库底部，管子另一端靠近水库大坝，管子与水库底部的倾角α取值范围为0～90°，优选地以90度为佳。

与现有技术相比，本发明的优点在于：用光纤测温传感器监测水位的方法，即测量了不同深度水位的温度值，又能够快速准确的定位出水库水位，能够满足水利工程中对水位监测的要求。该监测方法中根据具体情况的精度要求，通过在不同水域段采用不同的光缆铺设方式，既满足了测量精度又降低了光缆铺设成本，较之传统的测量水位的方式能够实现更广的测量范围并得到更高的测量精度。

附图说明

图1为本发明的水库水位测量原理图。

图2为本发明实施例的水库水位测量示意图。

图3为本发明实施例的光缆缠绕方式示意图。

图4为本发明实施例的光缆温度分布曲线图。

图5为本发明实施例的另一光缆温度分布曲线图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

水库中水在水与空气交接的平面处的温度差别最明显，我们判定水位的原则就是以设置在水库中的光缆空间温度变化的大小为依据，通过分布式温度传感器(DTS)系统测量光缆在水库不同深度的温度值可以用来判定水位，基本步骤如下：

首先，在水库中设置一管子，管子一端露于空气中。

其次，将光缆铺设在所述管子上，保证光缆的一端置于经过标定的水库底部或其它参考点，光缆的另一端露在空气中，且光缆露在空气中的另一端与所述的DTS系统主机连接。

接着，根据不同水位高度范围内对测量精度的不同要求，可以将光缆以不同间距分段缠绕在所述的管子上，具体缠绕方式可以按照以下方式：

如图1所示，缠有光缆的管子1插入水中，以与水平面平行的基准面3作为参考基平面，管子1与基准面3形成一夹角α。假设水库水位高度可分为若干个水域区段，其中，在高度范围为M_i的第i水域区段内，我们用如下式子建立由管子1、水库大坝2和基准面3构成的平面几何关系，

M_{1} = \frac{L_{i}}{C_{i}} \times {\overset{&OverBar;}{D}}_{i} \times \sin α {= h}_{i} \times \sin α - - - (1)

其中，i为根据实际情况而定的若干个水域区段，i取值为1，2，3，...，n的自然数；L_i为光缆在第i水域区段内的缠绕总长度；C_i为在对应第i水域区段的高度范围M_i内，光缆缠绕管子一圈的平均周长；D_i为光缆缠绕前后圈之间的平均间距，则光缆缠绕的圈数

乘以平均间距D_i即为该i水域区段内管子的长度h_i；

在公式(1)的基础上，我们进一步得到如下的计算水库水位的公式：

H_x＝h_x×sinα (2)

其中，H_x为实际水位高度，h_x为自基准面3到实际水位X的管子长度，即为实际水位X以下的各水域区段内缠有光缆的管子长度之和；

由于实际测量存在一定的误差，若在该i水域区段内，有如下测量精度要求：光缆缠绕长度L_i的测量误差为ΔL_i，水位高度H_i的测量误差为ΔH_i，我们测量误差原理并结合所述的公式(1)，可得到下式：

{\overset{&OverBar;}{D}}_{i} = \frac{{ΔH}_{i}}{{ΔL}_{i}} \times \frac{C_{i}}{\sin α} - - - (3)

即根据对光缆缠绕长度L_i、水位高度H_i分别对应的不同测量误差要求ΔL_i、ΔH_i，可以确定在第i水域区段、对应长度为h_i的管子上，光缆相邻两圈的缠绕间距D_i的不同值；

根据公式(3)可知，在对应测量精度要求高(即测量误差小)的水位高度范围内光缆缠绕间距小，对应测量精度要求低(即测量误差大)的水位高度范围内光缆缠绕间距大，在不作测量精度要求的水域区段内，可以将光缆直线铺设在管子上，而不需要以缠绕的方式布置光缆。

由于在不同水域区段内对应不同管子长度，于是，按照前述方式分别以不同的间距D_i将光缆缠绕在管子上，通过DTS系统测量出整条光缆上各监测点的温度，再对各监测点对应的距离求导后，可得到光缆上各监测点的空间温度变化值。

最后，根据分布式光纤温度传感器系统的进一步分析，可以得到光缆在空间温度变化值最大点所对应的监测点位置即为需要测得的水库水位。

以下结合实际工程测量实例，将所述的水库水位监测方法予以进一步的详细说明。

如图2所示，在约300m深的水库2中垂直设置钢管1’，钢管1’上缠有光缆，其中，钢管1’半径R＝50mm，光缆的直径为D’＝2mm；将钢管1’一端以与水平面平行的水库底面3’作为参考平面，钢管1’另一端露出水面，钢管1’与水库底面3’的夹角α＝90°。

在光纤温度传感器监测水位的应用中，我们使用如表1所述参数的DTS系统来测量水温：

表1

检测长度	8Km
检测长度	8Km	测量温度范围	-100℃～400℃
温度分别率	0.1℃	测量温度范围	-100℃～400℃
温度分别率	0.1℃	空间分别率	1m
采样间隔	0.5m	空间分别率	1m

由于DTS系统受检测长度参数的限制，如果将光缆与光缆之间紧密接触并且不重叠地缠绕在钢管1’上，我们根据下式计算所需缠绕光缆的总长度

H = \frac{L}{2 πR} \times D^{'} \times \sin α - - - (4)

其中，水库深度H＝300m，钢管半径R＝50mm，光缆前后圈间距即为光缆直径D’＝2mm，分别代入式子(4)中后可得到光缆缠绕总长度L约为47124m，这个长度对于DTS系统而言要求很高，需要很高的成本，无法普遍应用，因此需要改进光缆的缠绕方式。

如表2所示，根据用户对水位测量的要求，我们将300m深的水库分为7个水域区段，即所述的i取值分别为1、2、3、4、5、6、7，已知光缆长度的测量误差在每个水域区段都相等，即ΔL＝1m，而每个水域区段的高度范围M_i和测量误差分别如下：

表2用户要求的测量精度

水域区段	高度范围M_i(m)	测量误差ΔH_i(mm)	备注
水域区段	高度范围M_i(m)	测量误差ΔH_i(mm)	备注	1	0-107	不要求	死水区
2	107-113	＜10	110m为警戒水位	1	0-107	不要求	死水区
2	107-113	＜10	110m为警戒水位	3	113-200	＜30	-
4	200-277	＜50	-	3	113-200	＜30	-
4	200-277	＜50	-	5	277-283	＜10	280m为警戒水位
6	283-300	＜30	-	5	277-283	＜10	280m为警戒水位
6	283-300	＜30	-	7	＞300	不要求	300m为最高水位

由表2可知，当水库水位小于107m(最低水位线H_min)或者大于300m(最高水位线H_max)时，即水位处于第1水域区段或者第7水域区段内，这时对水位的测量精度不作要求，光缆只需沿圆管直线铺设即可，即

当i＝1：对测量误差不做要求，光缆沿着钢管直线敷设；

当i＝7：对测量误差不做要求，光缆沿着钢管直线敷设。

而在第2～6水域区段内，对测量误差有不同的要求，其中，在第2水域区段和第5水域区段分别包含有警戒水位线W₁和警戒水位线W₂，当水位低于警戒水位线W₁或者高于警戒水位线W₂时，DTS系统监测到水位后需要报警。

我们利用公式(3)来计算第2～6各个水域区段内的光缆缠绕间距，可以得到如下结果：

当i＝2：要求ΔH₂＜10mm，由(2)式得D₁＜3.14mm，取D₁’＝3mm；

当i＝3：要求ΔH₃＜30mm，由(2)式得D₂＜9.43mm，取D₂’＝9mm；

当i＝4：要求ΔH₄＜50mm，由(2)式得D₃＜15.7mm，取D₃’＝15mm；

当i＝5：要求ΔH₅＜10mm，由(2)式得D₄＜3.14mm，取D₄’＝3mm；

当i＝6：要求ΔH₆＜30mm，由(2)式得D₅＜9.43mm，取D₅’＝9mm。

所求D₁～D₅为根据公式(2)求得的理论值，D₁’～D₅’为实际取值，我们将光缆按照D₁’～D₅’的实际取值分别均匀地缠绕在对应高度范围的圆管上。

依照新的光缆缠绕方式，我们可以由式子(1)分别求得第2～6水域区段内的光缆缠绕长度L₂～L₆，

其中，M₂＝113-107＝6m，M₃＝200-113＝87m，M₄＝277-200＝77m，M₅＝283-277＝6m，M₆＝300-283＝17m；C_i＝2πR＝2×3.14159×0.002＝0.01256636m；sinα＝sin90°＝1，将上述各值以及D₁’～D₅’代入公式(4)中，这里的H分别由M₂～M₆代替，具体的计算结果如表3所列：

表3各水域区段的光缆铺设方式

水域区段	计算值D_i(mm)	实际取值D_i’(mm)	需要铺设光纤长度L_i(m)	备注
水域区段	计算值D_i(mm)	实际取值D_i’(mm)	需要铺设光纤长度L_i(m)	备注	1(0-107m)	-	-	107	沿钢管直线铺设
2(107-113m)	3.14	3	629	光缆相邻两圈距离为3mm	1(0-107m)	-	-	107	沿钢管直线铺设
2(107-113m)	3.14	3	629	光缆相邻两圈距离为3mm	3(113-200m)	9.43	9	3037	光缆相邻两圈距离为9mm
4(200-277m)	15.7	15	1613	光缆相邻两圈距离为15mm	3(113-200m)	9.43	9	3037	光缆相邻两圈距离为9mm
4(200-277m)	15.7	15	1613	光缆相邻两圈距离为15mm	5(277-283m)	3.14	3	629	光缆相邻两圈距离为3mm
6(283-300m)	9.43	9	594	光缆相邻两圈距离为9mm	5(277-283m)	3.14	3	629	光缆相邻两圈距离为3mm
6(283-300m)	9.43	9	594	光缆相邻两圈距离为9mm	7(＞300m)	-	-	54	沿钢管直线铺设(至DTS主机)

将求得的不同水域段需要的光缆长度相加，可得到整个系统需要的光缆总长度

L = Σ_{i = 1}^{7} L_{i} = L_{1} + L_{2} + L_{3} + L_{4} + L_{5} + L_{6} + L_{7} - - - (5)

即L＝107+629+3038+1613+629+594+54＝6663m，由此可得，监测300m深的水库的水位，若要满足客户所要求的精度，共需要6663m的光缆，可以使用一台满足如表1附参数要求的检测长度为8km的单通道DTS系统进行水位的监测。

实际敷设时，可以选择检测长度为4km的双通道DTS系统，两条光缆分别按照表3的要求敷设在同一钢管上。其中，通道1的光缆用来测量第4水域区段到第7水域区段的水位，共需光缆3090m(含200米垂直铺设至DTS主机的光缆)；通道2的光缆用来测量第1区域到第3区域的水位，共需光缆3773m。

同时，为提高测量精度，减少偶然性因素的影响，我们进行不低于5次的测量，然后取其平均值。当水库水位在245m(第4水域区段)时，用DTS测量通道1时，得到的光缆温度分布如图4所示；当水库水位为110m(第2水域区段)时，用DTS测量通道2时，得到的光缆温度分布如图5所示。

因此，根据图4的温度分布曲线可以看到，光缆在2146m处空间温度变化最大，由公式(4)和公式(5)以计算得出，2146m处对应的水位为245.073m，与实际水位245m的误差为7.3mm，满足所要求的精度。同理，由图5的温度分布曲线，可以得到光缆在3354m处空间温度变化最大，由公式(3)和公式(4)得出在3354m处对应的水位为109.989m，与实际水位110m的误差为1.1mm，满足所要求的测量精度。

Claims

1、一种水库水位的监测方法，其特征在于：采用分布式光纤温度传感器系统监测光缆的温度变化，包括以下步骤：

在水库中设置一管子，管子一端露于空气中；

将光缆铺设在所述管子上，保证光缆的一端置于经过标定的水库底部或其它参考点，光缆的另一端露在空气中，且光缆露在空气中的另一端与所述的分布式光纤温度传感器的主机连接；

根据不同水位高度范围内对测量精度的不同要求，将光缆以不同间距分段缠绕在所述的管子上，对应测量精度要求较高的水位高度范围内光缆缠绕的间距较小，对应测量精度要求低的水位高度范围内光缆缠绕的间距较大；

由分布式光纤温度传感器系统测量出整条光缆上各监测点的温度后，再对各监测点对应的距离求导，得到光缆上各监测点的空间温度变化值；

对应光缆在空间温度变化值最大点所对应的监测点位置即为需要测得的水库水位。

2、根据权利要求1所述的水库水位的监测方法，其特征在于：所述的光缆在管子上的铺设方式如下：

在不作测量精度要求的水位高度范围内，光缆沿管子直线铺设；

在有测量精度要求的水位高度范围内，光缆紧贴管子缠绕，光缆前后圈之间不重叠，并且通过以下公式确定在不同的水域区段内光缆的具体缠绕方式

D_{i} = \frac{Δ H_{i}}{Δ L_{i}} \times \frac{C_{i}}{\sin α}

其中，i表示不同水位高度范围所对应的不同水域区段，i为自然数；D_i表示在第i水域区段内，缠绕在管子上的光缆相邻两圈中心线间距的平均距离；ΔH_i表示在所述的第i水域区段内的水位高度H_i的测量误差；ΔL_i表示与所述的第i水域区段对应的高度范围内，光缆缠绕长度L_i的测量误差；C_i表示在所述的第i水域区段内，光缆缠绕管子一圈的平均周长；α表示管子与水平面的倾角。

3、根据权利要求2所述的水库水位的监测方法，其特征在于：所述的光缆相邻两圈中心线间距D_i在对应的第i水域区段内是均等的，即光缆在该水位高度范围内，光缆的前一圈中心线与后一圈中心线之间是等距离缠绕的。

4、根据权利要求1所述的水库水位的监测方法，其特征在于：所述的管子为圆管或方形管或三角管或其它横截面的长直管。

5、根据权利要求1所述的水库水位的监测方法，其特征在于：所述的管子是这样设置在水中的：管子一端靠近所述的水库底部，管子另一端靠近水库大坝，管子与水库底部的倾角α取值为90度。