库区垂向分层水温在线监测技术研究与应用

张国学　史东华　李然

摘要：大型水库建成蓄水后一般会产生垂向水温分层现象，研究库区垂向分层水温变化规律对水库制定科学的生态调度方案具有重大意义。通过对分布式光纤测温系统原理及应用范围的研究，利用系统集成、数据处理技术和数据比测方法在溪洛渡和向家坝水库坝前开展了垂向分层水温在线监测应用研究。应用情况表明：分布式光纤测温系统在稳定性，数据连续性和准确性等方面都能满足监测要求，可为库区水生态调度提供可靠的数据参考，为今后库区水温垂向在线监测应用提供了新的路径。

关键词：分布式光纤测温;垂向水温分层;数据比测;系统集成;水生态调度

中图法分类号：P33

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.enki.1001-4179.2019.03.018

1 研究背景

分布式光纖测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感系统。该系统利用光频率域反射（OFDR，Optical Frequency Domain Reflection）和激光拉曼光谱等技术，对采集的温度信息进行放大处理，并实时记录。该技术最早于1981年由英国南安普顿大学相关学者提出，目前在国外（主要是英国、德国等国）应用较广，已研制出成熟产品，国内也在积极开展这方面的研究工作，已有系列产品在一些工业领域得到了初步应用。该系统可实现大范围空间温度分布式实时测量，具有测量距离长、无监测盲区、实时监测、可精确定位等优点，特别是在隧道消防火灾监测、地铁高铁火灾监测、电力电缆温度监测、石化油罐温度火灾监测等领域均有广泛应用。但是该技术在库区水温监测方面的应用还较少。水库水温资料的收集与分层规律的研究，是开展水生态调度与水生态环境修复的重要依据。目前，国内外水库分层水温监测多以人工测量辅以模型算法研究，或利用温度链对固定点进行在线监测为主，监测的数据不能直观反映垂向水温分层状况以及垂向水温连续动态变化过程。因此，本文结合溪洛渡和向家坝库区垂向分层水温监测项目，探索一种采用德国LIOSTechnology公司的分布式光纤测温系统用于库区垂向分层水温在线监测的方法，通过系统集成光纤布设、数据处理及对比观测来验证该方法的可行性，为库区垂向分层水温实现在线监测提供应用经验。

2 常规垂向水温测量方式及优劣分析

2.1 测量方式

目前对于垂向水温的获取，主要采用单点移动测量和多点串联测量两种方式。单点移动测量是使用单个温度传感器在水下进行垂向移动，测量不同深度的水温。多点串联测量，是一种“准分布式”的测量方式，沿垂向挂载多个温度传感器，组成温度链，定点测量不同深度的水温。

2.2 单点移动测量方式分析

单点移动测量方式是目前使用于测量垂向水温最多的测量方式，典型代表设备即声速剖面仪。对于垂向水温规律较为稳定、数据实时性不高的区域，采用单点移动测量的方式按每周或每月一次的测量频次，基本可以满足分层水温研究要求。但是对于大型水库开展生态调度实时在线监测，具有库区水深大、测量频次高、数据实时性强的特点，采用人工单点测量的方式则很难满足要求。单点移动测量方式有以下缺点：①人工收放，费时费力，可靠性低;②数据误差与人工操作方式有关，在有一定流速的水体进行施测，其下放与提升速度的控制会直接影响水温测量数据的可靠度;③实时性差，获取数据的频次较低，数据量少;④不能在线监测，只能通过人工测量后将数据从设备中导出。

2.3 多点串联测量方式分析

多点串联测量方式能够测量垂向不同水深的水温，从原理上更适合作为测量垂向水温的测量方法，多点串联典型设备为温度分布链传感器，具有以下优点：①能够测量垂向上不同水深的水温，实现“准分布式”测量;②数据量较单点测量方式大，通过集成也可实现在线监测。但多点串联测量方式也有以下缺点：①随着水深的增加，温度传感器数量需增多，导致设备成本较高;②温度传感器的耐压范围有限，导致在长期高压运行下传感器易损坏，可靠性降低;③当某一测点的温度传感器故障需要维修时，将会导致温度链的整体维护，维护成本大。

3 分布式光纤测温技术分析及其特点

光纤技术的快速发展，为温度测量提供了一种全新的测量方法，即分布式光纤测温技术。分布式光纤传感器因其防潮防腐蚀、灵敏度高、可实现分布式等特点，已经成为了液体测温技术研究和运用领域的热点。针对大型水库库区深水水温垂向监测的实际需求，开展分布式光纤测温技术研究，并应用于库区深水垂直分层水温的在线监测具有重要意义。

3.1 测温原理

分布式光纤测温的基本原理是：对特定光源进行温度调制，受温度调制的携温信号光在光纤中传播因不均匀的折射率发生散射，在光纤的一端通过探测散射光参数对携温信号光进行解调，从而获得分布式的温度信息。光纤中的散射一般包括瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射3种类型。其中拉曼散射是由光纤中分子与光子因热能量交换而产生的，与温度相关。通过对拉曼散射的分析和计算，就能得出相关的温度数据。光在光纤中传输，对于自发拉曼散射的反斯托克斯光强IAS与斯托克斯光强Is之比满足下面的公式：

公式

式中，h是普朗克常数;k是布鲁兹曼常数;v是激光的频率;D;是振动频率;T是绝对温度。

公式

由公式（1）可知，若得到了反斯托克斯光强和斯托克斯光强两个参数，其余参数为已知，就能计算出绝对温度。

光频域反射技术（OFDR）是一种从频域的角度进行解调分布式光纤上温度数据分布的方法，与传统的光时域反射技术（OTDR）相比，具有动态范围更大、空间分比率更高的先进性。图1是OFDR模型原理图。

线性扫频的连续光经耦合器，一束光经反射镜返回，光程固定为参考光;另一束则进入待测光纤，产生瑞利散射。返回的信号光如果达到光的相干条件，则信号光和参考光会在光电探测器的光敏面上发生混频。对于光纤上某点处的后向散射信号，经过处理可以得到对应的光电流频率大小与散射点位置成正比，因此通过光电探测器输出的光电流频率，就能确定所测光纤的位置从而实现沿光纤温度场的空间分布式测量。

根据光电探测器的平方率特性，输出电流满足下面公式：

公式

式中，L是光纤长度;E是光纤x=0处的电场强度;a（x）为光功率衰减系数;σ（x）是后向瑞利散射系数;γ是参考臂反射系数;B（t）=β。+yt是传播常数，其他变量含义可参考文献。

由公式（2）～（3）可知，光纤上任意一点x处瑞利后向散射信号对应的电流频率为2γ|x-x，1，x，为0时，频率大小与位置x成正比，由此可以推导出光纤测温的分布位置。

3.2 测温特点

（1） 数据量大。光纤上的任意点都能作为测温采样点，采样点的数量由测温光纤的长度和沿程点间距决定。因此，测温光纤的采样点可以达到很多个，是真正意义.上的分布式多点测量。

（2） 可自动化控制。通过先进的集成技术，将测温光纤与控制设备进行集成，即可根据测量需求控制光纤按照设定的时间间隔、沿程间距进行自动测量，通过无线通信信道将现场采集的数据自动传输至中心站接收处理。

（3） 实时性强。测温光纤的采集时间非常短，所有采样点全部采集速度都是光速级的，因此具有非常好的实时性。

（4） 可靠性高。测温光纤可以在恶劣环境中持续工作，只要光纤自身不出现断裂性损坏，监测系统就能正常工作，无需更多的维护。

3.3 垂向水温监测的可行性分析

根据分布式光纤测温的原理和特点，认为将分布式光纤应用于垂向水温的监测是可行的。分析理由如下：①分布式光纤的分布采样，可以很好地反映出不同水深对应的水温关系，只要设定好光纤的长度和测量间隔，就能实时直接获得不同深度对应的水温数据;②光纤的测量范围较长，满足一般水库库区水深的要求，能够测量到整个垂向，上的水温数据;③光纤上不同沿程的数据，可保证在同一时间获得所有采集点的垂向连续水温数据;④光纤测温具有极高的实时性，满足自动化监测要求，可实现在线实时监测。

4 分布式光纤在线监测的集成与应用

4.1 库区垂向水温监测条件

目前，单点移动测量的方式只能依靠人工进行测量，不能实现在线测量。多点串联测量的数据量仍然有限。特别是对于水深压力大、水下地形复杂的大型水库，按照垂向分层水温监测要求，需要获取不同水深的水温数据，设定的间距越小，其数据量多，对分析其垂向分层越有利，因此传统的测量方式很难满足垂向分层数据的要求。

溪洛渡水库坝前水深为140～200m，大坝为高拱坝结构，坝体在水下的特点为向外斜向延展;向家坝水库坝前的水深也在100m以上。两处大坝坝前的水深、水下建筑环境以及泥沙淤积等不确定性因素为垂向分层水温的监测带来了极大的困难。

4.2 系统集成设计

根据溪洛渡水库和向家坝水库的坝前环境条件和监测要求，采用德国LIOSTechnology公司研制的L-OS分布式光纤测温系统开展两个水电站坝前垂向分层水温的在线监测。系统由溪洛渡和向家坝两个监测点和一个数据远程接收中心站组成，每个监测点由一台测温主机和一条多模测温光纤连接组成。

LIOS分布式光纤测温系统是利用光缆作为温度传感和信息传递的介质，能在整个连续光纤的长度上，以距离的连续函数形式测量出被测参数随光纤长度方向的温度数据。光纤本身既是测温元件又是连接线缆，可提供快速、可靠的温度测量。测量定位精度可以达到0.5m（可定制到0.25m），测量精度优于0.59C（其精度可达0.19C，但成本较高）。

为实现垂向水温的自动采集、传输与接收处理，需进行系统集成设计。集成后各部分功能如下：①分布式光纤测温设备，对垂向水温数据进行实时采集;②水温数据提取终端，自动控制测温光纤的提取时间数据提取和传输控制;③数据传输，采用移动网路通信方式，按照设置时间间隔将水温数据向后方中心站自动传输;④供电设备，采用交流与直流相结合的方式，保证监测点采集和传输设备的正常运行;⑤中心站，对水温数据进行自动解码处理和入库存储，为用户提供分析、查询和显示功能。

4.3 光纤布设方式

考虑到溪洛渡、向家坝各自坝体的特点及现场地形条件等，对测温光纤进行斜拉式的投放，铺满整个由坝顶到水底的垂向高层。根据斜拉角和坝顶高程等参数，将斜拉光纤上的测量点投影到垂向上对应高程点。理想铺设方式是从坝上到坝底垂直布设，但由于坝体本身设计的原因无法满足垂直铺设条件，因此，光纤的布设从坝顶开始，斜拉向水底，光纤布设以及对应高程如图2所示。

根据溪洛渡和向家坝坝前布设的有效光纤长度、斜拉角度和高程基值，计算出光纤投影到垂向上的有效高程點和范围。

4.4 光纤测量控制

由于测温光纤上的任意点都能作为测温采样点，在实际监测中，将光纤设置为每间隔1m选取一个测量点。由两个坝前的斜拉角换算，得到的分布式垂向水温高程间距为0.97m。LIOS分布式光纤测温系统可以对光纤测量的采集时间间隔进行调节，根据实际监测需要，测量设置为每5min进行一次温度采集。

4.5 垂向水温数据的选取

测温光纤采取的是全覆盖的布设方式，即包含了由坝顶到水底的所有高程，因此采样点数据包含了有效的水温数据和空气中的温度数据。可引入坝前即时水位参数作为选取有效水温数据的阈值，将测温光纤每个测量点的垂向投影高程h;与坝前即时水位W，进行比较，满足h;

5 光纤实测数据对比验证

由于缺乏溪洛渡和向家坝水库的历史垂向水温监测数据，因此对比验证采用现场实测的方式进行。实测数据采用随机选取整点时间进行人工测量，在时间.上做到近似同步。人工测量的地点，选取在尽可能接近光纤投放点的位置。

5.1 垂向水溫对比方法

为了有效验证测温光纤监测的准确性，在溪洛渡和向家坝水库坝前两个光纤投放的位置用传统单点移动的测量方法进行了数据对比验证。人工采用声速剖面仪进行垂向水温测量，将不同深度对应水温的数据表根据坝前即时水位换算成高程对应水温数据表，把同一时间点人工测量数据与光纤测量数据进行对比。

5.2 实测结果对比

溪洛渡水库坝前和向家坝水库坝前，各自选取了3个整点时间进行对比验证。将光纤投放点处人工采用声速剖面仪测量的垂向水温数据和同一时间的自动监测数据进行对比，结果见图3。

由随机选取的测量对比结果可以看出：测温光纤和剖面声速仪实测的两组坝前垂向水温基本一致，两种实测方式水温温度差小于0.59C，考虑到使用的测温光纤最小分辨率和剖面声速仪的最小分辨率之间的差异，可知测温光纤实测垂向水温判定是准确的。测温光纤和声速剖面仪实测垂向水温变化趋势基本一致，呈良好的正相关关系。由此可知，测温光纤测量的坝前垂向水温数据有效可靠。

已有文献指出，溪洛渡水库坝前垂向水温的分布有明显的分层情况，并在5月份开始出现分层趋势。5月10日的对比曲线也很好地反映了这种分层的趋势，由此也验证了测温光纤测量数据的准确性。

6 结论

在对传统的垂向水温测量方式进行分析的基础上，根据分布式光纤的特点，提出了一种基于分布式光纤的垂向水温在线监测技术构想并开展实践探索。以溪洛渡水库和向家坝水库两个坝前的垂向水温测量为例，通过光纤测量和人工测量的对比观测数据分析得出如下结论。

（1） 应用分布式光纤测温技术，对垂向水温进行测量的方法和技术是可行的。

（2） 分布式光纤因其自身的原理和特点，对垂向水温的自动采集、分布位置确定是非常适合的。

（3） 分布式光纤测温实测数据，能够准确地反映溪洛渡和向家坝水库坝前的垂向水温与分层情况，为库区的水温分析和生态环境研究提供了可靠的数据支撑。

（4） 对于库区深水垂向水温的实时在线监测，该方法还存在着一些不足和难点。主要是高水深库区光纤安装难度大，安装固定后的光纤在水下受力、分布等情况不清晰，以及后期运行中存在光纤位置的漂移等情况将会直接影响数据的可靠度。

如何提高测量数据的精度、改进光纤布设方式带来的影响以及提高系统运行的稳定性将是后期研究探索的主要方向。

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引用本文：张国学，史东华，李然.库区垂向分层水温在线监测技术研究与应用[J].人民长江，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