ТЕМА: Бесконтактные методы измерения расхода.

Бесконтактные методы измерения расхода, будущее или настоящее?

Бывают условия, когда прямые измерения расхода классическими методами (вертушкой или ADCP) являются неэффективными, небезопасными или вовсе невозможными. К таким условиям относятся катастрофические паводки, когда скорости течения и различный мусор, находящийся в потоке, представляют серьезную опасность для измерителя или для измерительной техники. При неустановившемся режиме потока при довольно быстром изменении его характеристик стандартные измерения (в связи с своей длительностью) могут нести серьезные ошибки.
Гидрологи Геологической Службы США (USGS) озаботились этой проблемой еще в конце прошлого века.
В качестве альтернативы поплавкам и меткам высоких вод был предложен бесконтактный радарный способ измерения расхода воды.

Данный способ дает возможность непрерывно измерять поверхностную скорость потока по ширине реки, а также производить промеры глубин в створе без какого либо контакта с водой. Измерение скорости, как и у ADCP, основано на эффекте Доплера, но вместо акустики в нем используются радиоволны микроволнового диапазона 24 GHz.

Промеры глубин производятся специальным георадаром (GPR). Принцип его действия заключается в следующем. Подвешенный над руслом радар посылает электромагнитный импульсы вертикально вниз, часть энергии с разной интенсивностью отражается от слоев, имеющих различные диэлектрические свойства. Отраженный спектр улавливается антеннами, и в результате мы получаем профиль интенсивности, на котором отображены фазовые границы вода/грунт.
В 2000-х годах велась разработка и испытание опытных образцов бесконтактных расходомеров.

Результаты данной работы приведены в статьях:

water.usgs.gov/nsip/pubs/WRR_HY21_article.pdf
or.water.usgs.gov/hydro21/publications/GRL_2000/GRL_2000.pdf
Презентация: ilrdss.sws.uiuc.edu/pubs/govconf2005/session4b/John%20Costa.pdf

Параллельные измерения расходов данным способом с ADCP при помощи профилографа и вертушкой показали приличные результаты. Так в процессе ежедневных четырехнедельных измерений на реке San Joaquin бесконтактный метод завышал расходы в пределах от 5% до 20%.
Измерения глубин в 16-ти недельном эксперименте на реке Cowlitz тремя разными георадарами показали хорошую корреляцию (r от 0.883 до 0.992).

Само собой у метода есть свои недостатки и ограничения, основным из которых является проблема перехода от поверхностной скорости потока к средней.
Сейчас ведутся разработки способа измерений глубин с берега без необходимости подвешивать георадар над руслом.

Интересно что немцы уже наладили производство бесконтактных расходомеров и уже поставляют в Россию:

www.sommer.at/en/products/water/rq-30-rq-30a
Sommer RG-30: seba-hydro.ru/node/107
Q-Eye Radar: seba-hydro.ru/node/89

Интересно, что по результатам тестирования радарных измерителей скорости потока в 2003 году на реке Cowlitz в США было сделано интересной открытие.
В течении нескольких месяцев непрерывно велись наблюдения за поверхностной скоростью воды, уровнем воды, направлением и скоростью ветра. Также периодически проводились контрольные измерения расхода профилографом.
В результате обработки данных были выявлены низкочастотные колебания поверхностной скорости притом, что соответствующих колебаний уровня при этом не наблюдалось.
Колебания наблюдались на всех установленных радарах. Среди шумов были выделены две четко выраженные компоненты в 1 и 2 цикла/сутки и дополнительная 0.5 цикла/сутки. Амплитуда колебаний составила порядка 5-7 см/с. Влияние ветра было исключено по причине слабой корреляции.
Было установлено, что природа колебания 1 и 2 цикла/сутки является астрономической и имеет приливной характер, что подтверждается хорошей корреляцией с данными о суточных и внутрисуточных приливных колебаниях. Природа колебаний 0.5 цикла/сутки остается неизвестной.

Поскольку данные колебания скорости не приводят к соответствующим изменениям уровня воды, они нарушают сам принцип кривой расходов Q=f(H), что показывает еще одно преимущество непрерывных радарных измерений над стандартной практикой получения расходов по кривым.

www.codaros.com/images/about/RiverSonde_...g_2004_Yichang_1.pdf

Как вам идея измерять расход простой видеокамерой?
А ведь есть некоторые энтузиасты пытающиеся оценить скорости течения по видео с youtube и кинохроники

Мне тут попалась одна интересная программка Fudaa-LSPIV для определения скоростей потока по видеосъемке. Находится она в свободном доступе вот тут.

В основе ее работы лежит метод LSPIV (Large-scale particle image velocimetry).
Он используется для построения векторного поля скоростей потока и измерения поверхностных скоростей течений. Работает по тому же принципу, как и метод цифровой трассерной визуализации PIV (Particle Image Velocimetry), но при этом не требует специальной подсветки частиц в потоке и может быть использован в полевых условиях на больших реках.

Метод LSPIV включает в себя (1) запись последовательности изображений потока с известным шагом по времени, (2) геометрическую коррекцию изображения для устранения эффекта перспективного искажения и (3) расчет смещения трассеров в потоке с использованием методов статистического анализа.
Причем, наличие естественных трассеров (мусора, растительности, обломков и т.п.) или искусственное их введение требуется не всегда. - Например, в быстрых потоках и в период паводка, когда движение воды визуально определяется на последовательной серии снимков. Именно в условиях паводков бесконтактные методы измерений наиболее актуальны.
Таким образом, получают 2D поле скоростей потока, а при наличии данных о поперечном сечении русла можно оценить и расходы.

За последние 10 лет появилось не мало статей, в которых описываются испытания метода LSPIV как в лабораторных условиях, так и на реках и каналах разных размеров и в разных гидрологических условиях - от межени до экстремальных паводков.

Результаты исследований разняться, но у меня небыло пока возможности углубиться в эту тему. Если тема заинтересовала, подробнее можно почитать статье LSPIV implementation for environmental flow in various laboratoryand field cases, в которой объединены некоторые полевые и лабораторные исследования LSPIV.
Или в статье Application and evaluation of LS-PIV technique for the monitoring of river surface velocities in hig.
Неплохое описание метода в мануале самой программы, к сожалению на форуме нет возможности выложить файл в формате .pdf

aquaticinformatics.com/blog/hydrology/se...ge-water-monitoring/

В презентации рассказывают как мерели расход по ютюбу

Несколько картинок по теме:

Таким способом мы можем более менее определить поверхностную скорость -ну и если русло «гидравлически» правильное, то более менее можем посчитать и расход. Другое дело, что русла без искажений встречаются осень редко((

Как я понял, метод предлагают использовать в основном для экстремальных паводков, для уточнения кривой расхода в верхней ее части, когда с вертушкой или профилографом в воду не полезешь. Все же лучше чем экстраполировать(?). Но как программа определяет поверхностную скорость вообще без трассеров и насколько точно? - это хороший вопрос.

Вообще, классно. Поставить камеру в труднодоступном месте, настроить на включение/выключение записи, поставить передачу по спутнику. Сиди из офиса мониторь. Денег, правда, за трафик уйма уйдет.

Григорий, видеотрафик по спутниковой связи? бюджета всего гидромета не хватит на один такой пост

Nikolay Roshet писал(а):
ну, как я понимаю, нам не часы съемки нужны, а несколько секунд.

Да и как-то я сидел в сейсмопартии в тайге в районе Ербогрчёна и нам предоставили неограниченно спутниковый интернет, ну мы на вечер себе стабильно по фильму качали. Вроде никто не жаловался