CN110243260B - 一种冰层厚度计算方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冰层厚度计算方法及系统，包括：在竖直设置于湖泊/水库/河道内的水尺上沿水尺的长度方向布置N个温度测量点，每个温度测量点上固定一个温度传感器；安装在水尺上方的环境温度传感器；用于安装环境温度传感器的辐射罩；从当前时刻开始，依次选取前M个时刻（24小时）的水尺温度数据序列，以及湖泊/水库/河道所在区域的前M个时刻的环境温度数据序列；计算相同时刻水尺温度数据序列和环境温度数据序列的相关系数，得到N个相关系数；根据所述N个相关系数确定冰层厚度。本发明可以极大地提高冰厚计算精度，对抽水蓄能电站上库、下库水位变化剧烈且频繁的工况具有良好的计算精度。

Description

一种冰层厚度计算方法及系统
技术领域
本发明涉及水电水力领域，特别是一种冰层厚度计算方法及系统。
背景技术
抽水蓄能电站是利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站，又称蓄能式水电站。对比常规水电站，抽水蓄能电站具有两个显著特点：一是水库库容一般比较小，水库水位涨落幅度大；二是抽水蓄能电站有发电与抽水两种主要运行方式，在正常情况下水库水位每天至少要经历一个水位涨落循环。
作为电网的一种专用调峰和备用电源，我国在北方寒冷地区同样规划了大量的抽水蓄能电站，这些抽水蓄能电站的规划设计、冰期运行都不同程度的遇到冰冻问题，冰情往往对电站的效益与安全产生非常严重的不利影响。
寒冷地区抽水蓄能电站水库冰冻侵占了一部分总库容，使库容减少，在一定程度上影响发电效益；若冬季运行方式不当，冰情对闸门、大坝等水工建筑物可能带来破坏作用。因此冰冻库容设计、水电站防排冰运行等是寒冷地区抽水蓄能电站存在的两个重要问题。
《水电水利工程水文计算规范》(DL/T 5431-2009)中，针对抽水蓄能电站冰情分析计算的描述为：可分析“抽水蓄能电站上、下库结冰特性，冰盖的形成、破碎对库容和抽放水的影响”。但由于冰情特性的复杂性，现阶段研究的深度和广度严重不足，工程冰情的分析计算在理论基础和具体方法上均不成熟，有待结合实践研究完善。
抽水蓄能电站冰情分析计算中几个关键指标，如最大冰厚、冰冻库容、常规水电站下游最小不封冻距离(抽水蓄能电站上游常规水电站运行时)等，有部分经验公式可借鉴，但很不成熟且缺少验证。
目前国内外有关寒区水库(湖泊)冰情的研究成果主要为常规的静水冰生消过程，而电站冰期运行条件下的实际原型观测资料较少，作为与常规电站有明显差异的抽水蓄能电站，由于上库、下库的冰生消过程与库水位、环境温度、进/出水口位置、电站调度运行模式紧密相关，库面反复呈现“结冰--冰裂--融化--结冰”等状态，特别是离库岸几十米的区域其冰情状态更是时刻变化中，人为下库进行原型观测危险性极大，限于目前冰厚测量仪器发展水平，对于水库(尤其是薄冰区)冰厚测量还很不成熟，难以获取冰厚的精确数据，目前仅仅是停留在通过拍照、人工预估等手段进行直观的认识，离真实数据的获取还有非常大的距离。
最近几年发展起来的新技术，包括探地雷达探测冰厚、无人机航摄应急监测等，尽管有一些进步，一定程度上也能获取部分资料，但仍然存在很大的局限性，一是需要人工现场操作，且受天气影响严重，在夜晚更是不具备监测条件，监测数据不具备连续性；二是对于冰厚测量精度有限，特别是针对薄冰或者冰厚不大时，更是无能为力。
抽水蓄能电站上水库布置在山顶位置，水库水位变幅高达几十米，库盆边坡坡比通常为1:1.6左右；北方抽水蓄能电站为适应温度变化巨大的环境条件，其水库库盆面板、库盆库底的防渗处理是关键，电站建成后尖锐物体的撞击与划伤可能破坏防渗层，从而影响其防渗效果；北方抽水蓄能电站水库在冬季很容易结冰，库盆周边面板结冰后，当库水位上升或下降时，存在冰块撕裂或坍塌情况，从而对库盆面板防渗层存在较为明显的破坏；电站正常运行后，该情形是不允许发生的，通常需要通过电站调度或者其它辅助措施保障库盆周边保持几米宽的动水带或薄冰区，避免库盆形成整体冰盖。受风力、水库抽水/发电的影响，冬季库面浮冰往往处于漂移状态，顺风侧的浮冰很容易与面板接触并结冰，当水库保持相同水位时间较长时，严寒情况下结冰程度会显著加强，严重时可能破坏防渗面板。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种冰层厚度计算方法及系统，提高冰厚测量精度。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种冰层厚度计算方法，包括：
在竖直设置于湖泊/水库/河道内的水尺上沿水尺的长度方向布置N个温度测量点，每个温度测量点上固定一个温度传感器；
选取连续的M个时刻的水尺温度数据序列，以及湖泊/水库/河道所在区域的M个时刻的环境温度数据序列；
对于某一时刻，计算该时刻水尺温度数据序列和环境温度数据序列的相关系数，得到该时刻的N个相关系数；根据该时刻所述N个相关系数确定冰层厚度。
所述N个温度测量点均匀设置于所述水尺上，且相邻两个温度测量点的间距不超过1cm。提高测量精度。
所述湖泊/水库/河道水面/冰面上方固定有用于检测所述环境温度数据的温度传感器，温度传感器安装在防辐射罩内。
所述水尺上的温度传感器和所述检测环境温度数据的温度传感器均与遥测终端通信；所述遥测终端与数据处理中心通信。
一种冰层厚度计算方法，其特征在于，包括：
沿垂直于湖泊/水库/河道水面/冰面的方向从水面/冰面开始，往下依次布置N个温度传感器；在湖泊/水库的水面/冰面上方设置温度传感器采集环境温度数据；
从当前时刻开始，依次选取前M(24小时)个时刻的水尺温度数据序列，以及湖泊/水库/河道所在区域的前M个时刻的环境温度数据序列；
计算相同时刻水尺温度数据序列和环境温度数据序列的相关系数，得到N个相关系数；
根据所述N个相关系数确定冰层厚度。
所述N个温度测量点均匀设置于所述水尺上，且相邻两个温度测量点的间距不超过1cm。
一种冰层厚度计算系统，其包括：
N个第一温度传感器，沿竖直设置于湖泊/水库/河道内的水尺的长度方向布置；
第二温度传感器，设置于湖泊/水库的水面/冰面上方，用于采集环境温度数据；
处理单元，用于执行如下操作：
从当前时刻开始，依次选取前M(24小时)个时刻的水尺温度数据序列，以及湖泊/水库/河道所在区域的前M(24小时)个时刻的环境温度数据序列；
计算相同时刻水尺温度数据序列和环境温度数据序列的相关系数，得到N个相关系数；
根据所述N个相关系数确定冰层厚度。
所述处理单元包括：
数据采集模块，用于从当前时刻开始，依次选取前M个时刻的水尺温度数据序列，以及湖泊/水库所在区域的前M(24小时)个时刻的环境温度数据序列；
第一计算模块，用于计算相同时刻水尺温度数据序列和环境温度数据序列的相关系数，得到M个相关系数；
第二计算模块，用于根据所述N个相关系数确定冰层厚度。
还包括遥测终端；所述第一温度传感器、第二温度传感器均与所述遥测终端通信；所述遥测终端与所述处理单元通信。
具体地，本发明的冰层厚度确定过程为：水尺从上往下，对于某个时刻的所有温度测量点，找出该时刻相关系数大于0.95所有温度测量点，以该所有温度测量点的最低位置温度测量点确定冰层上表面；找出该时刻相关系数小于0.50且连续3个时刻的温度值均高于0度的所有温度测量点，并以该所有温度测量点的最高位置温度测量点确定冰层下表面；通过所述上表面和下表面即确定冰层厚度。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
“湖泊/水库/河道”冰厚自动监测方法主要有触点电压法、上/下界面检测法、温度链检测相关系数法等。相对“触点电压法”，本发明能满足结冰初期、融化后期冰密实度较低导致触点电压法无法正确判断的场景；相对“上/下界面检测法”，本发明能满足因冰面受水压力而破裂后出现冰上有水，水上再结冰的特殊情况。本发明适用范围广，测量精度高。
附图说明
图1为本发明水尺结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，从水尺底部往上依次布置100个温度测量点2，采用单总线数字式温度传感器(18B20)，通过遥测终端(RTU)采集，分别为T1、T2、T3、T4......T100，另外，设置一路环境温度传感器T，通过防辐射罩进行安装，同样采用数字式温度传感器(18B20)，并通过遥测终端(RTU)采集。温度采集间隔为1小时，采集数据发送至中心站计算机。
水尺上设有刻度1，便于人工现场比测计算冰层厚度。
算法描述：
·从当前时刻开始，依次往前推选取M组(24小时)水尺温度数据序列，T1(1)～T1(24)、T2(1)～T2(24)......T100(1)～T100(24)，以及环境温度数据序列T(1)～T(24)；
·分别将T1、T2......T100序列与环境温度数据序列T进行相关性计算，计算相关系数；
·相关系数计算：利用Microsoft Excel计算，采用CORREL函数，函数语法CORREL(array1,array2)；每个时刻对应100个相关系数；
·利用公式编程计算：
Figure BDA0002147255760000051
其中X样本为水尺温度数据序列(T1～T100)；Y样本为对应的环境温度序列T；
xi为水尺温度数据序列Ti(1)～Ti(24),
Figure BDA0002147255760000052
为水尺温度数据序列Ti(24小时)平均值AVERAGE(Ti)；
y为环境温度序列T(1)～T(24),
Figure BDA0002147255760000053
为样本平均值AVERAGE(T)；
·相关关系认定：安装在监测平台的水尺(量程1米)，分别位于水、冰、空气中，由于介质不同，比热效应差距明显，各个监测点温度序列与环境温度呈现明显相关性差异，其中暴露在空气中的温度点与环境温度呈现高度的相关性(可达0.95以上)，即使临近水面或冰面，其相关系统依然很高，可以以次确定冰(水)上表面；由于冰层厚度不大时(＜0.3米)，冰层中的温度点与环境温度呈现显著相关性，而水体中的温度点与环境温度仅仅呈现微相关关系，可以据此确定冰水界面。另外水体中的温度明显大于0度也是确定冰水界面的显著指标。具体地，水尺从上往下，对于某个时刻的所有温度测量点，找出该时刻相关系数大于0.95所有温度测量点，以该所有温度测量点的最低位置温度测量点确定冰层上表面；找出该时刻相关系数小于0.50且连续3个时刻的温度值均高于0度的所有温度测量点，并以该所有温度测量点的最高位置温度测量点确定冰层下表面；通过所述上表面和下表面即确定冰层厚度。
数据序列选取的依据：相关关系计算选取当前时刻往前24个数据进行滚动计算，主要是考虑1天的周期(采样间隔1小时)，1天的周期包括了天气昼夜更替、抽水蓄能电站最少一个抽水-放水(发电)过程，库盆冰面也经历了“结冰--冰裂--融化--结冰”全过程。实际证明是有效且合理的。
实施例
算法描述：
·选取水尺温度数据序列及环境温度数据序列,时间长为2018-12-2717:01～2018-12-29 6:01，见表1、表2；
·分别将T1、T2......T100序列与环境温度数据序列T进行相关性计算，计算相关系数，见表3；
2018-12-28 16:01 T81的相关系数(η)采用的数据序列是
2018-12-27 17:01～2018-12-28 16:01的T81与对应环境温度，计算值为-0.356；其他相关系数计算类同。
·相关系数计算：利用Microsoft Excel计算，采用CORREL函数，函数语法CORREL(array1,array2)；每个时刻对应100个相关系数；
·利用公式编程计算：
Figure BDA0002147255760000061
·相关关系认定：安装在监测平台的水尺(量程1米)，分别位于水、冰、空气中，由于介质不同，比热效应差距明显，各个监测点温度序列与环境温度呈现明显相关性差异，其中暴露在空气中的温度点与环境温度呈现高度的相关性(可达0.95以上)，即使临近水面或冰面，其相关系统依然很高，可以以次确定冰(水)上表面；由于冰层厚度不大时(＜0.3米)，冰层中的温度点与环境温度呈现显著相关性，而水体中的温度点与环境温度仅仅呈现微相关关系，可以据此确定冰水界面。另外水体中的温度明显大于0度也是确定冰水界面的显著指标。具体地，水尺从上往下，对于某个时刻的所有温度测量点，找出该时刻相关系数大于0.95所有温度测量点，以该所有温度测量点的最低位置温度测量点确定冰层上表面；找出该时刻相关系数小于0.50且连续3个时刻的温度值均高于0度的所有温度测量点，并以该所有温度测量点的最高位置温度测量点确定冰层下表面；通过所述上表面和下表面即确定冰层厚度。
表1 XXX抽水蓄能电站上库温度纵向数据(一)
Figure BDA0002147255760000071
Figure BDA0002147255760000081
表2..XXX抽水蓄能电站上库温度纵向数据(二)
................................................单位：·℃
Figure BDA0002147255760000091
Figure BDA0002147255760000101
表3 XXX抽水蓄能电站上库温度与环境温度相关系数计算表
Figure BDA0002147255760000102

Claims (9)

1.一种冰层厚度计算方法，其特征在于，包括：
在竖直设置于湖泊/水库/河道内的水尺上沿水尺的长度方向布置N个温度测量点，每个温度测量点上固定一个温度传感器；
选取连续的M个时刻的水尺温度数据序列，以及湖泊/水库/河道所在区域的M个时刻的环境温度数据序列；
对于水尺上的任一个温度测量点，计算该温度测量点M个时刻的温度数据组成的温度数据序列和环境温度数据序列的相关系数，得到该温度测量点的相关系数；同理，计算其余所有温度测量点的相关系数，最终得到N个温度测量点的N个相关系数；
根据该N个相关系数确定冰层厚度；
确定所述冰层厚度的具体实现过程包括：水尺从上往下，对于某个时刻的所有温度测量点，找出该时刻相关系数大于0.95所有温度测量点，以该所有温度测量点的最低位置温度测量点确定冰层上表面；找出该时刻相关系数小于0.50 且连续3个时刻的温度值均高于0度的所有温度测量点，并以该所有温度测量点的最高位置温度测量点确定冰层下表面；通过所述上表面和下表面即确定冰层厚度。
2.根据权利要求1所述的冰层厚度计算方法，其特征在于，所述N个温度测量点均匀设置于所述水尺上，且相邻两个温度测量点的间距不超过1cm。
3.根据权利要求1所述的冰层厚度计算方法，其特征在于，所述湖泊/水库/河道水面/冰面上方固定有用于检测所述环境温度数据的温度传感器，温度传感器安装在防辐射罩内。
4.根据权利要求3所述的冰层厚度计算方法，其特征在于，所述水尺上的温度传感器和检测环境温度数据的温度传感器均与遥测终端通信；所述遥测终端与数据处理中心通信。
5.一种冰层厚度计算方法，其特征在于，包括：
沿垂直于湖泊/水库/河道水面/冰面的方向从水面/冰面上方开始，从上往下依次布置N个温度传感器；在湖泊/水库/河道的水面/冰面上方设置温度传感器采集环境温度数据；
选取连续的M个时刻的水尺温度数据序列，以及湖泊/水库/河道所在区域的M个时刻的环境温度数据序列；
对于任一个温度测量点，计算该温度测量点M个时刻的温度数据组成的温度数据序列和环境温度数据序列的相关系数，得到该温度测量点的相关系数；同理，计算其余所有温度测量点的相关系数，最终得到N个温度测量点的N个相关系数；
根据所述N个相关系数确定冰层厚度；
确定所述冰层厚度的具体实现过程包括：水尺从上往下，对于某个时刻的所有温度测量点，找出该时刻相关系数大于0.95所有温度测量点，以该所有温度测量点的最低位置温度测量点确定冰层上表面；找出该时刻相关系数小于0.50 且连续3个时刻的温度值均高于0度的所有温度测量点，并以该所有温度测量点的最高位置温度测量点确定冰层下表面；通过所述上表面和下表面即确定冰层厚度。
6.根据权利要求5所述的冰层厚度计算方法，其特征在于，所述N个温度测量点均匀设置于水尺上，所述水尺上设置有刻度，且相邻两个温度测量点的间距不超过1cm。
7.一种冰层厚度计算系统，其特征在于，包括：
N个第一温度传感器，沿竖直设置于湖泊/水库/河道内的水尺的长度方向布置；
第二温度传感器，设置于湖泊/水库的水面/冰面/河道上方，用于采集环境温度数据；
处理单元，用于执行如下操作：
选取连续的M个时刻的水尺温度数据序列，以及湖泊/水库/河道所在区域的M个时刻的环境温度数据序列；
对于任一个温度测量点，计算该温度测量点M个时刻的温度数据组成的温度数据序列和环境温度数据序列的相关系数，得到该温度测量点的相关系数；同理，计算其余所有温度测量点的相关系数，最终得到N个温度测量点的N个相关系数；
根据所述N个相关系数确定冰层厚度；
确定所述冰层厚度的具体实现过程包括：水尺从上往下，对于某个时刻的所有温度测量点，找出该时刻相关系数大于0.95所有温度测量点，以该所有温度测量点的最低位置温度测量点确定冰层上表面；找出该时刻相关系数小于0.50 且连续3个时刻的温度值均高于0度的所有温度测量点，并以该所有温度测量点的最高位置温度测量点确定冰层下表面；通过所述上表面和下表面即确定冰层厚度。
8.根据权利要求7所述的冰层厚度计算系统，其特征在于，所述处理单元包括：
数据采集模块，选取连续的M个时刻的水尺温度数据序列，以及湖泊/水库/河道所在区域的M个时刻的环境温度数据序列；
第一计算模块，对于任一个温度测量点，计算该温度测量点M个时刻的温度数据组成的温度数据序列和环境温度数据序列的相关系数，得到该温度测量点的相关系数；同理，计算其余所有温度测量点的相关系数，最终得到N个温度测量点的N个相关系数；
第二计算模块，用于根据所述N个相关系数确定冰层厚度。
9.根据权利要求7所述的冰层厚度计算系统，其特征在于，还包括遥测终端；所述第一温度传感器、第二温度传感器均与所述遥测终端通信；所述遥测终端与所述处理单元通信。
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