研究项目DeichSCHUTZ:可靠的测量造就更安全的滨水区

研究项目DeichSCHUTZ:可靠的测量造就更安全的滨水区

在极端洪水的情况下,受影响的人的希望完全在于堤坝 – 它们能不能挡得住? 像Fischbeck(萨克森 – 安哈特)2013年洪水那样的堤坝破坏对内陆地区造成了巨大的破坏,这对当今仍然有影响。 在不来梅应用科技大学的活动研究项目DeichSCHUTZ(堤防保护)参与了一个创新的堤防保护系统,可以防止这种事故发生。

仅在德国,河堤保护了数千公里的海滨土地。 从今天的技术角度看,正在建造由三个区组成的堤坝。 从水侧到陆侧观察,各个区域以稳定增加的孔隙率建造,从而在洪水事件期间提供堤堤体的良好排水。 然而,在德国,仍然存在许多具有均匀构造的老堤坝,例如在2013年6月在Fischbeck的易北河洪水期间破裂的堤坝。 与三区堤坝相反,较老的区域特别容易受到长期洪水条件的影响。 水渗入堤坝本身,并且其饱和线在长时间的高水量内在堤坝体内进一步升高。 该饱和线上升得越多,地面材料受浮力的影响越大。 因此,堤坝失去了自身的基本自身质量,却仍需要抵抗高水压力。

想要稳定易受破坏的堤坝需要巨大的物质、人员资源和时间,在急剧的洪水情况下,这些都是稀缺的。 因此,在人员,材料和时间承诺方面,我们需要有应急预案,这比在堤坝的陆地侧上铺沙袋更有效。

创新的移动堤防保护系统

不来梅应用科技大学水力和海岸工程研究所的Christopher Massolle正在开发一种可以大大减少时间和人员投入的解决方案。 随着DeichSCHUTZ研究项目,由联邦教育和研究部发起,一个创新的,移动堤防保护系统正在测试在洪水事件期间稳定堤坝。 STS提供的测量技术也在其中发挥很大作用。

为了评估移动堤防保护系统,在霍亚技术救济机构的房地建造了一个试验堤。 为此,建造了一个拥有大约550立方米水的U形保持盆,其底端设有堤坝。

从视频中可以看到,在堤坝的左侧部署了大量的管道。在这些管道内放置STS生产的ATM/N 液位传感器 。在测试布置中,保留盆填充有地下水。在接近现实的条件下,水在30小时内应升至3米的水平。投入式液位传感器ATM/N 现在测量饱和线在这段时间的发展。压力范围从1到250 mH2O,精度≤±0.30%FS(-5到50°C),记录到最后一厘米。当饱和线不再继续上升时,将移动堤防保护系统引入水侧坡道,并应防止渗水的进一步渗透。堤节体现在继续排水,并且饱和线中产生的偏移的程度将由所采用的水平传感器测量。根据这些测量结果,可以最后评估保护系统的功能。

在地中海研究流域中使用地貌测量学进行地貌学分析

在地中海研究流域中使用地貌测量学进行地貌学分析

摘要

本文的目的是应用基于对象的地貌测量程序来定义径流贡献区域,并支持对3公里平方地中海研究流域(意大利南部)的水文地貌形态分析。

基于三年监测活动,我们收集并记录每日和亚小时放电和电导率数据。 关于这些数据的Hydro10化学记录分析显示在流域中强烈的季节性水文响应与在潮湿时期和干旱时期发生的风暴流事件不同。这种分析使我们能够定义与增加洪水量级相关的水文化学特征,其逐渐涉及各种径流分量(基流,地下流和表面流)和增加的排放贡献区域。在选定的暴雨事件期间进行的现场调查和水位/排放测量使得我们能够识别和映射具有均匀地貌单位的特定径流源15区域,先前被定义为水流地貌类型(弹簧点,沿着主要通道的扩散渗流,渗流沿岸走廊,从山坡的扩散流出和集中从集水坑挖掘)。按照先前由作者提出并用于基于对象的地貌绘图的程序,使用电子认知包(Trimble,Inc)执行水文地形定向分割和分类。与基于专家的地貌绘图的最佳方案是获得与加权的轮廓和20平面曲率总和在不同大小的窗口。结合水文化学分析和基于对象的水文地质类型图,贡献区域的变异性通过使用更好地适合贡献区域的流量累积的对数值,对在雨季期间发生的选择事件进行图形建模结果使我们能够识别每个时间步长的水文化学图上的径流分量,并计算每个地貌类型的特定排放贡献。 这种方法可用于地中海生态区中类似的,以降雨为主的,森林和无喀斯特的集水区。

Read the whole research study.

图片来源: Domenico Guida1, Albina Cuomo (1), Vincenzo Palmieri (2)
(1) Department of Civil Engineering, University of Salerno, Fisciano, 84084, Italy
(2) ARCADIS, Agency for Soil Defense of the Campania Region, 5 Naples, Italy

罗马尼亚的地表水监测

罗马尼亚的地表水监测

精确的水位测量需要具有报警功能的完美的控制系统,并对饮用水供应和洪水做出可靠的预测。STS和其合作伙伴MDS电气公司一起开发了一套罗马尼亚地下水和地表水综合管理系统。

罗马尼亚的饮用水主要来自于多瑙河等地表水和地下水。因此,对这些自然资源进行合理的管控是非常重要的。

为了保障饮用水供应和防止洪水泛滥,国家投资建设了一个综合的水利测量基础设施。

Figure 1: 地下水测量点

近年来,在与罗马尼亚合作伙伴MDS电气公司的合作中,整个国家包括偏远地区安装了超过700个的数据记录仪和350多个数据传输系统。为此,主要的投资在于电池供电的测量仪器,它监控着多瑙河流域的河流以及全国的地下水资源。

特殊测量方案需求

这是一项复杂的任务,因为每个投入式探头和数据传输系统都需要不同的评估和干预来满足各自的条件。在这种情况下,自动警报功能也是必不可少的,应该超出预先设定的限制值。

在饮用水供应的重要节点以及多瑙河流域的河流中,对水位的永久监测取决于以下需求:

  • 通过M2M协议自动的传输可靠的数据
  • 超出限定值的自动报警功能
  • 监测水位和温度,以及某些情况下的环境温度
  • 一个直观,可评估的和处理测量数据的解决方案和综合数据库
  • 易于安装和维护
  • 现场技术支持

为了完成这个大规模的项目,STS采用了针对压力和温度测量的DL/N70和WMS/GPRS/R/SDI-12数据记录仪,或根据需求采用 DTM.OCS.S/N数字量传感器带Modbus协议来确保在关键点0.03 %高精度水位测量。

STS和本地合作伙伴MDS电气公司协力合作实现单源来监控整个水位监测系统。每个安装点由MDS电气公司和STS的专家在现场进行评估,以便在每个测量点上安装定制的解决方案。也同时保证了压力测量装置的长期稳定性。Modbus协议 DTM.OCS.S/N在这一领域的优势在于它每年总误差小于0.1%的长期稳定性。由于其低能耗,稳健设计,这种传感器多年来基本上不需要维护。

DTM.OCS.S/N 更多优势简述:

  • 压力范围: 200mbar…25bar
  • 精度: ≤ ± 0.15 / 0.05 / 0.03 % FS
  • 工作温度: -40… 85 °C
  • 介质温度: -5…80 °C
  • 协议: RS485 with Modbus RTU (标准)
  • 和现有Modbus协议相兼容
  • 测量范围调整方便
自然灾害监测-冰川湖的水位测量

自然灾害监测-冰川湖的水位测量

阿尔卑斯山的冰川在不断变化。经过春夏季节的溶化后,为避免洪水的发生必须在早期阶段持续监测湖泊的水位变化。因此,可信赖的压力变送器、液位变送器和数据记录仪就变得十分的必要。

瑞士公司Geopraevent 安装并运行了高端警报和监测系统用于各种各样的自然灾害,包括:雪崩、滑坡和洪水。系统根据不同的任务和当地情况被单独的设计和实施。目前,全球范围内安装了60多个此类警报和监测系统。在自然灾害来临时,潜在诱发的严重后果使得我们没有任何犯错误的余地:多年来采用的防御技术必须要有坚实的表现。出于此原因,每套系统都会直接接入Geopraevent的服务器以确保无故障操作。

普兰莫尔特冰川湖的液位测量

这也适用于2011年用于检测伯恩阿尔卑斯山脉的普兰莫尔特冰川湖的系统。当春季温度上升的时候,冰川开始融化(如视频所示)。从这融水中,三个湖泊(Faverges, Vatseret 和Strubel)每年都会在清空前的夏季的几个月里不断膨胀。

伦克市附近是很危险的,其危险主要来自于Faverges湖。和其他两条湖泊一样,危险主要发生在温暖的季节。在每年一度的冰雪融化循环后,水温升高,然后在冰面上找到出口流出。出口附近逐渐解冻,意味着水速会持续的增加。例如,在2014年8月份,水流以20立方米/秒的速度席卷了伦克市的Trüebach。冰川湖水排空后,新的一轮循环会随着解冻的开始将在第二年春季开始。

为预测冰川湖的此类灾害发生并采取适当的保护措施,Geopraevent 安装了一套监控系统,能够确保在灾害发生前一到两天发出警报。在这个项目的实施过程中,由于长期稳定的突出性能和其他因素,STS 变送器也是值得信赖的合作伙伴。

Glacial lake outbreak alarm by SMS

为能够实时预测冰川湖融化带来的危害,成立了四个监测站:三个湖泊各一个,还有一个在Trüebach,避免洪水波及到Lenk市。

这三个冰川湖的水位通过压力变送器来实时监控。为了达到这个目的,测量器具通过直升机投放到湖泊的最深处。液位变送器 ATM/N/T 通过电缆连接到到安装在山脊上的数据记录仪。在此案例中,数据记录仪通过太阳能驱动,把收集到的数据通过移动手机输送给Geopraevent.如果数据记录仪显示水位下降,这表示冰川湖在逐渐排空。

冰川监测站(图片来源: Geopraevent)

由于Trüebach穿过一个峡谷,液位雷达附着在一根穿过峡谷的不锈钢电缆上,并通过电缆连接到数据记录仪。

一旦在湖泊和Trüebach中预设定的极限值下降或是上升,这些信息会通过短讯的形式发给负责Lenk 社区的人员,便于及时采取适当措施预付洪水发生。

此外,STS将在2017年9月份举办一次研讨会。其中演讲者包括:Lorenz Meier博士,Geopraevent 的创始人和CEO。

校正气压波动的水位数据

校正气压波动的水位数据

奥塔维喀斯特含水层的压力测量——气压效率计算数据分析

我们以前介绍了在承压和非承压含水层中识别和消除大气压效应的主要概念。虽然大家都知道气压变化会影响水位读数,但很少有文章提供正确管理测压数据。

了解气压效率可以减少在抽水试验中计算压力表面和压力计的压降时的误差。Stallman(1967)进一步提出,空气通过非饱和带的运动和伴随的压力滞后,有助于更好地描述含水层性质。

Rasmussen和Crawford(1997)描述了某些含水层的气压效率如何随时间变化,以及如何计算相应的气压响应函数(BRF)。他们还指出,最后一个参数与含水层的封闭程度有关。最后,我们介绍了该程序在纳米比亚北部(Otavi山地)无承压喀斯特含水层中的应用,其中一组4个绝压传感器记录了10个月期间1小时内的水位变化和潮汐时间间隔。

综述

正在调查的地区是一个6000平方公里的东南部分。平均海拔1300-1500 m,丘陵海拔2000 m(见下图)。

岩层由厚白云岩灰岩层和叠层石(500 b.p.)构成。地层被褶皱成若干个向斜和背斜,一般呈东西走向。研究区南部以一条长断裂为界,断裂中赋存多种矿物(铜、钒、铅、锌)。

由于高能压裂,植被覆盖率低,土壤匮乏,地表径流量几乎为零。两个天然盆地,塌陷线,大100-200米,位于更远的北部和项目区之外。年平均雨量为540毫米(1926 – 1992年),在夏季12月至3月期间达到峰值。从70年代中期到2000年,该地区遭受了降水的减少,加上采矿活动(Kombat, Tsumeb, Abenab)导致一些地方的地下水位下降了20-30米。

从2005年开始,由于矿井活动的减少和新的气象制度,这一趋势已逐渐好转。

水文地质框架

该地区以喀斯特地貌闻名,地下有一些宽广的湖泊,位于地表以下70 – 120米。

该地区也被列为该国最重要的含水层之一(水事务部,MAWRD, E-F地区)。为了收集对这一特殊环境的更有价值的见解,并确定水孔的替代位置,我们制作了两张压力图(2007-2010年),并在Harasib农场距离2-4公里的一些水点安装了4个液位传感器 (fig. 13)。

Fig. 13 水压图(2007年2月)及三个液位记录仪的位置

2007年的测压面显示了一个补给区,与地形高点一致,由雨水入渗补给。从这一点,地下流向西南和东南。在这一阶段,我们的研究重点是定义:

  • 含水层类型
  • Harasib和Dragon湖之间的蓄水层
  • 补给

2007年对表层和深水进行了化学分析,并在2010年9月至2011年6月的10个月期间进行了连续的气压和水位记录。当累积雨量超过400-500毫米时,蓄水层开始补给。不饱和部分的厚度范围为40 ~ 100 m。考虑到这个值接近年平均降雨量,而且含水层是岩溶和高度破碎的,我们应该注意到,一年或两年的降水稀少足以大大减少可开发的产量。

气压效率 (BE) 和气压响应影响 (BRF)

Fig. 16 干燥期值(九月 – 一月)

水位读数已用桑迪亚国家实验室软件BETCO进行分析,以消除气压变化的影响。测量值和修正值如图16所示,指的是干燥期(9月- 1月),而图17显示的是气压对水位的变化,用于计算气压效率。

Fig. 17 干燥期的气压和水位差(九月.-十二月 2010)

在所有示例中,我们注意到:

  • 即使振幅较低,测量值和校正值之间也有很好的相关性。
  • 在修正后的数值中仍有一个变化在减少;除去集肤效应现象,这种现象可归因于其他非气压效应(潮汐、双重孔隙率)。
  • 初始气压效率值非常相似(0.55-0.61)。

图18描绘了气压响应影响(BRF),描述了 水位随时间对气压阶跃变化的响应;本质上BRF是自施加荷载以来时间的函数。

Fig. 18 三个引水点的气压响应函数。曲线相似(尤其是Dragon’s Breath湖和Harasib湖),表明无承压含水层可能具有双重孔隙成分

对所有三个引水点都观察到很一致的结果。例如,在Dragon’s Breath湖,由于空气通过裂缝的缓慢速度,会迅速上升到0.5,并长期衰减到较低的值(20小时后的0.2 – 0.3)。外压与含水层之间的平衡值达到0.1。

这三条曲线的形状表明无承压含水层具有良好的水力连接,特别是Dragon’s Breath湖和Harasib湖之间,最后一条距离Harasib 2公里。

2007年所做的同位素和化学分析也证实了这种相关性(里雅斯特大学地质系Franco Cucchi教授)。

一般来说,收集到的数据证实了含水层的无约束特性,覆盖着一层厚厚的、刚性的非饱和层,具有良好的裂缝性和水力连接。初始气压效率比最终气压效率高。

潮汐和传感器读数

Fig. 19 地下湖的水位也一样。上面的放大图显示出固土潮引起的小的旋回差异。

关于最后一个主题,收集到的数据仍然有限,但我们认为可以阐明一些有趣的想法。当详细检查时,曲线显示出一个独特的z字形模式,每10-12小时出现一个峰值(图19)。这种行为支持固土潮的影响,在裂缝和孔隙的体积产生微小的变化,从而在地下水潜力。傅里叶分析(Shumway, 1988)给出了图20中三个水点的谐波结构和图21中的潮汐分量。

Fig. 20 三个水电的谐波结构

Fig. 21 主要谐波分量的潮汐震级(单位为ft)

靠近Harasib湖的区域有较高的M2组分值,这可以认为是一个较高的透射率区域(Merritt, 2004)。这一事实在一定程度上被ne – wsw断裂的存在所证实,该断裂非常靠近Harasib湖。

结论

含水层的水位波动不仅仅是由于补给的变化。气压和潮汐是主要问题。了解特定地点的气压变化,有助于验证压力图或抽水测试。现代的压力传感器是非常有用的,当安装到钻孔。不同类型的含水层的记录不同,这些图可以诊断监测水平的限制程度。

描述这种行为的有用参数是气压效率(BE)和气压响应影响(BRF)。后者的特征是,当初始值高且长期响应近似为0时,深层无承压含水层;相反,当长期响应值保持恒定或近似为1时,含水层为承压/半精细含水层。

消除气压效应有时是必要的,以正确地解释抽水测试或绘制一个压力地图。最后,对水位资料进行特别分析,可以计算潮汐的调和分量,从而计算出一些水文地质特征。

这一理论方法已应用于纳米比亚北部一个无承压喀斯特含水层项目研究所收集的数据。在10个月的时间里,通过四个传感器每小时的读数来监测水位。这些数据证实了在以前的调查中获得的一般假设,并强调了使用这些工具评估含水层的重要性,特别是显示:

  1. Harasib湖区降雨补给和高透过率的作用
  2. 含水层具有良好的水力连接和导流能力
  3. 缺乏承压层(这是一个深而坚硬的无承压含水层)
  4. 当降雨超过400/500毫米时,地下水位以上的不饱和部分开始排水
  5. 其他的压力效应,如潮汐,可以用液位传感器突出显示

致谢

Namgrows代表纳米比亚地下水系统,这个项目是由作者和他的同事Gérald Favre建立的,有来自4个不同国家(意大利、瑞士、纳米比亚、南非)的地质学家和勘探者参与。该项目在纳米比亚得到了工程公司的支持。Sarel La Cante和他的妻子Leoni Pretorius (Harasib农场)。

STS – Italia分公司为我们提供了液位传感器及其技术支持。

我也要感谢托德·拉斯穆森教授(佐治亚大学,雅典分校)对这些数据提供了有价值的见解,特别是关于气压效率和地球潮汐的数据。

 Source: Dr. Alessio Fileccia / Consulting Geologist