A method for determining the water discharge of small rivers based on water surface video images processing

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

При разработке систем рационального управления водными ресурсами, проектировании различных гидротехнических сооружений, расчета количества воды для населенных пунктов и нужд производства необходимы точные, оперативные данные о расходе воды – основной гидрологической характеристики любого водотока [5].

Для устьевой области рек характерно наличие возвратно-поступательного движения водных потоков, направление которых может быстро изменяться во времени. Получение оперативных данных о количестве воды, протекающее в единицу времени через определенное сечение в обоих направлениях (баланс воды), – одна из задач экологического мониторинга.

Также непрерывный мониторинг расхода воды малых рек может помочь оперативно определить наличие несанкционированного забора воды и образование заторов в устье реки. В частности, это актуально для рек Крыма при разработке мероприятий по предупреждению и предотвращению разливов рек и затоплению прилежащих территорий во время паводков.

Применяемые на сегодняшний день методы определения расхода воды недостаточно оперативны, а также применяются в основном на оборудованных гидрометрических постах [6], сеть которых ограничена. В связи с этим актуально создание новых методов, которые позволят получать оперативную и достоверную информацию о расходе воды в реках с применением экономически эффективных и простых в использовании технологий.

Для определения расхода воды существуют различные методы [4]. Наиболее распространен метод “скорость–площадь” [2]. Расход определяют как произведение площади его поперечного сечения и средней скорости течения.

Для расчета площади поперечного сечения реки измеряют ширину реки и ее глубину на разных расстояниях от берега с использованием гидрометрических штанг, лотлиней, профилографов [9] и другого оборудования.

Скорость течения речного потока определяется на разной глубине и на разных расстояниях от берега по поперечному профилю, так как в разных точках сечения она неодинакова [3]. Для определения скорости течения используют в основном гидрометрические вертушки [11]. Вертушку опускают в реку на тросе или на штанге и проводят измерения на разных горизонтах: в основном на глубине 0.2h и 0.8h. При глубине потока до 0.5 м допускается измерять скорость потока в одной точке на расстоянии 0.4h от дна или 0.6h от поверхности воды. При проведении первичной градуировки гидропостов или при плановых поверках, где требуется высокая точность, измерения проводятся пятиточечным способом. Для оперативного определения скорости течения применяется поплавковый метод [1], суть которого заключается в определении времени прохождения поплавка между двумя створами выше и ниже по течению реки. Зная расстояние между ними, определяют поверхностную скорость течения и далее с использованием поправочных коэффициентов вычисляют среднюю скорость по глубине. Помимо указанных выше, применяют и другие методы, например – измерения скорости течения реки с помощью ультразвука [4]. Принцип его заключается в следующем: под водой устанавливают возбудитель ультразвуковых колебаний, ниже по течению на некотором расстоянии от него – приемник этих колебаний. Далее проводят измерения скорости прохождения ультразвука сначала по течению, затем против течения. По разнице времени прохождения ультразвуковых колебаний по течению реки и против течения вычисляют скорость течения. Ультразвуковой метод позволяет измерять скорость течения с берега и определять расход воды с любой дискретностью, но в одной точке пространства, что снижает точность определения скорости по поперечному сечению.

Реже используют метод смешения или химический метод [7]. Он заключается в том, что в речной поток добавляют определенный объем солевого раствора с известной концентрацией, а ниже по течению, где раствор уже хорошо перемешан с речной водой, отбирают пробу воды и определяют в ней концентрацию соли. По отношению концентрации соли в исходном растворе к концентрации в реке ниже по течению, а также с учетом его объема вычисляют расход воды в реке.

Метод “скорость–площадь” – основной в настоящее время для определения расхода воды в реках, однако используемые способы измерения скорости течения не позволяют оперативно получать натурные данные и требуют значительных финансовых и трудозатрат.

Основная цель данной работы – показать возможности разработанного метода определения расхода воды в реке, отличительная особенность которого – определение скорости течения при помощи обработки видеоизображений водной поверхности. Данный метод позволяет оперативно получать экспресс-данные о расходе воды в реке с минимальными финансовыми и трудозатратами. Большое преимущество также – возможность его применения в дистанционном режиме.

МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Сущность метода заключается в получении видеоизображений водной поверхности реки с необходимого ракурса с учетом разбивки створа на местности и профиля глубин для данного створа. Далее полученные видеофайлы обрабатываются при помощи специализированного программного обеспечения, определяется поле поверхностных скоростей течения, площадь створа и вычисляется расход реки по методу “скорость–площадь”.

Методика предполагает последовательное выполнение ряда этапов работ.

Первый этап. Выбор экспериментального участка на местности, разбивка створа, промерные работы

Для гидроствора выбирается прямолинейный бесприточный участок без валунов и водной растительности, с квазиоднородным, расчищенным от завалов профилем дна. Назначаются промерные вертикали, зависисящие от ширины реки, но ≥20. При ширине объекта <5 м число промерных вертикалей выбирается так, чтобы расстоя ние между ними было ≤0.25 м. Также на данном этапе выполняется измерение расстояний (рис. 1), которые требуются при последующей программной обработке видеофайлов. Для этого на местности размечаются четыре реперные точки (рис. 1) с использованием краски, колышков или других подручных материалов.

Рис. 1. Определение реперных расстояний на местности.

Эти данные позволяют построить матрицу преобразования для пересчета расстояний и размеров на полученных изображениях в реальные единицы измерения [13] (рис. 2).

Рис. 2. Вычисление размера пикселя для исследуемой области.

Второй этап. Регистрация видеоизображений поверхностного слоя воды

Видеосъемка выполняется камерой либо смартфоном, обеспечивающим минимальное разрешение съемки 1920×1080 точек (пикселей) и частоту кадров ≥24 к/с. Выбирается угол съемки ~45°, чтобы в кадре был отображен полностью размеченный участок реки с реперными точками. С учетом освещения место съемки выбирается так, чтобы колебания поверхности реки были визуально наиболее различимы (наилучшие результаты показала съемка против света). При слабом течении и в отсутствие видимых колебаний поверхности воды (когда поверхность “гладкая”) применяются маркеры, которые запускаются выше по течению по всей ширине створа.

Третий этап. Программная обработка видеоизображений с использованием программного обеспечения Matlab

Видеофайл разделяется на отдельные изображения, далее проводится их обработка для вычисления поля поверхностной скорости течения с помощью PIV-метода [12]. Данный метод основан на анализе смещения паттернов, представляющих собой неровности водной поверхности, за фиксированный интервал времени. Для определения скорости их смещения используется кросс-корреляция двух последовательных изображений, которые разделяются на фрагменты. Для каждого такого фрагмента рассчитывается кросс-корреляционная функция (1) и ищется ее максимум [10]:

C(m, n) = ∑_i ∑_j I₁(i, j)I₂(i + m, j + n), (1)

C(m, n) – величина кросс-корреляции для пикселя (m, n); I₁(i, j) – яркость пикселя (i, j) первого фрагмента изображения; I₂(i+m, j+n) – яркость пикселя (i+m, j+n) второго фрагмента изображения.

По координатам максимума относительно центра фрагмента определяются направление и величина смещения пикселей D; далее, зная временную задержку между кадрами Δt, рассчитывают скорость течения [8]:

$V=S\frac{D}{\mathrm{\Delta }t},$ (2)

S – масштабный коэффициент для пересчета скорости пкс/с–м/с, который берется из матрицы преобразования.

Четвертый этап. Определение расхода воды по методу “площадь–скорость”

Расход воды Q в створе определяется как сумма расходов воды q_i между промерными вертикалями по формуле:

$Q=\sum _{i=0}^n{q}_i{,}^{}{q}_i=k{S}_i{\nu }_i,$ (3)

S_i – площадь поперечного сечения потока i-го участка, м²; v_i – поверхностная скорость течения для i-го участка, м/с. Для учета изменения скорости течения по глубине применяется коэффициент k = 0.8 [4], учитывающий шероховатость подстилающей поверхности.

Площадь S_i для участков в центральной части створа рассчитывается следующим образом:

$S_i=\frac{(h_{k-1}+h_k)b_{k-1}}{2},$ (4)

у берегов вычисляется по формулам:

$S_R=\frac{(h_0+h_1)b_0}{2}{,}_{}{S}_L=\frac{h_k{b}_k}{2},$ (5)

где h – глубина на промерных вертикалях; b – расстояние между промерными вертикалями; b₀ и b_k – расстояния между крайними промерными вертикалями и урезами воды; k – номер промерной вертикали.

Апробация метода проходила при экспедиционных исследованиях на реках юго-западного Крыма: Черной, Бельбек, Каче – в течение 2020–2023 гг. Определение расхода воды в реках проводилось с использованием гидрометрической вертушки, поверхностных поплавков и разработанным методом видеорегистрации.

Для примера на рис. 3 показано поле скоростей течения, построенное по результатам программной обработки видеоданных, полученных в ходе экспедиции в 2023 г.

Рис. 3. Распределение скоростей потока р. Качи у гиропоста с. Суворово.

На рис. 4 изображен размеченный створ, в котором проводились промерные работы. Выполнены расчеты средней скорости течения для каждого участка створа (рис. 4а), и построен профиль его глубин (рис. 4б). Определенный с помощью разработанного метода расход воды составил 0.27 м³/с, средняя скорость потока – 0.33 м/с.

Рис. 4. Векторы средней скорости течения по каждому участку створа (а), профиль глубин (б) в створе р. Качи у с. Суворово.

Также в ходе данной экспедиции расход воды измерялся с помощью других методов с использованием гидрометрической вертушки и поверхностных поплавков. Сравнение результатов, полученных с помощью разных методов, показано в табл. 1. Разница результатов разработанного метода и стандартного, аттестованного метода с использованием гидрометрической вертушки – в среднем ≤12% – это хороший результат, он может свидетельствовать о работоспособности нового метода. При этом измерения, выполненные с использованием поверхностных поплавков, показали худшие результаты.

Таблица 1. Расход воды, определенный разными методами

ВЫВОДЫ

Таким образом, разработанный метод позволяет получать оперативные натурные данные о расходе воды в реке без использования специализированного, дорогостоящего оборудования. Данный метод может быть технически реализован для дистанционного, непрерывного мониторинга расхода воды в малых реках Крыма для оценки пикового сброса в условиях паводков и половодий. Выполненная апробация метода показала его работоспособность, расхождения со стандартными применяемыми методами в целом были ≤12%.

Работа выполнена в рамках государственного задания (тема FNNN-2024-0016 “Исследование пространственно-временной изменчивости океанологических процессов в береговой, прибрежной и шельфовых зонах Черного моря под воздействием природных и антропогенных факторов на основе контактных измерений и математического моделирования”, шифр “Прибрежные исследования”).

About the authors

D. A. Antonenkov

Author for correspondence.
Email: dmitry_science@mail.ru
Russian Federation, Sevastopol, 299011

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Determination of reference distances on the ground.

Download (276KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Calculating the pixel size for the area of ​​interest.

Download (442KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Distribution of flow velocities of the Kachi River near the gyro post in the village of Suvorovo.

Download (379KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Vectors of average current velocity for each section of the cross-section (a), depth profile (b) in the cross-section of the Kachi River near the village of Suvorovo.

Download (490KB)

Indexing metadata