長(zhǎng)江枝城水文站TES-91泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比測(cè)試驗(yàn)分析

胡友薺　樊銘哲　楊成　包小鵬　朱愛(ài)

摘要：為了論證在線光學(xué)測(cè)試儀器在長(zhǎng)江上荊江河段的適用性，進(jìn)行了TES-91泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的比測(cè)試驗(yàn)分析。介紹了長(zhǎng)江枝城水文站TES-91泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、工作原理，并對(duì)其設(shè)備穩(wěn)定性、儀器示值與實(shí)測(cè)斷面平均含沙量分別進(jìn)行比測(cè)率定試驗(yàn)。結(jié)果表明：儀器性能穩(wěn)定，在線監(jiān)測(cè)泥沙與實(shí)測(cè)斷面平均含沙量具有良好的相關(guān)關(guān)系。將TES-91測(cè)得的含沙量與實(shí)測(cè)斷面平均含沙量建立模型，計(jì)算得到的斷面含沙量精度較高，適用于枝城水文站泥沙在線監(jiān)測(cè)和報(bào)汛。

關(guān)鍵詞：泥沙監(jiān)測(cè);含沙量率定;誤差分析;TES-91泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng);枝城水文站

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV149 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2O20.07.005

河流懸移質(zhì)泥沙含量（即含沙量）是重要的水文參數(shù)之一，河流含沙量監(jiān)測(cè)對(duì)于水利水電工程建設(shè)水資源開(kāi)發(fā)利用水土流失治理、工農(nóng)業(yè)取水用水和水文預(yù)報(bào)等意義重大。目前，水文測(cè)量河流含沙量的主要方法是人工取樣，采用烘千和稱重計(jì)算含沙量，從樣品的采集到分析，不僅需要投入大量人力、物力和時(shí)間，且測(cè)量周期長(zhǎng)，操作過(guò)程繁瑣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)河流含沙量的變化。因此，泥沙測(cè)驗(yàn)成為了制約水文全要素在線監(jiān)測(cè)的瓶頸。

長(zhǎng)江枝城水文站開(kāi)展了濁度儀比測(cè)試驗(yàn)，并成功投產(chǎn)用于泥沙快速監(jiān)測(cè)報(bào)汛，初步探索了光學(xué)法在泥沙測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了紅外光在線測(cè)沙研究，李勇濤等在研究不同泥沙特征對(duì)散射光強(qiáng)度的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，泥沙顆粒的散射光強(qiáng)度不僅受泥沙含量影響，還隨著泥沙粒徑和泥沙亮度的變化而變化”，并且在基于940nm普通紅外光源的反射式泥沙測(cè)量傳感器測(cè)沙研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水流含沙量低于207.39kg/m時(shí)，測(cè)量精度高于90%[2]。為了論證在線光學(xué)測(cè)沙儀器在上荊江河段的適用性，探索破除泥沙監(jiān)測(cè)瓶頸之策，進(jìn)一步提高水文測(cè)驗(yàn)的現(xiàn)代化水平，2019年4月，枝城水文站通過(guò)在枝城水文躉船尾部固定位置處安裝TES-91泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)展了儀器精度、穩(wěn)定性、可靠性比測(cè)試驗(yàn)了，尋求建立監(jiān)測(cè)結(jié)果與斷面平均含沙量之間的相關(guān)關(guān)系。

TES-91泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)組成

TES-91泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由紅外光泥沙傳感器、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)（含RTU）、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)遙測(cè)系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)顯示屏及中心站軟件組成，見(jiàn)圖1。

1.2測(cè)量原理

TES-91泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要通過(guò)紅外吸收散射光纖法進(jìn)行測(cè)沙4，應(yīng)用ISO07027水質(zhì)濁度測(cè)定方法，可以連續(xù)精確測(cè)定懸浮物濃度。按照ISO07027紅外吸收散射光線技術(shù)，不受色度影響測(cè)定懸浮物濃度值，通過(guò)建立懸浮物濃度值與泥沙含沙量的相關(guān)關(guān)系，即可直接輸出泥沙含沙量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，見(jiàn)圖2。

1.3主要參數(shù)

TES-91泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2測(cè)驗(yàn)河段概況

2.1測(cè)站基本情況

長(zhǎng)江枝城水文站為國(guó)家基本水文站，也是長(zhǎng)江荊江人口重要控制站。該站為荊江河段及洞庭湖防汛抗旱、水資源合理調(diào)配、河道整治提供水文資料。該測(cè)站設(shè)立于1925年，位于長(zhǎng)江宜都市枝城河段，集水面積102.41萬(wàn)km'，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括降水量、水位、流量、懸沙、懸移質(zhì)顆分、沙質(zhì)推移質(zhì)、卵石推移質(zhì)、床沙等。

2.2河流特性

枝城站測(cè)驗(yàn)河段在兩彎道之間的順直過(guò)渡段上，順直段長(zhǎng)度約3km，略顯上窄下寬狀，見(jiàn)圖3。斷面上游700m處有石磯，高水影響主泓擺動(dòng)，河槽中高水位河寬1200～1400m，屬于寬淺型河流。測(cè)流斷面河床組成為沙質(zhì)和礁巖，沖淤變化不大，河床較為穩(wěn)定。枝城站徑流量來(lái)自上游長(zhǎng)江千流和清江。

2.3測(cè)站斷面含沙量橫向分布

搜集近5a來(lái)所有選點(diǎn)法含沙量測(cè)驗(yàn)資料，共計(jì)16次，分析近些年枝城水文測(cè)驗(yàn)斷面的含沙量橫向分布變化規(guī)律。通過(guò)計(jì)算垂線平均含沙量與多條垂線平均含沙量之和的比值，同時(shí)加入常數(shù)予以區(qū)分，繪制出含沙量橫向分布圖，見(jiàn)圖4。

由圖4可見(jiàn)，含沙量在枝城測(cè)驗(yàn)斷面上的橫向分布接近均勻分布，并保持穩(wěn)定，為T(mén)ES-91泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在枝城水文站比測(cè)試驗(yàn)提供了良好條件。

3比測(cè)率定

3.1儀器安裝

TES-91在線測(cè)沙傳感器安裝在枝城水文躉船尾部固定位置（3353041.936，548917.382，1954年北京坐標(biāo)系），傳感器入水深1.85m。應(yīng)對(duì)儀器在線監(jiān)測(cè)，定期檢查，在采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?；蛩杏欣p繞物時(shí)，應(yīng)及時(shí)排障。

3.2含沙量率定方法

（1）儀器穩(wěn)定性率定分析。人工測(cè)驗(yàn)含沙量（在儀器旁采用橫式采樣器單獨(dú)取樣，利用烘干法所測(cè)取的含沙量）與TES-91在線測(cè)沙同步比測(cè)，將在線測(cè)沙儀器示值和人工測(cè)驗(yàn)含沙量樣本建立模型。

（2）在線測(cè)沙儀器示值與斷面平均含沙量率定分析，儀器示值同步與斷面平均含沙量樣本建立模型。

3.3比測(cè)率定資料選取

選取2019年7月10日至2019年8月26日人工測(cè)驗(yàn)含沙量樣本50份，斷面平均含沙量樣本46份，見(jiàn)表2。

此次比測(cè)結(jié)果為：儀器示值最大0.518kg/m'，最小0.045kg/m';人工測(cè)驗(yàn)含沙量最大0.188kg/m'，最小0.019kg/m？;斷面平均含沙量最大0.216kg/m'，最小0.016kg/m'。

3.4率定分析及誤差分析結(jié)果

將在線測(cè)沙儀器示值與人工測(cè)驗(yàn)含沙量建立相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)圖5），回歸方程式為y=0.3781x-0.002。分析結(jié)果顯示兩者相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)0.98。對(duì)關(guān)系曲線進(jìn)行檢驗(yàn)，樣本容量N=50，符號(hào)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值u=0.14<1.15（顯著性水平a=0.25），適線檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值U=0.86<1.64（顯著性水平a=0.05），偏離數(shù)值檢驗(yàn)值lt＼=0.97<1.67（顯著性水平a=0.10），3項(xiàng)檢驗(yàn)均為合格。隨機(jī)不確定度為23.4%，系統(tǒng)誤差為1.6%，滿足SL195-2015《水文巡測(cè)規(guī)范》54.5.9中規(guī)定隨機(jī)不確定度與系統(tǒng)誤差分別不超過(guò)24.0%，2%的要求。從儀器示值與人工測(cè)驗(yàn)含沙量建立的模型可知，儀器性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集異?，F(xiàn)象。

儀器示值與斷面平均含沙量建立相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)圖6），回歸方程式為y=0.4271x-0.0064。分析結(jié)果顯示兩者相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)0.98。對(duì)關(guān)系曲線進(jìn)行檢驗(yàn)，樣本容量N=46，符號(hào)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值u=0.44<1.15（顯著性水平a=0.25），適線檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值U=0.00<1.64（顯著性水平a=0.05），偏離數(shù)值檢驗(yàn)值ltl=1.10<1.67（顯著性水平a=0.10），3項(xiàng)檢驗(yàn)均為合格。隨機(jī)不確定度為24.0%，系統(tǒng)誤差為1.9%，滿足SL195-2015《水文巡測(cè)規(guī)范》要求。通過(guò)建立的模型，在線斷面平均含沙量可由儀器示值推算得到。

3.5儀器示值與實(shí)測(cè)含沙量整編成果分析

為了驗(yàn)證TES-91泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)沙代表性，通過(guò)率定的公式，由儀器示值計(jì)算在線斷面含沙量，并進(jìn)行整編，生成在線逐日平均含沙量和在線逐日平均輸沙率成果，與實(shí)測(cè)含沙量整編成果進(jìn)行對(duì)照分析，見(jiàn)圖7。

由圖7可知，在線逐日平均含沙量、輸沙率與實(shí)測(cè)逐日平均含沙量、輸沙率關(guān)系較好，吻合程度高。枝城站水文測(cè)驗(yàn)斷面平均含沙量與枝城水文躉船處儀器示值滿足以下關(guān)系：

y=0.4271x-0.0064? （1）

3.6儀器示值與實(shí)測(cè)含沙量洪水泥沙過(guò)程對(duì)比

2019年為平水年份，泥沙含量較小。為進(jìn)一步分析泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)泥沙傳感器的穩(wěn)定性，選取2019年最大含沙量（洪水）變化過(guò)程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（7月30日08：29至8月17日08：20），進(jìn)行儀器示值、在線斷面平均含沙量和實(shí)測(cè)斷面平均含沙量洪水泥沙過(guò)程對(duì)比分析，見(jiàn)圖8。

通過(guò)對(duì)比分析，儀器示值與在線斷面平均含沙量平沙、沙峰和沙谷變化趨勢(shì)均吻合，兩者之間相關(guān)性良好。在線斷面平均含沙量與實(shí)測(cè)斷面平均含沙量，兩組數(shù)值十分接近。結(jié)果表明，在枝城測(cè)驗(yàn)河段，在線斷面平均含沙量能準(zhǔn)確代替實(shí)測(cè)斷面平均含沙量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)汛。

4結(jié)論

（1）比測(cè)試驗(yàn)分析了TES-91在線測(cè)沙儀器示值與傳統(tǒng)人工測(cè)驗(yàn)含沙量的相關(guān)性。兩者顯著相關(guān)，模型3項(xiàng)檢驗(yàn)、誤差分析均滿足要求，表明TES-91在線測(cè)沙儀器用于枝城水文站測(cè)驗(yàn)點(diǎn)的性能穩(wěn)定。

（2）2019年含沙量較小，比測(cè)TES-91在線測(cè)沙儀器示值不超過(guò)0.518kg/m'，實(shí)測(cè)斷面平均含沙量不超過(guò)0.216kg/m'。在較低含沙量下建立的儀器示值與枝城水文測(cè)驗(yàn)斷面平均含沙量模型相關(guān)性良好，通過(guò)了3項(xiàng)檢驗(yàn)和誤差分析，滿足規(guī)范要求。在實(shí)測(cè)斷面平均含沙量不超過(guò)0.216kg/m'情況下，可由TES-91在線測(cè)沙儀器示值按式（1）推求斷面平均含沙量，實(shí)現(xiàn)泥沙在線監(jiān)測(cè)。

（3）試驗(yàn)中含沙量比測(cè)范圍有待于進(jìn)一步擴(kuò)大，應(yīng)優(yōu)化安裝方式及位置，為實(shí)現(xiàn)泥沙實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)工作奠定基礎(chǔ)。

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（編輯：李曉瀠）