TES-91 泥沙監(jiān)測儀在馬口站的應(yīng)用研究

楊志斌，梁樹棟

（廣東省水文局佛山水文分局，廣東 佛山 528132）

0 前言

懸移質(zhì)含沙量測驗是研究流域產(chǎn)沙、輸沙規(guī)律的重要途徑。目前懸移質(zhì)含沙量測驗的主要方法是：人工取樣后烘干稱重。該方法從樣品的采集到分析，均需要大量人力和物力投入，而且樣品處理周期長，操作過程繁瑣，難以實時監(jiān)測河流懸移質(zhì)含沙量的變化。近年來隨著新產(chǎn)品新技術(shù)的不斷引進(jìn)，針對河流泥沙的監(jiān)測積累了一些經(jīng)驗，取得了一些進(jìn)展。TES-91 泥沙監(jiān)測儀可自動測量水體含沙量密度、水溫等特征值，數(shù)據(jù)采集和處理均可現(xiàn)場完成，操作簡便，能迅速、高效地測量得到水體的懸移質(zhì)含沙量值。

1 TES-91 泥沙監(jiān)測儀測量原理

TES-91 泥沙監(jiān)測儀使用光電法進(jìn)行懸移質(zhì)測驗。光電傳感器由一個紅外發(fā)射光源和兩個不同角度（90°和135°）紅外接收傳感器構(gòu)成，使這三個光孔之間呈三維立體狀。紅外光從光源發(fā)出，經(jīng)過水中懸移質(zhì)顆粒物的反射或散射再被另兩個傳感器接收，水中懸移質(zhì)顆粒物越多傳感器接收到的反射信號就越多，工作原理見圖1。傳感器將接收到的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電阻信號，再通過芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。后端芯片將所有接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行大量計算，采用逆投影成像算法，通過模擬成像計算圖片中的顆粒密度。

圖1 工作原理圖

對于不同懸移質(zhì)的本身密度和顏色的不同，對光的反射率不同。所以在懸移質(zhì)的測量過程中若需要提高精度則需要取樣進(jìn)行同質(zhì)性標(biāo)定，或與人工取樣值進(jìn)行對比后進(jìn)行線性修正。

2 測站概況

馬口水文站位于西江干流水道，是西、北江在思賢滘連通后進(jìn)入珠江三角洲的重要水文控制站，懸移質(zhì)含沙量測驗精度屬于二類精度站。水文站測驗河段順直約3 km，水流穩(wěn)定。低水位時受潮汐影響，洪水期，受西江、北江洪水組合影響。北江單一洪水期間，懸移質(zhì)含沙量沿斷面橫向分布不均勻；西江單一洪水或西江、北江同時發(fā)生洪水期間，懸移質(zhì)含沙量沿斷面橫向分布較為均勻。多年平均含沙量為0.254 kg/m3。實則最大含沙量為3.52 kg/m3（1986 年）。受上游水利樞紐影響，河道含沙量呈現(xiàn)逐年減少趨勢，近十年（2008 年～2019 年）最大含沙量為0.934 kg/m3。

3 TES-91 標(biāo)準(zhǔn)液測試

儀器進(jìn)行現(xiàn)場測試前，在實驗室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)液測試，步驟如下：用硅藻土配置濃度范圍在0～20 g/L 的14 個不同級別標(biāo)準(zhǔn)液（具體濃度以實際配置為準(zhǔn)），攪拌均勻，采用磁力攪拌器攪拌標(biāo)液的同時并放入儀器探頭，等待儀器穩(wěn)定后開始測量并記錄，每次測量前均用純水對探頭進(jìn)行沖洗并擦干。各級標(biāo)準(zhǔn)液實際濃度和儀器測量結(jié)果見表1。結(jié)果表明，TES-91 泥沙監(jiān)測儀在0～20 g/L 量程誤差在10%范圍內(nèi)，相關(guān)系數(shù)為0.9943，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)液濃度為21.33 g/L 時，誤差最大。

表1 標(biāo)液測試結(jié)果

4 TES-91 現(xiàn)場比測實驗

為了解烘干法測沙與TES-91 測沙結(jié)果之間的關(guān)系，在馬口站進(jìn)行TES-91 測沙和烘干法測沙的比測試驗，并進(jìn)行分析對比，建立相關(guān)關(guān)系曲線。

4.1 TES-91 的比測方式

采用現(xiàn)場采集水樣的方式對TES-91 進(jìn)行率定，具體方法是將TES-91 與橫式采樣器綁定在一起，TES-91 施測現(xiàn)場水體的含沙量（記為CS儀，下同），每點(diǎn)測驗歷時不少于60 s，同時采集相應(yīng)位置的水樣，采樣水層依次為0.2 H、0.6 H、0.8 H，使用2000 mL 的橫式采樣器進(jìn)行采樣。水樣烘干法進(jìn)行懸移質(zhì)含沙量（記為CS實，下同）的分析，利用TES-91 測的的水體含沙量和烘干分析的含沙量值，聯(lián)立兩者之間的關(guān)系曲線和相關(guān)系數(shù)。TES-91 泥沙監(jiān)測儀只能測量懸移質(zhì)含沙量，并不能測驗顆粒級配。烘干后的泥沙樣品使用馬爾文2000 分析其顆粒級配，分析水體泥沙顆粒級配是否會對TES-91 泥沙監(jiān)測儀測驗產(chǎn)生影響。

4.2 TES-91 與采樣器的安裝

為保證TES-91 泥沙監(jiān)測儀與采樣器同步采樣，TES-91 的儀器安裝支架設(shè)置在鉛魚的正上方，橫式采樣器的正下方，與橫式采樣器之間相距0.3 m。馬口站懸移質(zhì)含沙量測驗垂線在平水期平均水深約20 m，儀器與橫式采樣器的間距占平均水深的1.5%，TES-91 泥沙監(jiān)測儀與橫式采樣器的間距對比測精度影響較低。

5 比測數(shù)據(jù)分析

5.1 相關(guān)關(guān)系建立

本次比測時間為2019 年4 月1 日～2019 年7 月21 日，共計收集72 個比測數(shù)據(jù)點(diǎn)。比測期間，馬口站發(fā)生了2 次較為明顯的漲水過程，其中6 月中旬發(fā)生的洪水為西江、北江同時發(fā)洪的雙江洪水，洪峰水位為4.63 m；7 月中下旬發(fā)生的洪水為西江單江洪水，洪峰水位為4.95 m。期間實測懸移質(zhì)含沙量為0.010 kg/m3～0.688 kg/m3，2019 年馬口站最大懸移質(zhì)含沙量為0.688 kg/m3，試驗基本涵蓋了本年度懸移質(zhì)含沙量的變化范圍，含沙量級配較均勻，代表性強(qiáng)。

對CS實與CS儀進(jìn)行相關(guān)分析，按照最小二乘法，對72 份數(shù)據(jù)分段進(jìn)行線性回歸計算[1]，得到相關(guān)關(guān)系公式分別如下：

CS實=0.7027CS儀-0.0019，CS儀<0.40；CS實=1.9065CS儀-0.4900，CS儀>0.40。

在CS儀低于0.4 kg/m3時候，CS實與CS儀相關(guān)性較好，當(dāng)CS儀高于0.4 kg/m3,數(shù)據(jù)點(diǎn)與CS儀低于0.4 kg/m3的關(guān)系線偏差較大，因此單獨(dú)建立相關(guān)關(guān)系線。兩條關(guān)系線三線檢驗結(jié)果見表2。兩條關(guān)系曲線符號檢驗、偏離數(shù)值檢驗、適線檢驗、系統(tǒng)誤差均滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）相關(guān)規(guī)定要求，隨機(jī)不確定度滿足二類泥沙精度站要求的24%（多線法）。

表2 三線檢驗結(jié)果表

圖2 相關(guān)關(guān)系圖

從馬口站2005 年～2018 年的懸移質(zhì)顆粒級配資料來看，來沙組成以泥質(zhì)顆粒為主，來沙特征較穩(wěn)定。近十年中數(shù)粒徑（D50）變幅為0.007 mm～0.019 mm，年內(nèi)、年際懸移質(zhì)顆粒粒徑變化較小。將比測收集到的72 份垂線混合沙樣的顆粒級配資料進(jìn)行分析，X 軸表示CS實，Y 軸為中數(shù)粒徑（D50），Z 軸為CS儀。如圖3 所示，馬口站測沙斷面顆粒粒徑變化較為穩(wěn)定，中數(shù)粒徑（D50）介于0.007 mm～0.015 mm 之間，主要集中在0.009 mm～0.011 mm 之間，且隨著含沙量的增加，D50趨向于集中。

圖3 比測過程顆粒粒徑和含沙量關(guān)系圖

使用SPSS 20.1 數(shù)據(jù)分析軟件對CS實-CS儀-D50進(jìn)行二元線性回歸分析，結(jié)果見表3、表4。F 檢驗結(jié)果sig.<0.05,說明CS儀與D50中至少有一個自變量能夠有效預(yù)測因變量CS實。CS儀的回歸系數(shù)顯著性值sig.=0.000<0.01<0.05，表明CS儀對應(yīng)的回歸系數(shù)B 存在，有統(tǒng)計學(xué)意義；D50的回歸系數(shù)顯著性值sig.=0.566>0.05，D50的回歸系數(shù)不顯著，因此認(rèn)為馬口站使用TES-91 泥沙監(jiān)測儀，D50與CS實在統(tǒng)計學(xué)意義上無顯著影響。

表3 F 檢驗結(jié)果

表4 回歸系數(shù)及顯著性值

5.2 來沙過程模擬及相對誤差

采用5.1 得到的相關(guān)方程，計算TES-91 推算的相應(yīng)含沙量，與實測含沙量對比還原2019 年4 月～7 月含沙量變化過程，見圖3。相應(yīng)含沙量和實測含沙量隨時間變化過程基本一致，實測含沙量減少時相應(yīng)含沙量減少，實測含沙量增大時相應(yīng)含沙量增大，兩者同時達(dá)到峰值，且變化幅度基本一致。

圖3 含沙量過程比較

TES-91 推算的相應(yīng)含沙量與實測值之間的平均相對誤差可用下式計算[2]：

式中：E 是平均相對誤差；Cc、Cm分別是相應(yīng)含沙量和實測含沙量，kg/m3；N 是數(shù)據(jù)個數(shù)。

馬口站單次測驗實測含沙量與TES-91 推算的單次含沙量相對誤差見圖4。

圖4 單次測驗相對誤差

經(jīng)計算，全部實測測次的實測含沙量與推算含沙量的平均相對誤差為1.05%。單次相對誤差來看，當(dāng)含沙量小于0.10 kg/m3，測驗相對誤差較大，但絕對誤差較小。比如5 月5 日，實測含沙量0.062 kg/m3，推算含沙量0.088 kg/m3，實測值與推算值之差為0.026 kg/m3，相對誤差為41.9%。從計算年輸沙量方面來看，對年輸沙總量影響較小。

6 結(jié)論

（1）TES-91 泥沙監(jiān)測儀具有較好的穩(wěn)定性，能迅速、高效地測量得到水體的懸移質(zhì)含沙量值，提高懸移質(zhì)含沙量測量的時效性。

（2）馬口站測驗河段懸移質(zhì)顆粒級配變化不明顯，在該斷面使用TES-91 泥沙監(jiān)測儀，懸移質(zhì)顆粒級配與儀器測量值相關(guān)性不顯著。

（3）TES-91 泥沙監(jiān)測儀測量值與實測含沙量存在顯著的線性相關(guān)，但相關(guān)關(guān)系不是單一直線關(guān)系，隨著含沙量增加會發(fā)生變化，關(guān)系曲線以CS儀=0.40 kg/m3為界成兩條直線。關(guān)系曲線均通過了水文規(guī)范要求的三線檢驗，滿足水文測驗精度要求。

（4）目前TES-91 泥沙監(jiān)測儀在馬口水文站的比測范圍為0.70 kg/m3以下，表明在馬口站河段水體含沙量小于0.70 kg/m3時，TES-91 泥沙監(jiān)測儀器能滿足二類精度泥沙站的要求。