基于光學(xué)濁度儀的感潮河段泥沙在線監(jiān)測(cè)

摘要：為了提高感潮河段泥沙監(jiān)測(cè)水平，利用光學(xué)濁度儀在南京水文實(shí)驗(yàn)站開展了含沙量施測(cè)精度、穩(wěn)定性、可靠性的比測(cè)試驗(yàn)，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩個(gè)浮標(biāo)位置安裝在線測(cè)沙儀，分析了濁度與測(cè)點(diǎn)含沙量及斷面平均含沙量的關(guān)系。結(jié)果表明：2023年3～8月南京水文實(shí)驗(yàn)站在室外利用光學(xué)濁度儀采集數(shù)據(jù)確立的點(diǎn)濁度-斷面平均含沙量關(guān)系，通過(guò)了水文規(guī)范要求的定線精度檢驗(yàn)，隨機(jī)不確定度為16.4%，系統(tǒng)誤差0.4%，滿足一類精度站要求，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)含沙量、輸沙率的推求。采用光學(xué)濁度儀測(cè)驗(yàn)懸移質(zhì)含沙量可大幅度提高泥沙測(cè)驗(yàn)的時(shí)效性，在線測(cè)沙系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)反映出感潮河段泥沙特性規(guī)律。

關(guān)鍵詞：泥沙在線監(jiān)測(cè)； 懸移質(zhì)含沙量； 斷面平均含沙量; 感潮河段； 光學(xué)濁度儀

中圖法分類號(hào)：P335.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S2.002

文章編號(hào)：1006-0081（2024）S2-0004-05

0引言

河流懸移質(zhì)泥沙含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，使用烘干稱重法計(jì)算含沙量，該方法從樣品的采集到分析，均需要大量人力、物力和時(shí)間的投入，而且測(cè)量周期長(zhǎng)、操作過(guò)程繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)河流含沙量的變化，泥沙測(cè)驗(yàn)成了制約水文全要素在線監(jiān)測(cè)的瓶頸［1-2］。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，部分測(cè)站流量已實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)［3-4］。在線測(cè)沙研究取得一些成果，朱文祥等［5］在紅河流域元江站、梁如心等［6］在黃河流域三門峽站、鄧才等［7］在洞庭湖水系自治局（三）站、王玨等［8］在長(zhǎng)江口徐六涇站等運(yùn)用光學(xué)法和同位素法開展了多次嘗試；吳堯等［9］在深圳河口站進(jìn)行了短期輸沙率的推算。為突破泥沙監(jiān)測(cè)瓶頸，提高現(xiàn)代化水平，本文以感潮河段為研究對(duì)象，利用光學(xué)測(cè)沙法開展泥沙在線監(jiān)測(cè)，并對(duì)含沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行整編。具體通過(guò)濁度傳感器比選、室內(nèi)試驗(yàn)率定、室外安裝測(cè)試等，利用光學(xué)濁度儀對(duì)含沙量精度、穩(wěn)定性、可靠性進(jìn)行比測(cè)，建立濁度與測(cè)點(diǎn)含沙量及斷面平均含沙量的關(guān)系。

1測(cè)沙原理及儀器結(jié)構(gòu)

1.1測(cè)沙原理

濁度測(cè)量的原理主要包括朗伯-比爾定律以及水樣對(duì)光的散射作用，其中散射作用主要是瑞利散射和米氏散射［10-11］。當(dāng)一束單色的平行光垂直通過(guò)一均勻吸光物質(zhì)時(shí)，其吸收光強(qiáng)度與物質(zhì)濃度和光線通過(guò)厚度成正比，而透射光強(qiáng)度與物質(zhì)濃度和光線通過(guò)厚度成反比；在不考慮液體中顆粒大小的情況下，散射光的強(qiáng)度和液體濃度都是成正比［12］。

濁度的散射強(qiáng)度對(duì)泥沙粒徑較為敏感［13-14］，長(zhǎng)江下游感潮河段泥沙顆粒分布相對(duì)集中。從2018～2022年斷面平均含沙量（圖1）看出，南京水文實(shí)驗(yàn)站斷面平均含沙量大部分低于0.100 kg/m3，占全部測(cè)次的87.3%，最大斷面實(shí)測(cè)含沙量為0.240 kg/m3。2018～2022年懸移質(zhì)斷面中值粒徑范圍為0.007～0.020 mm（圖2），其中小于0．015 mm的測(cè)次占93.8%。

1.2儀器結(jié)構(gòu)

在線測(cè)沙系統(tǒng)由在線測(cè)沙儀（主機(jī)、電源及4G傳輸）、數(shù)據(jù)接收服務(wù)器、手機(jī)APP軟件及外置太陽(yáng)能充電模塊等組成。其中，在線測(cè)沙儀主機(jī)包含光學(xué)濁度傳感器、數(shù)據(jù)采集傳輸控制模塊、傳感器清洗刷頭、防水外殼等。

2室內(nèi)外比測(cè)實(shí)驗(yàn)及合理性分析

2.1泥沙脈動(dòng)

天然河流中泥沙脈動(dòng)情況普遍存在［15］。圖3為泥沙脈動(dòng)現(xiàn)象，圖中顯示了在南京水文實(shí)驗(yàn)站測(cè)流斷面落潮期約1 h內(nèi)，同一點(diǎn)持續(xù)30次取樣用烘干法測(cè)得的點(diǎn)含沙量數(shù)據(jù)，點(diǎn)含沙量范圍為0.089～0.250 kg/m3，采用的橫式采樣器為瞬時(shí)采樣器，無(wú)法避免脈動(dòng)。

2.2室內(nèi)比測(cè)

選擇一個(gè)能盛裝懸移質(zhì)水樣的不透光容器，底部安裝磁力攪拌器，從而達(dá)到攪拌液體的目的。在線測(cè)沙儀入水樣深度可調(diào)節(jié)，要求濁度儀發(fā)射和接收信號(hào)的傳感器在懸移質(zhì)水樣的水深中部，讀取濁度值，通過(guò)回歸分析得到濁度和含沙量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

曾瑞 等基于光學(xué)濁度儀的感潮河段泥沙在線監(jiān)測(cè)圖4為室內(nèi)31個(gè)樣本點(diǎn)濁度與點(diǎn)含沙量建立的相關(guān)關(guān)系，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.982 8，相關(guān)性較好。采樣區(qū)域?yàn)槟暇┧膶?shí)驗(yàn)站中泓兩條垂線，為了擴(kuò)大樣本范圍，橫式采樣器連續(xù)取樣約200 L，靜止沉淀一周后對(duì)水樣進(jìn)行濃縮，利用分樣器連續(xù)分樣并編號(hào)，分別記錄相應(yīng)點(diǎn)含沙量與點(diǎn)濁度值。實(shí)測(cè)點(diǎn)含沙量范圍為0.011～1.108 kg/m3，點(diǎn)濁度范圍為16.2～856.0 NTU。

2.3室外比測(cè)

2022年起，南京水文實(shí)驗(yàn)站開始收集兩個(gè)在線測(cè)流浮標(biāo)船［16］水下2 m位置水樣并計(jì)算點(diǎn)含沙量，與同測(cè)次斷面含沙量建立相關(guān)關(guān)系，共分析28測(cè)次。相關(guān)關(guān)系如圖5～7所示。

分析起點(diǎn)距1 595 m和1 115 m垂線平均含沙量-斷面平均含沙量相關(guān)性，以及兩垂線測(cè)點(diǎn)含沙量（水下2 m）-垂線平均含沙量相關(guān)性，研究垂線代表性和模型可行性。起點(diǎn)距1 595 m（在線測(cè)流/沙系統(tǒng)浮標(biāo)1）測(cè)點(diǎn)含沙量-垂線平均含沙量相關(guān)性較好，復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.924 3。起點(diǎn)距1 595，1 115 m（在線測(cè)流/沙系統(tǒng)浮標(biāo)2）垂線平均含沙量-斷面平均含沙量相關(guān)性較好，復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.974 3，0.938 9。

2023年2月完成在線測(cè)沙系統(tǒng)浮標(biāo)船（起點(diǎn)距1 115，1 595 m）的安裝，測(cè)沙儀正式開始在室外收集數(shù)據(jù)。結(jié)合南京水文實(shí)驗(yàn)站原取水方案，選取每次穩(wěn)定時(shí)段，在測(cè)沙儀位置連續(xù)取水3次，每次2 000 mL，并記錄準(zhǔn)確時(shí)間，收集對(duì)應(yīng)時(shí)間測(cè)沙儀濁度數(shù)據(jù)，同時(shí)段測(cè)流按照7線21點(diǎn)選點(diǎn)法取水樣，計(jì)算全斷面平均含沙量。

結(jié)合室外的點(diǎn)濁度-點(diǎn)含沙量關(guān)系（圖8），與室內(nèi)數(shù)據(jù)合并建立點(diǎn)濁度-點(diǎn)含沙量綜合定線公式如下。點(diǎn)含沙量=0.0011·點(diǎn)濁度+0.008（1）在在線測(cè)沙儀的水深位置進(jìn)行取樣，用烘干稱重法計(jì)算點(diǎn)含沙量，分別建立點(diǎn)濁度與斷面平均含沙量的關(guān)系這種方法（精度優(yōu)于原有方法）。原有方法為通過(guò)濁度計(jì)算點(diǎn)含沙量，再建立點(diǎn)含沙量與斷面平均含沙量的關(guān)系（圖9～10）的方法。濁度①（在線測(cè)沙1號(hào)）數(shù)據(jù)范圍為5.9～62.2 NTU，斷面平均含沙量范圍為0.015～0.086 kg/m3，點(diǎn)含沙量范圍為0.017～0.087 kg/m3。

3斷面含沙量分析計(jì)算

3.1相關(guān)性分析

圖11為測(cè)沙儀計(jì)算斷面平均含沙量與實(shí)測(cè)值對(duì)比。統(tǒng)計(jì)2023年3～8月浮標(biāo)點(diǎn)濁度與斷面平均含沙量相關(guān)關(guān)系，采集數(shù)據(jù)共18組，建立浮標(biāo)點(diǎn)濁度-斷面平均含沙量關(guān)系如下：斷面平均含沙量=0.000062·濁度②

+0.00116·濁度①+0.00756，

R²=0.9490 （2）

斷面平均含沙量=0.0012濁度①+0.0075，

R²=0.9480 （3）

斷面平均含沙量=0.0008濁度②+0.0179，

R²=0.7575 （4）

式中：濁度①和濁度②分別為起點(diǎn)距1 595，1 115 m測(cè)得的濁度。

根據(jù)SL/T 247-2020《水文資料整編規(guī)范》，計(jì)算流量輸沙率關(guān)系曲線的標(biāo)準(zhǔn)差和隨機(jī)不確定度［17］，三項(xiàng)檢驗(yàn)均通過(guò)，隨機(jī)不確定度為16.4%，系統(tǒng)誤差0.4%，滿足一類精度站要求。

3.2數(shù)據(jù)處理及方案應(yīng)用

結(jié)合儀器設(shè)備運(yùn)行實(shí)際情況，剔除因漂浮物導(dǎo)致的短期數(shù)據(jù)跳變，對(duì)兩臺(tái)測(cè)沙儀濁度數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理（6組數(shù)據(jù)滑動(dòng)平均），并根據(jù)相關(guān)性優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先選擇濁度①+濁度②，見式（2）；其次為濁度①，見式（3）；再次為濁度2，見式（4）。傳感器收到5 min斷面數(shù)據(jù)后按照以上規(guī)則處理數(shù)據(jù)。感潮河段懸移質(zhì)泥沙規(guī)律：含沙量周期特點(diǎn)明顯，且準(zhǔn)周期內(nèi)的最大含沙量出現(xiàn)時(shí)刻為水流由落潮向漲潮轉(zhuǎn)換后，最小含沙量出現(xiàn)時(shí)刻是在漲潮向落潮轉(zhuǎn)換時(shí)［18］。

4上下游合理性分析

根據(jù)公式（2）～（4），由測(cè)沙儀數(shù)據(jù)計(jì)算出每5 min 斷面平均含沙量，采用算術(shù)平均值計(jì)算逐日斷面平均含沙量，日斷面平均含沙量與在線測(cè)流系統(tǒng)推求的日平均流量相乘，得到日平均輸沙率。南京水文實(shí)驗(yàn)站2023年7～9月斷面水文要素見圖12～14。

大通水文站位于南京水文實(shí)驗(yàn)站上游約200 km，是長(zhǎng)江下游干流最后一個(gè)徑流控制站，長(zhǎng)江入海徑流量以該站斷面流量為準(zhǔn)。大通至南京來(lái)水量主要指區(qū)間入江水量扣除引江水量以及跨流域調(diào)水量后的來(lái)水量。區(qū)間入流主要有西河、永安河、裕溪河；青通河；漳河、青弋江、水陽(yáng)江；秦淮河；滁河等，這些河流多年匯入長(zhǎng)江的水量平均約為210億m3，年平均流量約為665.9 m3/s。

將計(jì)算的南京水文實(shí)驗(yàn)站平均含沙量、輸沙率與大通水文站對(duì)比，趨勢(shì)基本一致，統(tǒng)計(jì)值見表1。2023年7～9月南京水文實(shí)驗(yàn)站由測(cè)沙儀計(jì)算月平均含沙量值分別為0.073，0.056，0.057 kg/m3，略小于大通水文站整編數(shù)據(jù)（根據(jù)單斷關(guān)系線計(jì)算）的0.086，0.059，0.061 kg/m3。

5結(jié)論

采用光學(xué)濁度儀法測(cè)驗(yàn)懸移質(zhì)含沙量可大幅度提高泥沙測(cè)驗(yàn)的時(shí)效性，在線測(cè)沙系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)反映出感潮河段泥沙特性規(guī)律，為科研和生產(chǎn)提供依據(jù)。南京水文實(shí)驗(yàn)站室外2023年3～8月采集數(shù)據(jù)確立的點(diǎn)濁度-斷面平均含沙量關(guān)系，通過(guò)了水文規(guī)范要求的定線精度檢驗(yàn)，滿足一類精度站要求，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)推求含沙量、輸沙率。同時(shí)，因該區(qū)域總體含沙量較小，絕大多數(shù)小于0.100 kg/m3，加之泥沙本身的脈動(dòng)及現(xiàn)行采用的橫式采樣器的瞬時(shí)誤差，使得個(gè)別測(cè)次推算含沙量與實(shí)測(cè)值相對(duì)偏差較大。實(shí)際應(yīng)用中，可采用邊比測(cè)邊投產(chǎn)方式，對(duì)于超出比測(cè)范圍的沙量級(jí)，繼續(xù)在穩(wěn)定測(cè)驗(yàn)期間同步取水樣并記錄對(duì)應(yīng)時(shí)間濁度值，同時(shí)增加大含沙量全潮測(cè)驗(yàn)期對(duì)照取水。綜上，光學(xué)法泥沙在線監(jiān)測(cè)可適用于感潮河段水文測(cè)站及一定范圍內(nèi)的固定河道斷面，目前采用單一線定線法，后續(xù)可根據(jù)數(shù)據(jù)收集情況視需要分段定線。

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（編輯：江文）