OBS-3A濁度儀在含沙量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用分析

鄧　才　　竺紅陽(yáng)

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，湖北 武漢　420012)

?

OBS-3A濁度儀在含沙量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用分析

鄧才竺紅陽(yáng)

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，湖北 武漢420012)

摘要：通過(guò)水文纜道對(duì)測(cè)驗(yàn)垂線及測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確定位，OBS-3A濁度儀和橫式采樣器便可在同一位置同步測(cè)驗(yàn)。利用采集測(cè)點(diǎn)的含沙量與相應(yīng)濁度值，建立兩者的相關(guān)關(guān)系。分析影響濁度值變化的主要原因，基于OBS實(shí)測(cè)濁度值，推求含沙量的測(cè)驗(yàn)成果是否滿足精度要求。研究表明，OBS-3A濃度儀可快速確定天然水體中的含沙量，且精度較高，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水文監(jiān)測(cè)；OBS濁度儀;濁度;含沙量;比測(cè)

懸移質(zhì)泥沙含量的測(cè)量是水文要素觀測(cè)中一項(xiàng)極其重要的內(nèi)容。自三峽大壩蓄水以來(lái)，下游河段懸移質(zhì)泥沙明顯偏少，經(jīng)統(tǒng)計(jì)自治局(三)站2003～2013年資料，多年平均含沙量為0.154 kg/m3，最大含沙量為1.15 kg/m3，未超過(guò)5 kg/m3。研究表明，在水體泥沙含量小于5 kg/m3時(shí)，渾濁度與含沙量能得到較為理想的線性回歸關(guān)系。為探尋相應(yīng)關(guān)系，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局(以下簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)江委水文中游局”)特選擇在自治局(三)站開(kāi)展比測(cè)研究工作，分析建立線性方程，根據(jù)方程推算含沙量，然后對(duì)比實(shí)測(cè)含沙量進(jìn)行誤差分析，以檢驗(yàn)是否滿足測(cè)驗(yàn)精度要求。

1　測(cè)站概況

自治局(三)站為西洞庭湖水系，為控制松滋河(中支)入洞庭湖的基本站。該站為二類精度流量站、二類泥沙站，采用水文纜道施測(cè)流量和含沙量。斷面平均含沙量采用單-斷沙關(guān)系曲線系數(shù)推求。懸移質(zhì)含沙量測(cè)驗(yàn)采用橫式采樣器取樣， 單位含沙量按2線1∶1垂線混合法取樣。2線分開(kāi)處理，用算術(shù)平均法計(jì)算。

松滋河經(jīng)松滋口匯入洞庭湖前為東、西2支，在瓦窯河水位站下游匯合后又分為東、中、西3支，其中流經(jīng)官垸站為西支，流經(jīng)自治局(三)站為中支，流經(jīng)大湖口站為東支，以長(zhǎng)江來(lái)水來(lái)沙為主。

2　實(shí)驗(yàn)比測(cè)及在站比測(cè)

光學(xué)后向散射濁度計(jì)(Optical Back Scattering，OBS)是一種光學(xué)測(cè)量?jī)x器,通過(guò)接收紅外輻射光的散射量監(jiān)測(cè)懸浮物質(zhì)。依據(jù)相關(guān)分析,建立水體濁度與泥沙濃度的相關(guān)關(guān)系,進(jìn)行濁度與泥沙濃度的轉(zhuǎn)換,得到泥沙含量[1-2]。該法操作簡(jiǎn)單,能夠快速、實(shí)時(shí)、連續(xù)測(cè)量。針對(duì)含沙量測(cè)量，本文將OBS-3A濁度儀推算含沙量與實(shí)測(cè)含沙量對(duì)比進(jìn)行誤差分析，檢驗(yàn)是否滿足測(cè)驗(yàn)精度要求。

OBS-3A濁度儀和橫式采樣器均安裝在水文纜道鉛魚(yú)上方并始終保持在同一水平線上，通過(guò)U型比測(cè)架固定和平衡。OBS-3A濁度儀測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與橫式采樣器取樣同步進(jìn)行。儀器到達(dá)采樣位置后，水中停留3 min，再記錄測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間，將數(shù)據(jù)提取記錄時(shí)間后1 min的1個(gè)數(shù)據(jù)(此數(shù)據(jù)是連續(xù)20 s測(cè)量20次的平均值)作為該點(diǎn)的濁度值，在此開(kāi)啟儀器數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，橫式采樣器取樣。然后將儀器依次定位于垂線各測(cè)點(diǎn)，在每個(gè)采樣點(diǎn)至少停留80 s以上，保證采集到完整可靠的數(shù)據(jù)，做好有關(guān)測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目的記錄。

自2013年5月起至10月止，自治局(三)站共開(kāi)展比測(cè)實(shí)驗(yàn)53次。實(shí)驗(yàn)期間測(cè)站實(shí)測(cè)含沙量為0.020～0.924 kg/m3，2013年測(cè)站最大含沙量為0.924 kg/m3，實(shí)驗(yàn)基本涵蓋全年含沙量變幅，比測(cè)含沙量級(jí)分布均勻，代表性較強(qiáng)。

3　比測(cè)資料分析

水體渾濁度主要取決于水體懸移質(zhì)泥沙濃度，其次是懸沙粒徑大小，同時(shí)還與顆粒形狀、表面的反射性能、水生生物、水沙顏色和氣泡等因素有關(guān)。

濁度T與含沙量Cw、顆粒比表面積S0的關(guān)系如下

(1)

式中，n、a、b均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

考慮到自三峽大壩蓄水清水下泄以來(lái)，長(zhǎng)江中下游河道含沙量明顯減小。從自治局(三)站2003～2013年的泥沙顆粒分析資料來(lái)看，來(lái)沙組成以泥質(zhì)顆粒為主。每年來(lái)沙特征較為穩(wěn)定，多年平均中數(shù)粒徑為0.007 mm，最大中數(shù)粒徑為0.038 mm，年際、年內(nèi)懸沙粒徑變化較小。同時(shí)，自治局(三)站測(cè)驗(yàn)斷面水下地形基本穩(wěn)定，河底高程年際無(wú)較大變動(dòng)，這使得自治局(三)站含沙量與濁度值存在較為穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系。

2013年6月9日至8月16日，由于自治局(三)站未測(cè)驗(yàn)?zāi)嗌愁w分，故測(cè)驗(yàn)時(shí)段參照具有相同特質(zhì)的官垸站顆分資料進(jìn)行判斷分析。X軸表示含沙量，Y軸表示中數(shù)粒徑(D50)，Z軸表示濁度值，發(fā)現(xiàn)中數(shù)粒徑(D50)在0.005～0.015 mm變化，主要集中在0.007～0.009 mm,范圍詳見(jiàn)圖1。

圖1　比測(cè)過(guò)程各顆粒粒徑濁度和含沙量關(guān)系

3.1固定垂線單測(cè)點(diǎn)分析

如圖2所示， 2013年6月9日至8月16日，自治局(三)站起點(diǎn)距170 m、相對(duì)水深位置0.2處的含沙量與濁度值隨時(shí)間的變化過(guò)程基本一致，當(dāng)含沙量增大時(shí)濁度值增大，當(dāng)含沙量減小時(shí)濁度值減少，當(dāng)含沙量達(dá)到峰值時(shí)濁度值也達(dá)到峰值，且含沙量與濁度值變化幅度基本一致。對(duì)含沙量與其相應(yīng)濁度值進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，濁度值與含沙量成單一的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.997 6，詳見(jiàn)圖2。

圖2　含沙量-濁度值變化過(guò)程(170-0.2)

分析其他垂線和測(cè)點(diǎn)均得到上述結(jié)論，含沙量與濁度值隨時(shí)間的變化過(guò)程基本一致，含沙量與濁度值成線性相關(guān)關(guān)系(詳見(jiàn)圖3～9)。對(duì)起點(diǎn)距170 m相對(duì)水深0.2與相對(duì)水深0.8處、起點(diǎn)距305 m相對(duì)水深0.2與相對(duì)水深0.8處每點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)分析和三線檢驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3　含沙量-濁度值相關(guān)關(guān)系(170-0.2)

圖4　含沙量-濁度值變化過(guò)程(170-0.8)

圖5　含沙量-濁度值相關(guān)關(guān)系(170-0.8)

圖6　含沙量-濁度值變化過(guò)程(305-0.2)

圖7　含沙量-濁度值相關(guān)關(guān)系(305-0.2)

圖8　含沙量-濁度值變化過(guò)程(305-0.8)

圖9　含沙量-濁度值相關(guān)關(guān)系(305-0.8)

3.2相同水深測(cè)點(diǎn)混合分析

將起點(diǎn)距170 m與305 m的相對(duì)水深0.2處合并為0.2系列，起點(diǎn)距170 m與305 m相對(duì)水深0.8處合并為0.8系列，對(duì)兩個(gè)系列數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析和三線檢驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表2。

表1　固定垂線單測(cè)點(diǎn)相關(guān)分析和三線檢驗(yàn)結(jié)果

表2　系列相關(guān)分析和三線檢驗(yàn)結(jié)果

3.3所有測(cè)點(diǎn)混合分析

將所有比測(cè)點(diǎn)組成一個(gè)系列，并進(jìn)行相關(guān)分析和三線檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：比測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)連偏，離散程度大，致使符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)差大于允許值，相對(duì)水深0.2與0.8處比測(cè)點(diǎn)呈不同系列，其相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖10與圖11。

圖10　含沙量-濁度值相關(guān)關(guān)系(0.2系列)

圖11　含沙量-濁度值相關(guān)關(guān)系(0.8系列)

對(duì)實(shí)測(cè)水樣中相對(duì)水深0.2處泥沙與相對(duì)水深0.8處泥沙進(jìn)行分開(kāi)處理后發(fā)現(xiàn)，單次測(cè)驗(yàn)中單樣泥沙均以泥質(zhì)細(xì)沙為主，懸沙粒徑變化幅度不大，相對(duì)水深0.8處泥沙水樣與相對(duì)水深0.2處泥沙水樣不同之處是含有小部分大顆粒黑沙。由于顆粒的大小和黑沙具有吸收紅外光的特性，使相對(duì)水深0.2處和相對(duì)水深0.8處含沙量與濁度值相應(yīng)關(guān)系略有不同。在濁度值相同的情況下，顆粒粒徑大的對(duì)應(yīng)的含沙量較大，顆粒粒徑小的對(duì)應(yīng)的含沙量較小。

自治局(三)站測(cè)驗(yàn)斷面垂向分布上受水流挾沙能力的影響有明顯變化，上層水樣含沙量粒徑小、下層水樣含沙量粒徑大。在測(cè)點(diǎn)混合分析時(shí)，OBS測(cè)得濁度值與含沙量不呈單值關(guān)系。

4　來(lái)沙過(guò)程模擬及相對(duì)誤差

鑒于自治局(三)站懸移質(zhì)含沙量粒徑年際、年內(nèi)變化較小，斷面橫向上懸沙粒徑分布比較均勻，OBS值與含沙量可分層建立含沙量(YSSC)與濁度值(XNTU)相關(guān)關(guān)系，線性方程形式如下[3]

YSSC=k×XNTU+t

(2)

式中，Y為含沙量,kg/m3;X為濁度值,NTU;k、t為常數(shù)。相對(duì)測(cè)點(diǎn)相對(duì)水深0.2處方程為YSSC(0.2)=0.001 770XNTU-0.041 14，相對(duì)測(cè)點(diǎn)相對(duì)水深0.8處方程為YSSC(0.8)=0.001 816XNTU-0.033 40。以2013年為例，實(shí)測(cè)含沙量與OBS推算含沙量見(jiàn)圖12。

圖12　實(shí)測(cè)含沙量與相應(yīng)含沙量過(guò)程比較

懸沙濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的平均相對(duì)誤差可用下式計(jì)算

(3)

式中，Er是平均相對(duì)誤差；Cc、Cm是計(jì)算和實(shí)測(cè)的懸沙濃度，mg/L;N是數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

自治局(三)站單次測(cè)驗(yàn)實(shí)測(cè)斷面含沙量與擬合計(jì)算的單次含沙量相對(duì)誤差見(jiàn)圖13。

圖13　單次測(cè)驗(yàn)實(shí)測(cè)含沙量與相應(yīng)含沙量相對(duì)誤差

經(jīng)計(jì)算，全部實(shí)驗(yàn)測(cè)次的推算含沙量與實(shí)測(cè)含沙量的平均相對(duì)誤差為11.41%。測(cè)驗(yàn)誤差主要來(lái)自含沙量小于0.1 kg/m3的測(cè)次。統(tǒng)計(jì)大于0.1 kg/m3測(cè)

次的系統(tǒng)誤差為3.9%，相對(duì)誤差小于10%的累計(jì)頻率為95.2%。從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)含沙量大于0.1 kg/m3時(shí)，OBS測(cè)驗(yàn)精度較高，可以投入使用。當(dāng)含沙量小于0.1 kg/m3時(shí)，測(cè)驗(yàn)相對(duì)誤差較大，但絕對(duì)誤差很小。如6月9日，實(shí)測(cè)斷面含沙量為0.064 kg/m3，擬合計(jì)算含沙量為0.039 kg/m3，實(shí)測(cè)值與擬合值之差為0.025 kg/m3，相對(duì)誤差為38.97%。從計(jì)算年輸沙量來(lái)看，不會(huì)對(duì)年輸沙總量造成影響。

5　結(jié)　論

(1) OBS-3A濁度儀能較好應(yīng)用于監(jiān)測(cè)沙峰，合理布置泥沙測(cè)驗(yàn)測(cè)次，控制含沙量變化過(guò)程，對(duì)水文泥沙測(cè)驗(yàn)的準(zhǔn)確收集具有重要指導(dǎo)意義。

(2) 經(jīng)OBS-3A濁度儀測(cè)驗(yàn)，河道橫向懸沙粒徑分布比較均勻，垂向分布受水流挾沙能力的影響，針對(duì)上層水樣含沙量粒徑小、下層水樣含沙量粒徑大的測(cè)站，可按照不同的水深分層擬合濁度值與含沙量相關(guān)關(guān)系。

(3) 在水體泥沙含量大于0.1 kg/m3而小于1.00 kg/m3時(shí)，通過(guò)OBS-3A濁度儀可得到較為理想的線性回歸關(guān)系，懸移質(zhì)含沙量測(cè)驗(yàn)精度較高。

參考文獻(xiàn)：

[1]玉玨，徐駿.OBS-3A在懸移質(zhì)含沙量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用研究[J].人民長(zhǎng)江，2015,46(18)：56-58.

[2]徐劍秋，吳良冰，王濤，等. OBS-3A 在線監(jiān)測(cè)的方法與實(shí)踐研究[J].泥沙研究，2008,25(2)：28-31.

[3]張文祥，楊世倫.OBS 濁度標(biāo)定與懸沙濃度誤差分析[J].海洋技術(shù)，2008,27(4)：5-8.

(編輯：朱曉紅)

收稿日期：2016-05-15

作者簡(jiǎn)介：鄧才，男，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，助理工程師.

文章編號(hào)：1006-0081(2016)07-0004-04

中圖法分類號(hào)：P332.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A