自動(dòng)化走航式全斷面積寬法懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)的研究

韋廣龍，黃福培，陳玉蕉，黎協(xié)銳

(1.南寧市水文水資源局南寧水文站，廣西 南寧 530008;2.廣州拓泰環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510660；3.廣西財(cái)經(jīng)學(xué)院，廣西 南寧 530003)

長期以來，泥沙監(jiān)測(cè)站懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)采用傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)方式，即在測(cè)船上用橫式采樣器采集水樣，每次輸沙率測(cè)驗(yàn)需要6人，用時(shí)3～4 h[1]。運(yùn)回室內(nèi)后經(jīng)烘干、稱重、計(jì)算才能得到一份完整的輸沙率結(jié)果。這種低效率的傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)方法已不能適應(yīng)信息時(shí)代的發(fā)展需要。為解決測(cè)沙難題，國內(nèi)外對(duì)懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)[2]進(jìn)行各種研究，有同位素法測(cè)沙儀[3]、激光測(cè)沙儀[4]和OBS測(cè)沙儀[5]。前兩種儀器因受多種因素影響，沒能得到應(yīng)用。OBS測(cè)沙儀根據(jù)濁度與懸移質(zhì)泥沙的關(guān)系模型來實(shí)現(xiàn)懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)自動(dòng)化，并得以認(rèn)可和應(yīng)用。本文以懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)自動(dòng)化為研究課題，以新技術(shù)、新方法作應(yīng)用要求，達(dá)到懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)方式改革的目的，具有懸移質(zhì)泥沙監(jiān)測(cè)跨時(shí)代的現(xiàn)實(shí)意義。開展自動(dòng)化走航式全斷面積寬法懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)的研究，采用新儀器、新技術(shù)、新方法一體化整合研究，懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)由傳統(tǒng)式轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化式，移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)自動(dòng)化標(biāo)志著監(jiān)測(cè)能力和質(zhì)量得到跨越提升[6]。本研究以南寧水文站(以下簡稱南寧站)為例通過實(shí)例論證，闡述自動(dòng)化走航式全斷面積寬法懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)的原理和方法。

2016年，南寧站開展了自動(dòng)化走航式全斷面積寬法懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)方式的應(yīng)用研究，采用新儀器OBS501濁度傳感器，加入原創(chuàng)測(cè)沙控制器組合成自動(dòng)化走航式懸移質(zhì)輸沙率監(jiān)測(cè)儀。新技術(shù)是走航式ADCP測(cè)速[7]和OBS501濁度儀測(cè)濁度的數(shù)據(jù)同步無線傳遞，通過原創(chuàng)走航式懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)軟件運(yùn)行計(jì)算，實(shí)時(shí)得出自動(dòng)化走航式懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)結(jié)果。新方法是全斷面積寬法，從水面至水深0.3 m掃射濁度，與走航式ADCP同步自左岸至右岸全斷面往返2個(gè)測(cè)回，由電動(dòng)纜道勻速前行測(cè)取流量和輸沙率。

進(jìn)行自動(dòng)化走航式全斷面積寬法懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)與傳統(tǒng)的人工懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)比測(cè)，一是通過對(duì)濁度傳感器懸移質(zhì)斷面平均含沙量(簡稱斷沙)的比測(cè)，建立新的斷沙關(guān)系模型[8]；二是對(duì)濁度傳感器懸移質(zhì)單樣含沙量(簡稱單沙)的比測(cè)，建立新的單沙與斷沙關(guān)系模型[9]。通過確定這2個(gè)模型實(shí)現(xiàn)人工測(cè)驗(yàn)到自動(dòng)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)化，達(dá)到懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)自動(dòng)化的目的，實(shí)現(xiàn)懸移質(zhì)輸沙測(cè)驗(yàn)技術(shù)新突破。

1 概況

1.1 河段情況

南寧站位于郁江上游，是左、右江控制站，集水面積72 656 km2。河段上游分別建設(shè)有左江水利樞紐、山秀水利樞紐、右江百色水利樞紐、金雞灘水利樞紐。左、右江匯合處建有老口水利樞紐。南寧站河段順直、河床穩(wěn)定，由于水庫攔截，大量泥沙沉降于庫區(qū)中，平水期斷面懸移質(zhì)含沙量較少。洪水期間，含沙量相對(duì)較大，時(shí)有出現(xiàn)團(tuán)狀，但總體含沙量在斷面分布較均勻。

1.2 測(cè)驗(yàn)情況

南寧站從1973年1月起開展懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)工作，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)不斷發(fā)展，受上游水工程蓄水影響，含沙量逐漸較少，河段斷面各垂線含沙量基本均勻。多年平均含沙量為0.228 kg/m3(1983—2014年，下同)，多年平均最大含沙量為1.59 kg/m3，含沙量變化過程基本與洪水變化過程相對(duì)應(yīng)。南寧站歷年懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)常測(cè)法如下：1973—2007年，為橫式10/20選點(diǎn)法，相應(yīng)單沙為固定一線兩點(diǎn)混合；2008—2010年，為橫式10/20全斷面混合法，相應(yīng)單沙為固定一線兩點(diǎn)混合；2011—2014年，為橫式5/10全斷面混合法，相應(yīng)單沙為固定一線兩點(diǎn)混合，其中固定一線為測(cè)流斷面起點(diǎn)距100 m的垂線，兩點(diǎn)為垂線相對(duì)水深0.2、0.8 m；2015年至今，為橫式5/10全斷面混合法，相應(yīng)單沙為固定一線測(cè)流斷面起點(diǎn)距60 m垂線0.5 m水深起止?jié)岫鹊钠骄担⑵瘘c(diǎn)距60 m相應(yīng)濁度Rs和斷面平均含沙量Cz關(guān)系線，取代原單沙斷沙關(guān)系線。

2 儀器原理及功能

自動(dòng)化走航式全斷面積寬法懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)的儀器設(shè)備有OBS501濁度傳感器和在線泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.1 OBS501濁度傳感器

光束通過渾濁的液體時(shí)，光線經(jīng)過一段距離后光強(qiáng)度會(huì)有一定程度的減弱。減弱的主要原因是光線被渾濁液體內(nèi)的介質(zhì)吸收、反射、散射偏離原來方向[10]。測(cè)量散射回來的光強(qiáng)度，可計(jì)算出液體濁度。天然水體中泥沙含量是影響水濁度最重要因素，在很多情況，泥沙含量是決定濁度的唯一因素。系統(tǒng)采用后散射探頭和側(cè)散射探頭來測(cè)量濁度，從而測(cè)得懸移質(zhì)含沙量[11]。要具備寬帶模式與脈沖相干法2種以上工作模式，工作時(shí)可自動(dòng)調(diào)整采樣頻率和測(cè)流模式，可自動(dòng)連續(xù)跟蹤流速和水深，具有較強(qiáng)的深水、淺水測(cè)量適應(yīng)性。

2.2 在線泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在線泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由四大部分構(gòu)成：監(jiān)測(cè)中心(數(shù)據(jù)中心)、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集控制傳輸系統(tǒng)(RTU)、監(jiān)測(cè)儀器。其中，監(jiān)測(cè)儀器采用OBS501入水式濁度傳感器，采用無線傳輸數(shù)據(jù)，經(jīng)泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將濁度轉(zhuǎn)換為含沙量，利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳通訊功能和泥沙監(jiān)測(cè)軟件功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集和監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)河流懸移質(zhì)泥沙在線、自動(dòng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[12]。該系統(tǒng)可接入在線流量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)輸沙率的實(shí)時(shí)輸出、在線測(cè)量。在統(tǒng)計(jì)分析方面，可生成符合水文資料整編規(guī)范多種報(bào)表，同時(shí)接駁南方片整編軟件，實(shí)現(xiàn)批量自動(dòng)處理數(shù)據(jù)整編。

3 比測(cè)

3.1 比測(cè)要求

南寧站自動(dòng)化走航式全斷面懸移質(zhì)輸沙率比測(cè)工作，根據(jù)GB/T 50159—2015《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》技術(shù)要求[13]，與人工測(cè)驗(yàn)懸移質(zhì)輸沙率的斷沙、單沙進(jìn)行比測(cè)，在一年內(nèi)的高、中、低沙的水流過程布設(shè)30次以上的測(cè)次。

3.2 比測(cè)方法

自動(dòng)化走航式全斷面懸移質(zhì)輸沙率同步比測(cè)方式：①在纜道測(cè)流斷面，首先將安裝好的OBS501入水式濁度傳感器(入水深0.3 m)及無線傳輸接收系統(tǒng)、走航式ADCP安裝在無動(dòng)力三體船，與手提電腦運(yùn)行測(cè)沙系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)前調(diào)試，各項(xiàng)信息傳輸接收正常[14]，然后利用纜道牽引三體船運(yùn)行2個(gè)測(cè)回(每一測(cè)回為往、返測(cè)次)，取其平均值為斷面平均濁度Rv，與測(cè)輸沙率軟件預(yù)先設(shè)置的參考系數(shù)0.001×Rv得自動(dòng)斷面平均含沙量Cv(參考系數(shù)0.001是根據(jù)2015年已有的濁度與單沙關(guān)系系數(shù)來設(shè)置)；②同步開展機(jī)動(dòng)測(cè)船進(jìn)行的人工懸移質(zhì)輸沙率和單沙測(cè)驗(yàn)，得到人工斷面平均含沙量Cz和人工相應(yīng)單沙Cs，其中人工相應(yīng)單沙Cs是在起點(diǎn)距100 m分別取開始和結(jié)束時(shí)的單沙，取其平均值；③同步開展走航式ADCP流量監(jiān)測(cè)，測(cè)得斷面流量Qz用于人工懸移質(zhì)輸沙率Wz和自動(dòng)懸移質(zhì)輸沙率Wv的計(jì)算[15]；④同步在距纜道測(cè)流斷面40 m原流速儀測(cè)流斷面處，將另一臺(tái)OBS501入水式濁度傳感器安裝在固定起點(diǎn)距60 m垂線處(入水深0.5 m)，取其開始和結(jié)束時(shí)對(duì)應(yīng)濁度平均值為輸沙率測(cè)驗(yàn)的自動(dòng)相應(yīng)濁度值Rr，以輸沙率測(cè)驗(yàn)時(shí)開始和結(jié)束時(shí)的濁度值Rt與開始和結(jié)束時(shí)的人工單沙Cs建立關(guān)系模型，關(guān)系系數(shù)為0.001，以0.001×Rt得自動(dòng)單沙Ct, 以0.001×Rr得自動(dòng)相應(yīng)單沙Cr。

3.3 比測(cè)資料

南寧站從2016年5月31日至8月30日共比測(cè)31次(表1)，比測(cè)期間，斷沙變幅0.012～0.303 kg/m3，單沙變幅0.013～0.302 kg/m3，水位變幅61.72～70.22 m，輸沙率變幅7.50～1 430 kg/s，流量變幅593～5 980 m3/s,比測(cè)符合規(guī)范的技術(shù)要求。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 建立自動(dòng)斷沙與人工斷沙關(guān)系模型

通過自動(dòng)化走航式全斷面積寬法懸移質(zhì)輸沙率與人工全斷面混合法懸移質(zhì)輸沙率比測(cè)資料，建立南寧站自動(dòng)斷沙與人工斷沙模型關(guān)系式：

Cz=Kv·Cv

(1)

式中Cz——人工斷沙，kg/m3；Cv——自動(dòng)斷沙，kg/m3；Kv——相關(guān)系數(shù)。

依據(jù)31次比測(cè)資料，計(jì)算得南寧站自動(dòng)斷沙Cv與人工斷沙Cz關(guān)系線相關(guān)系數(shù)Kv為1.079 5，建立南寧站自動(dòng)斷沙Cv與人工斷沙Cz關(guān)系式：Cz=1.0795Cv，見圖1。

4.2 建立相應(yīng)濁度與自動(dòng)斷沙關(guān)系模型

由比測(cè)資料建立南寧站60 m相應(yīng)濁度Rr與自動(dòng)斷沙Cv模型關(guān)系式：

Cv=Kr·Rr

(2)

式中Cv——自動(dòng)斷沙，kg/m3；Rr——相應(yīng)濁度，NTU；Kr——相關(guān)系數(shù)。

依據(jù)31次比測(cè)資料，計(jì)算得南寧站相應(yīng)濁度Rr與自動(dòng)斷沙Cv關(guān)系線相關(guān)系數(shù)Kr為0.001 0，建立南寧站60 m相應(yīng)濁度Rr與自動(dòng)斷沙Cv關(guān)系式：Cv= 0.0010Rr，見圖2。

表1 南寧站自動(dòng)化走航式全斷面積寬法懸移質(zhì)輸沙率比測(cè)

圖1 南寧站Cv～Cz關(guān)系

圖2 南寧站Rr～Cv關(guān)系

4.3 建立濁度與人工單沙關(guān)系模型

由比測(cè)資料建立南寧站60 m濁度Rs與人工單沙Cs關(guān)系模型式。

Cs=Ks·Rs

(3)

式中Cs——人工單沙，kg/m3；Rs——60 m濁度,NTU；Ks——相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)31次比測(cè)資料，計(jì)算得南寧站60 m濁度Rs與人工單沙Cs關(guān)系線相關(guān)系數(shù)Ks為0.001 0，建立南寧站60 m濁度Rs與人工單沙Cs關(guān)系式：Cs= 0.0010Rs，見圖3。

圖3 南寧站Rs～Cs關(guān)系

5 誤差分析

5.1 精度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)2016年南寧站自動(dòng)化走航式全斷面懸移質(zhì)斷沙比測(cè)31次數(shù)據(jù)，建立南寧站自動(dòng)斷沙Cv與人工斷沙Cz模型關(guān)系Cz= 1.0795Cv；建立南寧站相應(yīng)濁度Rr與自動(dòng)斷沙Cv模型關(guān)系Cv= 0.0010Rr；建立南寧站60 m濁度Rs與人工單沙Cs模型關(guān)系Cs= 0.0010Rs，這3個(gè)關(guān)系模型精度高、關(guān)系較好(表2、3)。

表2 南寧站自動(dòng)斷沙Cv與人工斷沙Cz關(guān)系線誤差

表3 南寧站60 m濁度單沙與人工單沙關(guān)系線檢驗(yàn)計(jì)算

5.2 誤差評(píng)估

5.2.1單沙誤差

南寧站采用OBS501濁度儀監(jiān)測(cè)的含沙量是懸移質(zhì)泥沙，泥沙粒徑很小，在同一環(huán)境(污染水體除外)、同一水深、同一時(shí)間監(jiān)測(cè)的含沙量與人工測(cè)驗(yàn)的含沙量誤差較小，因?yàn)镺BS501濁度儀監(jiān)測(cè)的濁度與人工測(cè)驗(yàn)的含沙量關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定，要求在1 kg/m3以下范圍監(jiān)測(cè)。從表3可知，南寧站60 m濁度單沙與人工單沙關(guān)系線隨機(jī)不確定度17%≤±18%(規(guī)范要求)，標(biāo)準(zhǔn)差8.5%≤±9.0%，系統(tǒng)誤差0.4%≤1.0%，平均相對(duì)誤差7.2%≤±9.0%，最大誤差15.38%，比測(cè)結(jié)果精度達(dá)到規(guī)范要求。

5.2.2斷沙誤差

南寧站采用OBS501濁度儀和走航式ADCP同步進(jìn)行監(jiān)測(cè)的含沙量、流量，為走航式全斷面積寬法懸移質(zhì)輸沙率測(cè)OBS501濁度儀從水面至水深0.3 m掃射濁度，自左岸至右岸全斷面往返2個(gè)測(cè)回，由電動(dòng)纜道勻速前行測(cè)取含沙量、流量，斷面平均含沙量為走航式全斷面積寬法(2個(gè)測(cè)回平均值)，與采用測(cè)船人工測(cè)驗(yàn)斷面平均含沙量比測(cè)，斷面平均含沙量為全斷面混合法。斷面含沙量要求在1 kg/m3以下范圍監(jiān)測(cè)。從表4可知，南寧站60 m相應(yīng)濁度單沙與人工斷沙關(guān)系線隨機(jī)不確定度13%≤±18%(規(guī)范要求)，標(biāo)準(zhǔn)差6.5%±9.0%，系統(tǒng)誤差-1.4%≤-2.0%，平均相對(duì)誤差5.7%≤±9.0%，最大誤差-11.76%，比測(cè)成果精度達(dá)到規(guī)范要求。

表4 南寧站60 m相應(yīng)濁度單沙與人工斷沙關(guān)系線檢驗(yàn)計(jì)算

5.2.3誤差分析

從圖4、5和表4、5可知，南寧站60 m濁度單沙和人工單沙關(guān)系線呈單一線，相關(guān)系數(shù)R2為0.991 2，平均相對(duì)誤差7.2%，標(biāo)準(zhǔn)差8.5%(方差參數(shù))；南寧站60 m相應(yīng)濁度單沙和人工斷沙關(guān)系線呈單一線，相關(guān)系數(shù)R2為0.994 7，平均相對(duì)誤差5.7%，標(biāo)準(zhǔn)差6.5%(方差參數(shù))。由此可見，南寧站60 m濁度單沙與人工單沙關(guān)系模型、南寧站60 m相應(yīng)濁度單沙與人工斷沙關(guān)系模型的單沙、斷沙監(jiān)測(cè)精度符合規(guī)范要求(表5)。

表5 南寧站自動(dòng)化走航式全斷面懸移質(zhì)單斷沙比測(cè)精度統(tǒng)計(jì)

圖4 南寧站Rr與Cz關(guān)系

圖5 南寧站Rr與Cv關(guān)系

5.3 對(duì)比分析

南寧站60 m相應(yīng)濁度Rr與人工斷沙Cz關(guān)系模型Cz= 0.00105Rr，南寧站60 m相應(yīng)濁度Rr與自動(dòng)斷沙Cv關(guān)系模型Cv= 0.0010Rr(圖4、5)。

由表6可知，南寧站60 m相應(yīng)濁度Rr與自動(dòng)、人工斷沙Cz關(guān)系模型基本相似，相關(guān)性較好。

表6 南寧站60 m相應(yīng)濁度Rr與自動(dòng)Cv、人工斷沙Cz關(guān)系模型誤差對(duì)比

6 結(jié)論

南寧站自動(dòng)化走航式全斷面懸移質(zhì)輸沙率比測(cè)結(jié)果達(dá)到GB/T 50159—2015《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》的技術(shù)要求，合格率100%。關(guān)鍵技術(shù)：南寧站自動(dòng)斷沙Cv與人工斷沙Cz模型關(guān)系Cz= 1.0795Cv；南寧站相應(yīng)濁度Rr與自動(dòng)斷沙Cv模型關(guān)系Cv=0.0010Rr；南寧站起點(diǎn)距60 m濁度Rs與人工單沙Cs模型關(guān)系Cs= 0.0010Rs。該成果可直接用于自動(dòng)化走航式全斷面懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)工作中，并可作為常規(guī)測(cè)驗(yàn)方式。自動(dòng)化走航式全斷面懸移質(zhì)輸沙率比測(cè)試驗(yàn)取得了成功，標(biāo)志著南寧站在懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)的研究工作取得了新突破，改變傳統(tǒng)測(cè)法要經(jīng)過取水樣、處理、烘干、稱重4個(gè)環(huán)節(jié)工序，解決了南寧站懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)難、用人多、效率低的問題。