光學(xué)法在紅河泥沙監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

朱文祥 余有書 李曉琳 李茂生

摘要：為了探討在線實(shí)時(shí)測(cè)沙系統(tǒng)在紅河流域運(yùn)用的可行性，以紅河干流控制水文站——元江站為例，在2016年主汛期，將該站基于光學(xué)法的泥沙在線系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)和人工實(shí)測(cè)泥沙數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。分析結(jié)果表明：基于光學(xué)法的泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在以元江站為代表的紅河流域有一定的適用性;實(shí)測(cè)單沙與后散射相關(guān)關(guān)系顯著，當(dāng)Cs>6.89 kg/m3時(shí)，仍需通過同步比測(cè)繼續(xù)求證在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)系。可為光學(xué)法在線實(shí)時(shí)測(cè)沙系統(tǒng)在紅河流域的推廣應(yīng)用提供一定的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：泥沙在線監(jiān)測(cè);光學(xué)法;元江水文站：紅河流域

中圖法分類號(hào)：TV145

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

天然河流挾帶的泥沙直接影響河流的發(fā)展變化，并給人類開發(fā)利用水資源帶來許多問題，但泥沙作為自然資源也有其可被利用的價(jià)值。為解決泥沙問題，達(dá)到興利除害目的，必須掌握豐富的泥沙資料，研究其運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律。因此，開展泥沙測(cè)驗(yàn)工作、系統(tǒng)地收集泥沙資料，可為流域規(guī)劃、水利水電及其他有關(guān)工程設(shè)計(jì)的管理運(yùn)用提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也是進(jìn)行有關(guān)泥沙科學(xué)研究的基礎(chǔ)工作。

泥沙測(cè)驗(yàn)是水文監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，目前大部分水文站主要是監(jiān)測(cè)懸移質(zhì)泥沙。河流中懸移質(zhì)泥沙量及其變化規(guī)律是通過測(cè)定水流中懸沙的濃度即含沙量（Cs）來確定的，即單位體積渾水中所含懸移質(zhì)干沙的重量。傳統(tǒng)的懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)工作步驟一般為取樣、量積、過濾、烘干、稱重以及計(jì)算等，雖然精度較高，但過程繁瑣，耗時(shí)耗力，同時(shí)單沙取樣時(shí)存在人身安全隱患。此外，由于人工采樣只能得到瞬時(shí)含沙量，在時(shí)間上無連續(xù)性，洪水漲落急劇期間容易漏測(cè)沙峰，不能反映泥沙實(shí)時(shí)變化。因此，隨著水文科技的不斷進(jìn)步，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)河流懸沙已成為水文現(xiàn)代化發(fā)展的必然要求。

目前，國(guó)內(nèi)外懸移質(zhì)泥沙在線監(jiān)測(cè)方法主要包括同位素放射法、聲學(xué)法、振動(dòng)式法與光學(xué)法，這些方法在技術(shù)成熟度、使用安全、建設(shè)成本與應(yīng)用領(lǐng)域方面存在一定的差異。國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的是光學(xué)法，近年來已有大量研究成果表明：在不同泥沙濃度、粒徑、顏色及不同水體狀況等水域，光學(xué)法仍有自身的局限性和適用性，應(yīng)根據(jù)不同水域，對(duì)光學(xué)法測(cè)量數(shù)據(jù)和人工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作比測(cè)率定分析后，才可將光學(xué)法測(cè)量數(shù)據(jù)用于懸移質(zhì)泥沙濃度的計(jì)算。

本文以紅河干流控制水文站——元江站為例，對(duì)光學(xué)法在紅河干流元江站斷面水域泥沙實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用進(jìn)行分析，研究光學(xué)法測(cè)量數(shù)據(jù)與人工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系、隨含沙量濃度大小的變化特點(diǎn)等，為光學(xué)法在線實(shí)時(shí)測(cè)沙系統(tǒng)在紅河流域的推廣應(yīng)用提供一定的技術(shù)參考。

1泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1工作原理

光學(xué)測(cè)沙儀的核心是紅外光學(xué)傳感器。光束通過渾濁液體時(shí)，光線經(jīng)過一段距離后光強(qiáng)度會(huì)有一定程度地減弱，主要原因是光線被渾濁液體內(nèi)的介質(zhì)吸收或反射散射偏離原來方向。根據(jù)測(cè)流散射回來的光強(qiáng)度，可以計(jì)算出液體的濁度。天然水體中泥沙含量是影響水濁度的最重要因素，在很多場(chǎng)合，泥沙含量是決定濁度的唯一因素。該系統(tǒng)所使用的測(cè)沙傳感器OBS501配置了900側(cè)散射和后散射雙探頭，在測(cè)量組成成分復(fù)雜的懸移質(zhì)泥沙時(shí)更有優(yōu)勢(shì);配備了快門清潔刷，能對(duì)光學(xué)傳感器表面進(jìn)行清潔和保護(hù);測(cè)量時(shí)，OBS501既可以1Hz的頻率在一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)測(cè)量，又可輸出在一段時(shí)間內(nèi)的平均值，并判斷本次測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為后期數(shù)據(jù)應(yīng)用提供便利。OBS501自帶的溫度補(bǔ)償裝置可在入水后幾秒內(nèi)達(dá)到溫度平衡，探頭自帶的濾光片可有效屏蔽陽(yáng)光或其他光源的干擾;可選配不同質(zhì)地套筒對(duì)設(shè)備進(jìn)行額外保護(hù)。

1.2系統(tǒng)組成及功能

泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由測(cè)沙傳感器、TT-1200型浮標(biāo)和泥沙監(jiān)測(cè)智能管理平臺(tái)組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。在線泥沙測(cè)量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可自動(dòng)傳輸并存儲(chǔ)到監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，生成符合SL249-2012《水文資料整編規(guī)范》的各種格式報(bào)表，實(shí)現(xiàn)批量自動(dòng)處理數(shù)據(jù)整編。平臺(tái)有數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)插補(bǔ)、數(shù)據(jù)導(dǎo)人、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)后處理及報(bào)警等功能。

2監(jiān)測(cè)應(yīng)用

2.1元江站概況 元江水文站建于1953年，是西南諸河紅河干流控制站、一類精度站、國(guó)家重要水文站、中央報(bào)汛站以及國(guó)家水質(zhì)監(jiān)測(cè)站。該站位于紅河流域中部，控制集水面積21554km2，主要收集紅河干流水文信息，掌握出境水量、水質(zhì)信息，為下游國(guó)家（越南）及地區(qū)防汛抗旱服務(wù)。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有：降水、蒸發(fā)、水位、水面比降、流量、單位含沙量、懸移質(zhì)輸沙率和水質(zhì)。該站泥沙測(cè)驗(yàn)任務(wù)十分繁重，泥沙采樣儀器為橫式采樣器，單沙取樣位置為0.6，采用一點(diǎn)法取樣，汛期每日08：00和20：00各取樣一次，枯季5～10d取樣一次，泥沙變化大時(shí)加測(cè)。

2.2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝與設(shè)置

為保證測(cè)驗(yàn)效果，根據(jù)元江站斷面實(shí)際情況，以浮標(biāo)作為儀器測(cè)驗(yàn)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠脚_(tái)，并將其投放到斷面起點(diǎn)距40m處的單沙取樣位置。經(jīng)過安裝前瞻、岸上調(diào)試、投放等步驟，完成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置情況如下：①監(jiān)測(cè)頻率為600s，實(shí)現(xiàn)單沙、斷沙的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。②測(cè)沙傳感器測(cè)量歷時(shí)為20s，期間測(cè)量次數(shù)為100次，測(cè)量結(jié)束后輸出測(cè)得的平均值、最小值和最大值，有利于判斷測(cè)量期間懸移質(zhì)泥沙的脈動(dòng)大小，以便判斷測(cè)量質(zhì)量。如果標(biāo)準(zhǔn)偏差過大，儀器會(huì)重新進(jìn)行測(cè)量。③測(cè)沙傳感器的濁度量程為0～4000NTU，測(cè)沙范圍為0～10kg/m3。

3數(shù)據(jù)分析

3.1同步數(shù)據(jù)采集與選擇

為掌握懸移質(zhì)泥沙含量變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，驗(yàn)證水樣處理和試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，在率定期間，單沙采樣時(shí)，以10min間隔，連續(xù)取4次樣品，并運(yùn)用泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同步監(jiān)測(cè)。 該系統(tǒng)采用的傳感器有后散射探頭和側(cè)散射探頭，后散射探頭接收光強(qiáng)度的角度為125°～170°，側(cè)散射探頭接收光強(qiáng)度的角度為900°在理論上，高沙條件下后散射探頭所測(cè)數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確;低沙條件下，側(cè)散射探頭所測(cè)數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。元江水文站2016年主汛期（7月8日至8月20日）后散射數(shù)據(jù)和側(cè)散射數(shù)據(jù)與同步人工實(shí)測(cè)單沙數(shù)據(jù)均為78組，側(cè)散射探頭測(cè)到的濁度值僅能與Cs<1.00 kg/m3的同步人工單沙數(shù)據(jù)建立一定關(guān)系，而后散射探頭測(cè)到的濁度值與所有同步人工實(shí)測(cè)單沙數(shù)據(jù)都能建立一定關(guān)系，見圖2～3。由于紅河干流含沙量比較大，Cs

3.2率定分析

3.2.1實(shí)測(cè)單沙與后散射過程

由圖3可知，當(dāng)Cs<3.0 kg/m3時(shí)，兩者關(guān)系基本為正向?qū)?yīng);而Cs≥3.0kg/m3時(shí)，兩者關(guān)系為反向?qū)?yīng)。故分別建立單沙含量在3.0kg/m3以下和以上情況的過程，見圖4～5。

當(dāng)Cs<3.0kg/m3時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)過程一一對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)后散射值與實(shí)測(cè)單沙之間有很明確的正向?qū)?yīng)關(guān)系;當(dāng)3.0kg/m3≤Cs≤6.89kg/m3時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)過程基本相反，系統(tǒng)后散射值與實(shí)測(cè)單沙之間存在反向關(guān)系。

3.2.2相關(guān)關(guān)系建立

全部實(shí)測(cè)單沙與后散射值散點(diǎn)圖呈現(xiàn)出的規(guī)律是：首先后散射值隨著實(shí)測(cè)單沙的增大而增大，當(dāng)達(dá)到某個(gè)閾值后，就隨著單沙的增大而減小。

從以上分析看出，這個(gè)閾值就是3.0kg/m3。以該值為界，分別建立相關(guān)關(guān)系。當(dāng)Cs<3.0kg/m3時(shí)，實(shí)測(cè)單沙（Y）與后散射值（X）的相關(guān)關(guān)系（共47組數(shù)據(jù)）為多項(xiàng)式關(guān)系（見圖6），y單沙=0.00000078后散射2+0.00006603X后散射+0.13409424;當(dāng)3.0kg/m3≤Cs≤6.89kg/m3時(shí)，實(shí)測(cè)單沙（Y）與后散射值（X）的相關(guān)關(guān)系（共31組數(shù)據(jù)）為線性關(guān)系（見圖7），y單沙=-0.0039X后散射十l0.107。

3.2.3相關(guān)分析

以上兩種相關(guān)關(guān)系的相關(guān)系數(shù)分別為rcs3.0=0.984 2、rCs≥3.0=0.957 9，均大于0.8，說明實(shí)測(cè)單沙與后散射值相關(guān)程度密切。

通常以I4Erl表示r的最大誤差范圍，則在水文分析中認(rèn)為當(dāng)lrl>14Erl時(shí)，Y與X間的相關(guān)關(guān)系良好。由Er=+0.6745（l-r2）/n1/2，分別得到Ercso=+0.003084，Erao=+0.009986，均有|r|>|4Er|，說明Cs<3.0kg/m3、3.0kg/m3≤Cs≤6.89kg/m3兩種情況下，實(shí)測(cè)單沙與后散射值相關(guān)關(guān)系均密切。

利用t分布對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。分別以n=47、n，=31，取信度a=0.01，m=1l查相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表得到：rac.s3.0=0.372、raCs;3.0=0.456，均有r>ra，說明Cs<3.0kg/m3、3.0kg/m3≤Cs≤6.89kg/m3兩種情況下，實(shí)測(cè)單沙與后散射值相關(guān)系數(shù)顯著。

3.2.4精度檢驗(yàn)

分別對(duì)中低沙和高沙情況下的計(jì)算值與實(shí)測(cè)單沙關(guān)系進(jìn)行精度檢驗(yàn)。得到：

（1）Cs<3.0kg/m3情況下實(shí)測(cè)單沙與計(jì)算單沙關(guān)系檢驗(yàn)：標(biāo)準(zhǔn)差Se=18.7%，系統(tǒng)誤差為-1.6%（≤+3%），均達(dá)到規(guī)范規(guī)定要求。個(gè)別隨機(jī)誤差較大是由于個(gè)別突出點(diǎn)所致。相對(duì)誤差均值為1.7%（<3%），滿足誤差精度要求。

（2）3.0kg/m3≤Cs≤6.89kg/m3情況下實(shí)測(cè)單沙與計(jì)算單沙關(guān)系檢驗(yàn)：標(biāo)準(zhǔn)差Se=6.9%，系統(tǒng)誤差不大于+3%，均達(dá)到規(guī)范規(guī)定要求。相對(duì)誤差均值1.2%（<3%），滿足誤差精度要求。

4結(jié)論和建議

4.1結(jié)論

基于光學(xué)法的泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在以元江站為代表的紅河流域具有一定的適用性。當(dāng)Cs<3.0kg/m3時(shí)，可依據(jù)y單沙=0.00000078X后散射2+0.00006603X后散射+0.13409424進(jìn)行單沙計(jì)算;當(dāng)3.0kg/m3≤Cs≤6.89kg/m3時(shí)，可依據(jù)Y單沙=-0.0039X后散射+10.107進(jìn)行單沙計(jì)算;當(dāng)Cs>6.89kg/m3時(shí)，仍需通過同步比測(cè)繼續(xù)求證在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)系。

由于紅河流域泥沙含量較大，超出系統(tǒng)采用光學(xué)傳感器量程，所以該系統(tǒng)在紅河流域的應(yīng)用可能會(huì)因高含沙量的影響而在一定程度上受限。

泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)化了泥沙測(cè)驗(yàn)步驟，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)，具有安裝簡(jiǎn)便、日常運(yùn)行維護(hù)成本低、快捷和實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)外界抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)性良好，且可利用在線數(shù)據(jù)進(jìn)行資料整編，提高了資料質(zhì)量和工作效率。

4.2建議

（1）改善浮體，提高儀器設(shè)備安裝運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（2）0～3，3～6kg/m3和6 kg/m3這3種泥沙含量的水體分別采用不同量程的傳感器，以便進(jìn)一步提高泥沙測(cè)驗(yàn)精度。

（3）繼續(xù)加強(qiáng)Cs>6.89kg/m3情況下以及Cs<1.0kg/m3情況下的比測(cè)數(shù)據(jù)收集，進(jìn)一步求證光學(xué)傳感器最大量程內(nèi)穩(wěn)定的X后散射-l，單沙關(guān)系和極低沙情況下可靠的X側(cè)散射-y單沙關(guān)系，加強(qiáng)驗(yàn)證3.0kg/m3≤Cs≤6.89kg/m3實(shí)測(cè)單沙與后散射值反曲關(guān)系，以使光學(xué)法在泥沙在線監(jiān)測(cè)中得到更充分的應(yīng)用，帶動(dòng)水文泥沙監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張長(zhǎng)浩，蘇明旭，蔡小舒，超聲法測(cè)量河流泥沙粒度大小[J].泥沙研究，2006（1）：58-61.

[2]黃振平，水文統(tǒng)計(jì)學(xué)原理[M].南京：河海大學(xué)出版社，2002.

[3]王合凡，葉佳雯，李書新，等，潛江水文站懸移質(zhì)泥沙測(cè)點(diǎn)精簡(jiǎn)分析[M].水利水電快報(bào)，2018，39（11）：33-40.