OBS-3A濁度儀在阜新地區(qū)多沙河流含沙量測驗(yàn)的應(yīng)用分析

王丹丹

(遼寧省盤錦水文局，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

傳統(tǒng)含沙量測驗(yàn)為進(jìn)行水樣采集后，進(jìn)行室內(nèi)烘干稱重得到含沙值，在于當(dāng)時(shí)的水量進(jìn)行相除得到斷面平均含沙量[1]。這種方式需要人工通過布設(shè)斷面測沙垂線進(jìn)行采樣后進(jìn)行測定，很難實(shí)現(xiàn)含沙量的自動(dòng)測定[2]。近些年來，OBS-3A濁度儀逐步在一些河流中得到應(yīng)用[3-7]，長江委水文局作為全國第一批使用OBS-3A濁度儀進(jìn)行含沙量測驗(yàn)，在具有應(yīng)用過程中取得了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)[8]。通過對比觀測，建立OBS-3A濁度儀觀測的濁度值和含沙量的線性方程，將濁度值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的斷面含沙量，從而實(shí)現(xiàn)斷面含沙量的自動(dòng)觀測[9]。如何確定該線性方程，以及河流含沙量范圍內(nèi)OBS-3A濁度儀適用性較高一直是水文測驗(yàn)工作者分析的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在我國其他區(qū)域河流含沙量測驗(yàn)中均進(jìn)行過同步觀測試驗(yàn)[10-15]，在不同區(qū)域?qū)Ρ扔^測試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同河流OBS-3A濁度儀的相關(guān)方程沒有通用性，需要結(jié)合河流含沙量實(shí)際變化特點(diǎn)，建立河流水流濁度和含水量線性方程，并探討其含沙量的適用范圍。阜新地區(qū)屬于遼寧省河流含沙量較多的區(qū)域，為此各河流含沙量測驗(yàn)任務(wù)較重，在當(dāng)前水文現(xiàn)代化建設(shè)背景下，需要結(jié)合先進(jìn)的含沙量觀測儀器實(shí)現(xiàn)區(qū)域含沙量的自動(dòng)觀測，從而減少含沙量觀測的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高含沙量測驗(yàn)效率。

1 測站概況

文章以阜新地區(qū)的彰武水文站為研究實(shí)例，彰武水文站為阜新地區(qū)多少河流柳河的重要控制水文站，彰武水文站水面寬度約為400m，河段斷面沖淤變化較大，柳河素有“小黃河”的稱號(hào)，年平均含沙量為18.2kg/m3，含沙量高值主要集中在6-9月份，平均含沙量介于11.9-16.4kg/m3之間，含沙量最低值一般為2月份，平均含沙量<0.15kg/m3。

2 比測及精度評價(jià)方法

2.1 比測方法

OBS-3A濁度儀基于光學(xué)測定原理，通過紅外輻射光的接收對懸浮物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測。建立泥沙濃度和水體濁度的相關(guān)關(guān)系，對含沙量進(jìn)行推求。在進(jìn)行對比觀測時(shí)，將橫式采樣器和OBS-3A濁度儀在水文纜道在同一水平線上進(jìn)行安裝，采樣U型比測架進(jìn)行平衡和固定。OBS-3A濁度儀對橫式采樣器進(jìn)行同步取樣和數(shù)據(jù)采集。采樣儀器在水中停留3min后對數(shù)據(jù)采集的時(shí)間進(jìn)行記錄。連續(xù)測量20次作為采樣點(diǎn)濁度的平均值，橫式采樣器在開啟數(shù)據(jù)采集的同時(shí)進(jìn)行水樣的采集，各采樣點(diǎn)依次位于垂線各測點(diǎn)，在每個(gè)垂線監(jiān)測點(diǎn)至少保持80s的觀測時(shí)間，保證數(shù)據(jù)采集的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。從2016年7月至8月下旬，進(jìn)行對比觀測試驗(yàn)60次，試驗(yàn)觀測含沙量在0.03-0.15kg/m3之間，對整個(gè)年份義縣水文站斷面含沙量進(jìn)行基本涵蓋。比測試驗(yàn)代表性較高，分布較為均勻。

2.2 精度評價(jià)指標(biāo)

對比觀測主要是分析采用OBS-3A濁度儀推算的含沙量和同一觀測斷面實(shí)測含沙量之間精度，主要采用系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度以及標(biāo)準(zhǔn)差3個(gè)指標(biāo)作為比測試驗(yàn)的精度評價(jià)指標(biāo)，各指標(biāo)計(jì)算方程分別為：

1)系統(tǒng)誤差

△N=∑[(Csi-Csci)/Csi]/(n-2)

(1)

2)標(biāo)準(zhǔn)差

(2)

3)隨機(jī)不確定度

(3)

(4)

3 比測定線結(jié)果

3.1 測驗(yàn)斷面布置

在彰武水文站測驗(yàn)斷面上、中、下各布設(shè)3個(gè)觀測斷面，各觀測斷面起點(diǎn)距見表1，并在各觀測斷面同一位置布設(shè)6條測沙垂線，對比觀測斷面起點(diǎn)距范圍，見表1；測沙垂線分布情況，見表2。

表1 對比觀測斷面起點(diǎn)距范圍

表2 測沙垂線分布情況

3.2 OBS濁度值與含沙量相關(guān)方程的建立

將橫式采樣器河OBS-3A濁度儀進(jìn)行捆綁后，同步觀測采集水樣的濁度值，建立布設(shè)的6條測沙垂線的含沙量和濁度值之間的線性回歸方程，各測沙垂線含沙量與濁度值之間的線性回歸方程，見表3。

表3 各測沙垂線含沙量與濁度值之間的線性回歸方程

在各測沙垂線位置進(jìn)行同步觀測，在彰武水文站纜道上同時(shí)掛OBS-3A濁度儀和傳統(tǒng)含沙量采樣器，進(jìn)行同步觀測和采樣，記錄OBS-3A濁度儀觀測的同一位置的水流濁度值，后期試驗(yàn)稱重測定的含沙量進(jìn)行相關(guān)方程的建立，從各測沙垂線相關(guān)方程可看出，測定的濁度值和含沙量總體呈現(xiàn)線性變化關(guān)系，通過對比觀測時(shí)間，這一階段彰武水文站測驗(yàn)斷面平均含沙量在11.5-15.0kg/m3之間，相關(guān)系數(shù)總體可保持在0.5以上，表明在彰武水文站測驗(yàn)斷面具體應(yīng)用時(shí)，當(dāng)斷面含沙量<15.0kg/m3，河流水流濁度和含水量具有較好的線性關(guān)系。

3.3 比測精度分析結(jié)果

基于上述線性關(guān)系可推算斷面含沙量，結(jié)合實(shí)測含沙量進(jìn)行精度對比分析，檢驗(yàn)推算的含沙量是否滿足測驗(yàn)精度要求。對6條測沙垂線的的含沙量推求精度進(jìn)行評定，彰武水文站各測沙垂線的含沙量比測精度分析結(jié)果，見表4。

表4 彰武水文站各測沙垂線的含沙量比測精度分析結(jié)果

從精度評定結(jié)果可看出，彰武水文站各測沙垂線精度評定指標(biāo)總體可達(dá)到合格要求，從符號(hào)檢驗(yàn)科看出，6條測沙垂線均可達(dá)到合格水平，符號(hào)檢驗(yàn)中要求高于0.2即表明測沙垂線未有明顯的偏離程度。從適線檢驗(yàn)可看出，在6條測沙垂線有3條垂線達(dá)到免檢水平，其他均為合格水平，表明采用的各測沙垂線的濁度和含沙量的相關(guān)方程滿足含沙量測驗(yàn)的適線檢驗(yàn)要求。隨機(jī)不確定度主要是評定各條測沙垂線是否有系統(tǒng)偏差，從隨機(jī)不確定度評定結(jié)果可看出，各測沙垂線的隨機(jī)不確定度局<2.0，基本可達(dá)到90%的檢驗(yàn)水平，隨機(jī)不確定度均達(dá)到合格要求。隨機(jī)不確定度和系統(tǒng)誤差均有一定程度的相似性，從系統(tǒng)誤差可看出，各測沙垂線采用OBS-3A濁度儀轉(zhuǎn)換的含沙量值和同步觀測的含沙量系統(tǒng)誤差在±10%以內(nèi)，滿足河流泥沙測驗(yàn)的規(guī)范要求，此外標(biāo)準(zhǔn)差也在10%以內(nèi)，表明同步觀測測定的含沙量數(shù)據(jù)樣本系列具有較好的代表性。

4 比測結(jié)論

1)通過對含沙量測驗(yàn)次數(shù)進(jìn)行合理布設(shè)，OBS-3A濁度儀可以監(jiān)測斷面的沙峰變化，對實(shí)現(xiàn)含沙量自動(dòng)測定具有重要的意義。

2)在使用OBS-3A濁度儀進(jìn)行含沙量測驗(yàn)時(shí)，水流攜沙能力影響懸沙粒徑的垂向分布，因此對于上下層水樣泥沙顆粒具有分層效應(yīng)的水文站點(diǎn)，可依據(jù)不同水深分層建立濁度與含沙量的線性方程。

3)在阜新地區(qū)，當(dāng)含沙量低于20kg/m3時(shí)，水流濁度和含水量具有較好的線性關(guān)系，含沙量的測驗(yàn)精度總體可滿足測驗(yàn)精度要求。