濁度儀在營(yíng)口地區(qū)含沙量自動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張紅宇

（遼寧省營(yíng)口水文局，遼寧 營(yíng)口 115003）

隨著水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展， 水文測(cè)驗(yàn)先進(jìn)儀器也在許多流域得到推廣和應(yīng)用。水文測(cè)驗(yàn)主要包含降水、水位、蒸發(fā)、流量、泥沙的監(jiān)測(cè)，其中降水、水位、蒸發(fā)已逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)［1］。 近些年來(lái)，對(duì)于流量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)得到不斷發(fā)展，如ADCP［2］、電波雷達(dá)［3］等先進(jìn)儀器已在國(guó)內(nèi)許多流域得到應(yīng)用［4-8］。 但對(duì)于泥沙自動(dòng)測(cè)驗(yàn)的起步較晚，當(dāng)前，濁度儀通過(guò)對(duì)河流水體濁度進(jìn)行觀測(cè)，建立濁度和含沙量關(guān)系，對(duì)斷面含沙量推求，在一些流域水文測(cè)站的含沙量測(cè)驗(yàn)中得到應(yīng)用［9-15］，通過(guò)測(cè)驗(yàn)應(yīng)用表明河流水體中的濁度和含沙量具有一定的相關(guān)性，當(dāng)河流含沙量較低時(shí)，該儀器可以實(shí)現(xiàn)斷面含沙量的監(jiān)測(cè)，但是水體濁度較大時(shí)，很難建立濁度值和含沙量的相關(guān)關(guān)系，因此濁度儀的適用性不高。為探討濁度儀在營(yíng)口地區(qū)含沙量自動(dòng)監(jiān)測(cè)的適用性， 本文采用對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)方式，對(duì)濁度儀的適用性進(jìn)行探討。 研究成果對(duì)營(yíng)口地區(qū)河道含沙量測(cè)驗(yàn)方式的改革和創(chuàng)新具有一定參考意義。

1 測(cè)站概況

望寶山站于1959年1月1日建站， 由遼寧省水利電力局領(lǐng)導(dǎo)，站類(lèi)為水文站；2013年11月由遼寧省水文局領(lǐng)導(dǎo)。 該站位于遼寧省蓋州市團(tuán)甸鎮(zhèn)，東經(jīng)122°28′，北緯40°26′。按水文站網(wǎng)規(guī)劃原則確定為區(qū)域代表站，屬于國(guó)家基本站。 本站凍結(jié)基面為假定基面。流量測(cè)驗(yàn)精度為二類(lèi)，泥沙測(cè)驗(yàn)精度為三類(lèi)。本站測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)度500m。 河流上游多由山丘和風(fēng)化巖組成，雨洪時(shí)水流挾帶泥沙較多。測(cè)驗(yàn)河段主槽和灘地由細(xì)沙和卵石組成，沖淤變化較大。水位流量關(guān)系不穩(wěn)定，多采用臨時(shí)曲線(xiàn)法推流。 本站測(cè)報(bào)項(xiàng)目：水位、流量、單沙、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、冰情、降水、蒸發(fā)、比降、水情發(fā)報(bào)、 普通測(cè)量、 水文調(diào)查等。 本站流域面積1070km2，距河口距離30km。 測(cè)驗(yàn)河段南岸是暖泉鎮(zhèn)后紅村的樹(shù)林和苞米承包地。 測(cè)驗(yàn)河段北岸是團(tuán)甸鎮(zhèn)賈屯村。 距本站基本斷面上游400m處有一座后紅大橋。 本站主要的測(cè)洪手段是纜道、浮標(biāo)和比降。 水文站上游有大（二）型石門(mén)水庫(kù)一座，三道嶺、周家中型水庫(kù)兩座，小（一）型水庫(kù)二道房一座。

2 精度評(píng)價(jià)方法

2.1 精簡(jiǎn)方法

每個(gè)采樣點(diǎn)依次布設(shè)在垂線(xiàn)上的每個(gè)測(cè)點(diǎn)上，垂線(xiàn)上的每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間應(yīng)保持在60s以上，以確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。 2020年7月至8月下旬，開(kāi)展60次含沙量對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，觀測(cè)含沙量的范圍在0.02～0.1kg/m3之間，基本覆蓋望寶山水文站斷面的年含沙量， 比測(cè)試驗(yàn)分析含沙量具有較高的代表性，分布更均勻。

2.2 精度評(píng)價(jià)指標(biāo)

主要是通過(guò)分析簡(jiǎn)化組合法和傳統(tǒng)方法所測(cè)得的含沙量的準(zhǔn)確性， 比較測(cè)試的準(zhǔn)確性評(píng)估指標(biāo)主要包括3個(gè)指標(biāo)，即系統(tǒng)誤差，隨機(jī)不確定性和標(biāo)準(zhǔn)偏差，每個(gè)指標(biāo)的計(jì)算公式如下：

（1）系統(tǒng)誤差

（2）標(biāo)準(zhǔn)差

（3）隨機(jī)不確定度

式中 ΔN為系統(tǒng)誤差；Csi和Csci分別為第i次所推求的含沙量值（kg/m3）和測(cè)得的含沙量值（kg/m3）；n為測(cè)點(diǎn)分布的總數(shù)；Se為測(cè)得的采樣點(diǎn)含沙量的標(biāo)準(zhǔn)偏差；X′Cs為95%置信水平下的隨機(jī)不確定度；XCs為75%置信水平下的隨機(jī)不確定度。

3 精度分析結(jié)果

3.1 測(cè)沙垂線(xiàn)布置

在望寶山水文站選取上、中、下各布設(shè)3個(gè)測(cè)驗(yàn)斷面，各測(cè)驗(yàn)斷面的起點(diǎn)距如表1，并在各測(cè)驗(yàn)斷面同一位置布設(shè)6條施測(cè)含沙量垂線(xiàn)，分布情況如表2。

表1 對(duì)比觀測(cè)測(cè)驗(yàn)斷面起點(diǎn)距

表2 含沙量垂線(xiàn)分布情況

3.2 轉(zhuǎn)換方程分析

對(duì)不同測(cè)沙垂線(xiàn)建立濁度值和含沙量的相關(guān)方程， 并將濁度儀推求的含沙量和傳統(tǒng)人工觀測(cè)的含沙量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3。

表3 濁度儀和含沙量轉(zhuǎn)換率定公式分析結(jié)果

在每次含沙量測(cè)量布設(shè)垂線(xiàn)的相同位置同時(shí)進(jìn)行比較測(cè)驗(yàn)， 在相同位置將濁度儀和人工監(jiān)測(cè)的含沙量進(jìn)行相關(guān)轉(zhuǎn)換方程的率定， 從率定分析結(jié)果可看出，濁度值和斷面含沙量具有較好的相關(guān)性，這主要是因?yàn)楫?dāng)河流水體含沙量小于一定量值時(shí)， 河流水體的濁度和含沙量具有較好的相關(guān)性。 對(duì)比觀測(cè)分析時(shí)斷面含沙量均低于0.3kg/m3，而此時(shí)營(yíng)口水文站斷面含沙量和濁度值具有較好的相關(guān)性， 相關(guān)系數(shù)總體在0.45以上，具有較好的相關(guān)性。 通過(guò)建立的各條測(cè)沙垂線(xiàn)的含沙量和濁度值的轉(zhuǎn)換率定公式即可以對(duì)斷面的含沙量進(jìn)行推求。

3.3 對(duì)比觀測(cè)精度分析

基于上述線(xiàn)性關(guān)系可推算斷面含沙量， 結(jié)合實(shí)測(cè)含沙量進(jìn)行精度對(duì)比分析， 檢驗(yàn)采用濁度儀推算的含沙量是否滿(mǎn)足測(cè)驗(yàn)精度要求。 對(duì)濁度儀推求精度進(jìn)行評(píng)定，評(píng)定結(jié)果如表4。

表4 望寶山水文站各測(cè)沙垂線(xiàn)的含沙量比測(cè)精度分析

根據(jù)上述線(xiàn)性關(guān)系，可以推求出望寶山站測(cè)驗(yàn)斷面的含沙量， 并可以對(duì)比測(cè)得的含沙量的準(zhǔn)確性，以分析濁度儀計(jì)算出的含沙量是否滿(mǎn)足精度要求，對(duì)濁度計(jì)的估計(jì)精度進(jìn)行了評(píng)估，其分析結(jié)果如表4。

結(jié)合各測(cè)沙垂線(xiàn)建立的濁度儀和含沙量轉(zhuǎn)換方程進(jìn)行了6組對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)采用濁度儀推求的斷面含沙量和傳統(tǒng)人工觀測(cè)的含沙量進(jìn)行精度的平度。河流泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范需要對(duì)符合、適線(xiàn)及隨機(jī)不確定度進(jìn)行檢驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)其標(biāo)準(zhǔn)差和系統(tǒng)誤差，按照河道泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求，當(dāng)符號(hào)檢驗(yàn)值低于0.6即為合格，從各組對(duì)比觀測(cè)值可看出，符合檢驗(yàn)值在0.6以下，均通過(guò)檢驗(yàn)達(dá)到合格要求。適線(xiàn)檢驗(yàn)主要對(duì)含沙量測(cè)定垂線(xiàn)進(jìn)行判定， 當(dāng)適線(xiàn)檢驗(yàn)值在±1.0以?xún)?nèi)均可通過(guò)適線(xiàn)檢驗(yàn)，從各適線(xiàn)檢驗(yàn)值可看出，適線(xiàn)檢驗(yàn)值均在±1.0以?xún)?nèi)，達(dá)到免檢和合格要求。 從各組測(cè)沙垂線(xiàn)隨機(jī)不確定度分析結(jié)果可看出， 隨機(jī)不確定度在1.17～1.63之間， 表明各組測(cè)沙垂線(xiàn)含沙量和濁度儀推求的斷面含沙量之間無(wú)系統(tǒng)偏差。 從檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差可看出，6組對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)采用濁度儀推求的斷面含沙量和各測(cè)沙垂線(xiàn)含沙量之間的標(biāo)準(zhǔn)差低于15%，達(dá)到河流泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求的20%的誤差范圍要求。 從系統(tǒng)誤差可看出， 各測(cè)沙垂線(xiàn)系統(tǒng)誤差低于±20%，滿(mǎn)足系統(tǒng)誤差的精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）望寶山水文站斷面含沙量和濁度值具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)總體在0.45以上，具有較好的相關(guān)性。 通過(guò)建立的各條測(cè)沙垂線(xiàn)的含沙量和濁度值的轉(zhuǎn)換率定公式即可對(duì)斷面的含沙量進(jìn)行推求。

（2）為能較好的建立含沙量和濁度的相關(guān)方程，建議在比測(cè)試驗(yàn)時(shí)將觀測(cè)次數(shù)安排在10～20次左右，并均勻分布測(cè)沙垂線(xiàn)， 一般對(duì)比觀測(cè)的測(cè)沙垂線(xiàn)不少于5～6條。

（3）本文未探討水體濁度值對(duì)于濁度儀觀測(cè)精度的影響，在后續(xù)研究中還應(yīng)重點(diǎn)探討水體濁度值的適用范圍。