廣西河流OBS濁度儀在線監(jiān)測系統(tǒng)含沙量關(guān)系模型研究與應(yīng)用

潘仁紅

（廣西壯族自治區(qū)水文中心，南寧 530023）

目前，在全國水文系統(tǒng)得到一定應(yīng)用的泥沙自動監(jiān)測方法主要有振動式法、光學(xué)法、聲學(xué)法、同位素放射法等，其中光學(xué)法最為適合低含沙量的河流，而OBS濁度儀則是光學(xué)法中當前國內(nèi)外應(yīng)用效果最好的自動化泥沙監(jiān)測設(shè)備之一。OBS濁度儀是一種通過光學(xué)反射原理測定河流含沙量的電子數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的水文泥沙測驗方法相比，OBS濁度儀監(jiān)測系統(tǒng)具有智慧性高、信息量大、系統(tǒng)易于升級維護、精度和效率優(yōu)越等特點，它的推廣應(yīng)用對于水文泥沙測驗領(lǐng)域而言，是一次重大革命，標志著泥沙監(jiān)測的現(xiàn)代化與智能化，應(yīng)用前景廣闊。

OBS濁度儀主要是利用紅外光束通過水體，被水體介質(zhì)吸收和反射，計算出水體濁度，再通過與傳統(tǒng)含沙量測驗成果進行同步比測，收集到足夠點據(jù)后，率定分析得到相關(guān)關(guān)系方程，進而實現(xiàn)投產(chǎn)使用目的。在實際應(yīng)用中，由于OBS濁度儀只是測量安裝位置處的單點濁度值，必須首先利用實測資料確定自動監(jiān)測的濁度值RC～傳統(tǒng)方法單樣含沙量CS關(guān)系（即含沙量關(guān)系的率定），然后才能通過實時水位、流量推求出實時斷面含沙量與輸沙率過程。含沙量關(guān)系的率定在OBS濁度儀技術(shù)應(yīng)用的起到非常關(guān)鍵作用，往往決定著OBS濁度儀引進與監(jiān)測工作的成敗。隨著水文系統(tǒng)對OBS濁度儀應(yīng)用的日益深入，自動化泥沙監(jiān)測的需求度、依賴性不斷提升，其關(guān)鍵技術(shù)探索及規(guī)律研究課題，也成為大家普遍關(guān)注的熱點。經(jīng)過多年的OBS濁度儀應(yīng)用摸索，廣西水文收集了境內(nèi)典型河流實測成果資料，專題對OBS濁度儀含沙量關(guān)系規(guī)律分析、模型建立與應(yīng)用進行了深入研究，達成了技術(shù)共識，取得較好的效益。

1 技術(shù)方法

（1）研究目的。通過實踐探尋OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系（簡稱含沙量關(guān)系）規(guī)律，建立廣西河流含沙量關(guān)系模型，同時優(yōu)化含沙量關(guān)系率定成果的數(shù)據(jù)分析、集成處理和誤差控制等技術(shù)環(huán)節(jié)，更好地指導(dǎo)和推進廣西河流OBS濁度儀在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用。

（2）研究樣本。主要以廣西3處典型河流及水文站（斷面）為研究對象，即紅水河都安站、郁江南寧站、富川江富陽站。為提升樣本代表性，共收集了上述3站2010—2020年流速關(guān)系率定成果，樣本總數(shù)超過330個點據(jù)。

（3）主要技術(shù)路線。借鑒國際通則，結(jié)合廣西前期實踐成果，解析和衍生出適應(yīng)廣西河流的含沙量關(guān)系模型，并在典型河流及水文站中應(yīng)用驗證。各站按高、中、低水位均勻布設(shè)30個以上OBS濁度值～單樣含沙量關(guān)系（RC～CS關(guān)系）點據(jù)，并做好數(shù)據(jù)分析，以最小二乘法率定出具體的含沙量關(guān)系公式。對OBS濁度儀率定過程中，要按含沙量的變化范圍以及儀器特性、相關(guān)關(guān)系緊密程度，選用側(cè)散射或后散射的濁度數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)方法同步單樣含沙量數(shù)據(jù)建立相關(guān)關(guān)系；在單沙取樣時，OBS濁度儀應(yīng)同步進行監(jiān)測，水位變化不大時，可選取最靠近取沙時間的儀器測量值；水位變化較大時，可使用內(nèi)插法，獲取最靠近取沙時間的儀器測量值。

2 模型的確定

2.1 國際通則簡介

借鑒美國地調(diào)局（USGS）提出的相關(guān)關(guān)系原理及其所衍生的國際通則，各水文要素相關(guān)關(guān)系推薦方程通常為USGS二元線性回歸方程，因此含沙量關(guān)系模型按式（1）表達。

式中：CS為單樣含沙量；RC為OBS濁度值；Z為水位；b1、b2、b3為回歸系數(shù)。

在廣西河流實際應(yīng)用中，一般不推薦使用式（1），主要基于以下幾個方面考慮：

（1）水位Z屬于相對值，往往基于不同基面（如黃?；?、珠江基面、假定基面等）而言，測站基面不同，Z數(shù)值可以有幾倍甚至上百倍的差異，無形中減低了關(guān)系模型應(yīng)用成果精度。

（2）不同種類水位傳感器的同步觀測成果有差異，此外水準聯(lián)測誤差、水尺零點測量誤差、水位讀數(shù)誤差等一系列因素的加入，都大大增加了率定成果的不確定性。

（3）在關(guān)系模型中，除含沙量外，自變量增多了一項，就增加了智能化解析環(huán)節(jié)與后期計算強度，易造成故障率倍增，影響推廣應(yīng)用進度。

2.2 衍生關(guān)系模型

為探求適合廣西河流特性的含沙量關(guān)系模型及方法，對南寧、富陽等典型水文站先期試驗成果進行系統(tǒng)整理分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)國際推薦模型式（1）可衍生成為一元多次方程形式，更適合于廣西河流的普遍性特征。該衍生關(guān)系模型可表達為：

式中：CS為單樣含沙量；RC為OBS濁度值；b0、b1、b2、…、bn為回歸系數(shù)。

近幾年水文監(jiān)測與分析應(yīng)用證明，式（2）對廣西河流包括含沙量以內(nèi)的各水文要素關(guān)系分析具體較好的適用性，體現(xiàn)了廣西河流實際特性與基本規(guī)律。該模型在近階段水文監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺也得到了普遍應(yīng)用，取得較好效果。但該模型結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，在具體實踐中，建議各站按不同要素的實際需要加以優(yōu)化處置，以達到最佳應(yīng)用效益。

2.3 實用性簡化模型的確定及應(yīng)用

根據(jù)式（1）、式（2），還可優(yōu)化得到更為簡便的一元二次方程，即式（2）中的b3=b4…=bn=0，則：

式中：CS為單樣含沙量；RC為OBS濁度值；b0、b1、b2為回歸系數(shù)。

考慮到廣西河流的低含沙特點，以及OBS濁度值（單點監(jiān)測）、單樣含沙量（通常為單線兩點采樣測定）等物理量并不復(fù)雜的實際情況，最終選擇以式（3）作為廣西河流及各水文站OBS濁度儀含沙量關(guān)系模型及方程。將其應(yīng)用到南寧站、都安站、富陽站等3處典型河流水文站的率定分析實踐中，其科學(xué)性與可行性得到了進一步驗證。

在使用上述含沙量關(guān)系模型的過程中，還注意以下幾項約定：

⑴在滿足規(guī)范允許的精度要求的基礎(chǔ)上，盡量選擇最簡便的方程，條件允許時甚至可進一步簡化為一元一次方程（這種情況較常見），即CS=b0+b1RC。

⑵基于“整條河流懸移質(zhì)成分統(tǒng)一且充分融合情況下，整個斷面無懸移質(zhì)時，斷面各個部分也應(yīng)無懸移質(zhì)”的常理，即：斷面含沙量為0，單樣含量沙為0、OBS濁度值也應(yīng)為0，因此，原則上式（3）中的參數(shù)b0=0。但考慮到廣西不同河流的特性、懸移質(zhì)分析結(jié)構(gòu)特性的差異原因以及測驗設(shè)備本身所存在的隨機誤差，允許b0趨于0但不必正好等于0。

⑶當遇到極其個別的特殊案例時，應(yīng)重新整理資料，進一步通過分析查找原因，并在確保達到規(guī)范精度標準前提下，靈活應(yīng)用上述模型，如多段式方程等。

3 典型案例分析

主要以南寧、富陽、都安等3站為例，其中南寧站、都安站為受水利工程影響的大江大河水文站，富陽站為山區(qū)性中小型河流水文站。

3.1 南寧水文站

3.1.1 測站概況

南寧水文站為西江一級支流郁江主要控制站，設(shè)立于1907年，位于南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)江北大道石埠路段6號，集水面積72 656 km2，屬國家基本水文站，泥沙測驗一類精度站。該站上游25 km有老口水利樞紐，下游51 km有邕寧水利樞紐。由于受上下游水利工程影響，天然挾沙、輸沙發(fā)生較大變化，河流懸移質(zhì)泥沙成分日益單純、混合充分，斷面各垂線泥沙分布更為均勻，為泥沙監(jiān)測自動化提供了條件。該站于2008年引進OBS濁度儀在線監(jiān)測系統(tǒng)，并開展OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系的率定和校測等工作。

3.1.2 資料收集

南寧站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系率定、校測時間為2010—2018年，本次共收集關(guān)系點據(jù)（包括率定點據(jù)、校驗點據(jù)等）樣本數(shù)量為60份。

3.1.3 率定成果及誤差分析

經(jīng)率定分析后，確定南寧站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系式：CS=0.001RC（即b2=b0=0，b1=0.001）。

定線精度：相關(guān)系數(shù)r=0.995，系統(tǒng)誤差δ=-0.04%，隨機不確定度為4.28%；適線三項檢驗合格。精度達到《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》（GB/T 50159-2015）、《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）等現(xiàn)行水文行業(yè)規(guī)范精度要求。

該站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系點據(jù)分布情況見圖1。

圖1 南寧水文站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系成果圖

3.2 富陽水文站

3.2.1 測站概況

富陽水文站為珠江流域西江水系賀江上游的控制站，設(shè)立于1960年，位于賀州市富川縣富陽鎮(zhèn)新永街河?xùn)|巷1號，集水面積503 km2，屬國家基本水文站，泥沙測驗三類精度站。該站受水利工程影響不大，但從歷年懸移質(zhì)含沙量監(jiān)測成果看，斷面各垂線泥沙分布較為均勻，單斷沙關(guān)系穩(wěn)定，為泥沙監(jiān)測自動化提供良好條件。該站于2016年引進OBS濁度儀在線監(jiān)測系統(tǒng)，并開展OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系的率定和校測等工作。

3.2.2 資料收集

富陽站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系率定、校測時間為2017—2019年，共收集關(guān)系點據(jù)（包括率定點據(jù)、校驗點據(jù)等）樣本數(shù)量為184份。

3.2.3 率定成果及誤差分析

經(jīng)率定分析后，確定富陽站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系式為：CS=0.00 073RC+0.003（即b2=0，b1=0.00 073，b0=0.003）。

定線精度：相關(guān)系數(shù)r=0.995，系統(tǒng)誤差δ=0.40%，隨機不確定度為23.2%；適線三項檢驗合格。精度達到《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》（GB/T 50159-2015）、《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）等現(xiàn)行水文行業(yè)規(guī)范關(guān)于泥沙測驗三類精度站的相應(yīng)允許誤差要求。

該站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系點據(jù)分布情況見圖2。

圖2 富陽水文站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系成果圖

3.3 都安水文站

3.3.1 測站概況

都安水文站為珠江流域西江水系紅水河的控制站，設(shè)立于1936年，位于河池市都安縣澄江鄉(xiāng)紅渡村，集水面積12 138 km2，屬國家基本水文站，泥沙測驗二類精度站。該站上游5 km有百龍灘水電站，下游約60 km有樂灘水電站。因上下游水利工程影響，河道挾沙、輸沙條件變化，測驗斷面各垂線含沙量分布趨于均勻，為泥沙監(jiān)測自動化提供了基礎(chǔ)。該站于2017年引進OBS濁度儀在線監(jiān)測系統(tǒng)，并開展OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系的率定和校測等工作。

3.3.2 資料收集

都安站水平式ADCP流速關(guān)系率定時間為2019—2020年，共收集關(guān)系點據(jù)數(shù)量為89份。

3.3.3 率定成果及誤差分析

經(jīng)率定分析后，確定都安站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系式為：CS=0.0 008RC+0.0 085（即b2=0，b1=0.0 008，b0=0.0 085）。

定線精度：相關(guān)系數(shù)r=0.998，系統(tǒng)誤差δ=0.3%，隨機不確定度為19.4%；適線三項檢驗合格。精度達到《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》（GB/T 50159-2015）、《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）等現(xiàn)行水文行業(yè)規(guī)范關(guān)于泥沙測驗二類精度站精度控制要求。

該站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系點據(jù)分布情況見圖3。

圖3 都安水文站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系成果圖

4 成果應(yīng)用及效益分析

4.1 成果應(yīng)用及規(guī)律性分析

將上述模型與方法，分別應(yīng)用于廣西已引進OBS濁度儀在線監(jiān)測系統(tǒng)并良好運行的典型河流（河段）水文站實測成果中，各水文站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系率定成果見表1。

表1 廣西典型河流河段OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系率定及模型驗證成果

根據(jù)圖1～圖3、表1所列廣西典型河流河段OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系率定模型及驗證成果，結(jié)合各典型水文站實際，可歸納出以下幾條應(yīng)用經(jīng)驗及規(guī)律：

（1）廣西河流相對于全國河流屬低沙河流，正常年份各站最大含沙量多在1 kg/m3以下，不管是否受水利工程影響，各大江大河、中小河流等各類河流普遍存在含沙量分布均勻、單一垂線含沙量與斷面含沙量關(guān)系好的客觀條件，采用OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系模型開展率定時，有較大機會取得預(yù)期的理想效果。

（2）從不同河流寬窄幅度角度看，在30 m（馬隴站）～600 m（柳州站）之間，OBS濁度儀只需安裝于水流條件、代表性較好的近岸邊垂線上，不一定與單樣含沙量垂線重合，而且只需固定測一點，即可取得較高率定精度。

（3）基于水文應(yīng)用的角度，在達到現(xiàn)行規(guī)范允許誤差前提下，原則上推薦使用最簡便的方程形式。對于基礎(chǔ)條件好的水文站，如南寧、富陽等站，具備斷面規(guī)整、河道穩(wěn)定、含沙量分布勻稱等優(yōu)越特點，可采用一元一次方程率定；條件相對復(fù)雜的水文站，如平樂、百色等站，河段易受水草、草籽或其他水質(zhì)性因素干擾影響時，則需采用一元二次方程率定；兩種方程形式均屬模型約定范疇。

（4）在低沙樣本分析處理時，為解決基數(shù)小誤差影響大問題，當依據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》（GB/T 50159-2015）有關(guān)規(guī)定合理處置，即單樣含沙量小于0.005 kg/m3時，按停測或作零處理，不參與精度評定計算；當單樣含沙量小于0.05 kg/m3時，將等時距和等容積的水樣（不宜跨月跨年）累積混合處理，作為累積期間各日的單沙。

（5）鑒于上述各典型河流河段（水文站）的單～斷沙關(guān)系均為過原點的45°線（部分站據(jù)此執(zhí)行輸沙間測，如測1年停3年模式等），當OBS濁度儀監(jiān)測值與單樣含沙量建立關(guān)系時，斷面含沙量測驗問題其實也基本得到了破解；有條件的水文站，還應(yīng)進一步收集斷面含沙量實測點據(jù)，直接率定出OBS濁度值～斷面含沙量關(guān)系，從而圓滿解決河流懸移質(zhì)含沙量測驗環(huán)節(jié)的最后一公里問題。

（6）率定成果精度方面，根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）關(guān)于含沙量單一線法的精度控制要求，一類精度站按系統(tǒng)誤差±2%，隨機不確定度18%；二類精度站按系統(tǒng)誤差±3%，隨機不確定度20%（巡測站22%）；三類精度站按系統(tǒng)誤差±3%，隨機不確定度28%（巡測站30%）。由此可見，各站率定成果的系統(tǒng)誤差、隨機不確定度均可滿足水文行業(yè)規(guī)范要求；同時，各站相關(guān)系數(shù)均大于0.975，絕大多數(shù)在0.995以上，從另一側(cè)面說明其方程擬合適應(yīng)效果非常好。

4.2 成果轉(zhuǎn)化及應(yīng)用效果

廣西河流OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系率定模型，是提取于廣西河流泥沙在線監(jiān)測實踐，又及時反饋于廣西河流泥沙在線監(jiān)測的一套實用模型，該模型建立與應(yīng)用，對各水文站OBS測沙技術(shù)投產(chǎn)使用具有較大的促進意義。從2019年起，通過技術(shù)文件、集中培訓(xùn)、現(xiàn)場指導(dǎo)等方式，該模型在廣西水文系統(tǒng)中得到迅速推廣普及，并得到全國南方地區(qū)，尤其是珠江流域水文同行的認可與借鑒，逐步深入到日常泥沙監(jiān)測工作中。近年來，在大江大河水文監(jiān)測系統(tǒng)等重大工程建設(shè)背景下，OBS測沙技術(shù)逐步進入規(guī)模化應(yīng)用階段，截至目前，廣西水文系統(tǒng)引進20臺OBS濁度儀泥沙自動監(jiān)測系統(tǒng)，已占廣西水文泥沙站總數(shù)39站的51%。實踐證明，該項技術(shù)的推廣切實促進了懸移質(zhì)泥沙監(jiān)測效率的提升、技術(shù)的進步。

5 結(jié)語

通過在多河流、多河段、多測站的大量懸移質(zhì)含沙量比測率定數(shù)據(jù)樣本，分析了OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關(guān)系成果規(guī)律，驗證了“含沙量關(guān)系模型”客觀性和適用性，為解決以低沙運行、均勻分布為基本特征的廣西河流懸移質(zhì)泥沙在線監(jiān)測實踐和投產(chǎn)使用提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。實踐證明，將該模型應(yīng)用在基于web的全區(qū)水文在線監(jiān)測管理軟件中，已強有力地推進了水文泥沙監(jiān)測的數(shù)據(jù)集成化、管理自動化、應(yīng)用智能性等功能目標的實現(xiàn)。當前，全國水文“十四五”建設(shè)正如火如荼開展，隨著OBS在線測沙技術(shù)的不斷進步，對其引進、率定與應(yīng)用分析等實踐工作地不斷深入，曾經(jīng)的水文行業(yè)重大難題將不再是難題。相信以此為契機，“含沙量關(guān)系模型”研究與應(yīng)用成果，定能在廣西“數(shù)字江河”“智慧水文”的構(gòu)建中，以及相關(guān)地方技術(shù)標準、水文行業(yè)技術(shù)補充規(guī)定的制訂中，發(fā)揮非常重要的基礎(chǔ)作用。