新型透射測(cè)量技術(shù)在泥沙含量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

趙建華 ，王 露 ，阮哲偉 ，管 磊 ，孫圣舒 ，王 東 ，劉上瑜

（1．江蘇省水文水資源勘測(cè)局宿遷分局，江蘇 宿遷 223800；（2．南京昊控軟件技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

水體中的含沙量也被稱(chēng)為固體徑流，是指在單位體積水體中所含泥沙的質(zhì)量大小。天然水體中泥沙的輸運(yùn)、懸浮與沉積過(guò)程，對(duì)于含沙量結(jié)果均會(huì)產(chǎn)生影響。在水文技術(shù)研究過(guò)程中，泥沙含量是一項(xiàng)極為重要的參數(shù)。泥沙含量對(duì)于水土流失整治、工農(nóng)業(yè)用水、水利水電工程建設(shè)、水資源開(kāi)發(fā)與利用、水文預(yù)警預(yù)報(bào)等領(lǐng)域影響意義重大[1]。能夠準(zhǔn)確便捷測(cè)量水體中的泥沙含量是水文研究的一項(xiàng)重要任務(wù)。

泥沙含量的測(cè)量方法目前主要分為直接法和間接法[2]。直接法即通過(guò)人工直接取樣的方法，利用標(biāo)準(zhǔn)采樣容器在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)取樣，對(duì)待測(cè)水樣進(jìn)行過(guò)濾、烘干和分離，最終稱(chēng)得重量計(jì)算待測(cè)區(qū)域內(nèi)的泥沙含量[3]。該方法由于是直接測(cè)量，測(cè)量精度高，但操作過(guò)程復(fù)雜耗時(shí)，無(wú)法高效高頻率測(cè)定泥沙含量。間接法則是依據(jù)泥沙顆粒的不同物理特性，獲取泥沙含量與其相應(yīng)物理特性之間的相互關(guān)系進(jìn)行間接的測(cè)量。目前已經(jīng)發(fā)展出電學(xué)法[4]、聲學(xué)法[5]、光學(xué)法[6-7]和圖像法[8-9]等多種間接測(cè)量方法。其中光學(xué)法是根據(jù)光線(xiàn)在水體中遇到阻礙會(huì)產(chǎn)生光強(qiáng)衰減的原理定量地反演水體中的固體物質(zhì)含量，由于吸收、反射和透射等因素的存在，光強(qiáng)衰減的程度不一，進(jìn)而得到水體中的泥沙含量的高低。根據(jù)光源和傳感器之間布置角度的差異，可分為透射法和散射法。透射法是將傳感器固定在正對(duì)光束傳播方向的位置，感光傳感器、測(cè)量區(qū)域和光源在同一軸線(xiàn)上；散射法一般將傳感器固定在與光束傳播方向呈一定夾角的位置。測(cè)量過(guò)程中射向介質(zhì)的光束遇到不透光顆粒發(fā)生反射和透射改變?cè)瓉?lái)傳播方向，在各個(gè)散射傳播方向中，一部分散射光被呈固定夾角放置的傳感器接收，進(jìn)而通過(guò)光強(qiáng)的衰減信息判斷泥沙含量。散射法只有在泥沙含量較高時(shí)才能提供更加充分的測(cè)量信息，并且由于泥沙粒徑的影響，不同粒徑的泥沙散射造成的光強(qiáng)衰減都是不一樣的，從而降低了測(cè)量的普適性。而透射法適用的測(cè)量范圍更廣，且粒徑的大小對(duì)透光光強(qiáng)衰減的大小也更容易擬合，故測(cè)量精度更高。

目前市面上絕大多數(shù)已有設(shè)備采用光學(xué)散射法。本設(shè)計(jì)研發(fā)的泥沙含量測(cè)量系統(tǒng)采用光學(xué)透射法原理，選取納米級(jí)的感光元件和特定波段光源，設(shè)計(jì)出最佳測(cè)量間距大小，在泥沙含量測(cè)量范圍和精度上相比于同類(lèi)產(chǎn)品有顯著提升。

1 測(cè)量原理

本設(shè)計(jì)研發(fā)的泥沙含量測(cè)量系統(tǒng)依據(jù)光學(xué)透射原理，通過(guò)平行激光束照射光學(xué)觀察窗外附近的顆粒懸濁液，光學(xué)傳感器收集泥沙顆粒的透射光，繼而將收集到的透射光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，獲得顆粒含量和電信號(hào)之間的關(guān)系。由于透射法測(cè)量泥沙含量涉及多顆粒透射的復(fù)雜問(wèn)題，目前仍然需要通過(guò)率定獲取泥沙含量和其透射強(qiáng)度的關(guān)系實(shí)現(xiàn)泥沙含量的測(cè)量。

為了減小測(cè)量探頭對(duì)測(cè)量水體的干擾，將一束高透性平行光束傳入待測(cè)水體，傳入水體中的平行光束作用于測(cè)量區(qū)域內(nèi)的泥沙顆粒，利用接收光纖接收測(cè)量區(qū)域內(nèi)泥沙顆粒的透射光，接收的透射光信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)泥沙含量的測(cè)量。同時(shí)使用的可變激光功率調(diào)節(jié)技術(shù)，根據(jù)光纖接收泥沙顆粒的透射光強(qiáng)的不同，自動(dòng)調(diào)節(jié)激光器的工作功率。在泥沙含量較低時(shí)，提高激光器發(fā)射功率；當(dāng)泥沙含量較高時(shí)，降低激光器發(fā)射功率。這樣設(shè)計(jì)使得光纖接收光強(qiáng)值維持在一個(gè)較小的區(qū)間范圍內(nèi)，提高了光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的精度。整套設(shè)備因此項(xiàng)技術(shù)能夠做到測(cè)量范圍擴(kuò)大至 0.001～100 kg/m3，測(cè)量精度也得到了大大提高。測(cè)量原理布置如圖 1 所示，光強(qiáng)調(diào)節(jié)器位于激光器和測(cè)量區(qū)域之間，信號(hào)接受區(qū)域會(huì)即時(shí)對(duì)光強(qiáng)信息進(jìn)行反饋。

圖 1 測(cè)量原理布置

光學(xué)透射法采用雙模塊進(jìn)行測(cè)量，一端作為入射光源，一端作為透射光接收端，但雙模塊的測(cè)量部件較多，不利于測(cè)量探頭的微型化，為此將發(fā)射端和接收端集成在兩側(cè)，中間使用剛性連接作為一個(gè)整體。為了實(shí)現(xiàn)探頭的微型化，在接收光纖周?chē)植贾昧艘蝗饫w，可以最大限度地減小測(cè)量探頭的尺寸，同時(shí)沿圓周布置的多根傳光光纖也能保證接受到的光信號(hào)的穩(wěn)定和集中，更有利于光的傳輸和接收。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

本設(shè)計(jì)研發(fā)的泥沙含量測(cè)量系統(tǒng)主要由泥沙含量測(cè)量傳感器和控制器 2 個(gè)部分組成。泥沙含量傳感器組成部分主要包括激光器、測(cè)量區(qū)域、信號(hào)接收區(qū)和防護(hù)外殼 4 個(gè)部分組成。測(cè)量區(qū)域?yàn)閮煞煮w結(jié)構(gòu)中間部分，外部水流可以在此區(qū)域內(nèi)自由流動(dòng)，該測(cè)量區(qū)域高度為 18 mm，在 0～1.5 m/s 的外部水域流速下，測(cè)量中心區(qū)域內(nèi)流速降低很小，造成的流速差異對(duì)泥沙含量的測(cè)量沒(méi)有任何影響，在之后實(shí)際比對(duì)顯示的相對(duì)誤差也驗(yàn)證了該套系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。當(dāng)外部水域流速高于 1.5 m/s 時(shí)，傳感器結(jié)構(gòu)會(huì)影響中心測(cè)量區(qū)域流速，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏大，影響測(cè)量結(jié)果。泥沙含量傳感器外觀及構(gòu)成圖如圖 2 所示，圖 a 為傳感器外觀，圖 b 為傳感器各組件構(gòu)成。

圖 2 泥沙含量傳感器外觀及構(gòu)成圖

激光器采用 OXLASERS 系列 405 nm 波長(zhǎng)激光器。激光器功率 0～3.5 W 可調(diào)，使用 TTL 或 PWM信號(hào)控制激光器，調(diào)制信號(hào)電壓為 0～12 V。由于高頻短波長(zhǎng)激光不易被水吸收，適合被光纖束分析。集成光纖束中的傳光光纖連接在信號(hào)接口上，其余接收光纖通過(guò)箱體上的光纖接口與箱體內(nèi)的光電探測(cè)器相連?？梢愿鶕?jù)實(shí)際測(cè)量的需求制作適合長(zhǎng)度的光纖束滿(mǎn)足不同水深泥沙含量測(cè)量的需求。多路集成光纖束采用復(fù)合光纖材料，復(fù)合光纖具有質(zhì)地輕、柔軟、耐彎曲等優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足日常測(cè)量區(qū)域穩(wěn)定使用的需求。實(shí)際使用中，將泥沙含量傳感器固定于待測(cè)水體中，便可直接測(cè)量待測(cè)區(qū)域內(nèi)的泥沙含量大小。

泥沙含量測(cè)量控制器內(nèi)的采集卡具有 100 Hz 的采樣率，可以在 1 s 內(nèi)采集多達(dá) 100 組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，控制器可以根據(jù)這 100 組數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，篩選出合理數(shù)據(jù)再進(jìn)行均值化處理，得到這 1 s內(nèi)的泥沙含量，數(shù)據(jù)處理過(guò)程需 5 s 的時(shí)間，這么短的時(shí)間完全可以滿(mǎn)足泥沙含量實(shí)時(shí)測(cè)量的需求。

3 實(shí)踐應(yīng)用

3.1 精度比對(duì)

為驗(yàn)證該套泥沙含量測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和適用性，采用江蘇省沭陽(yáng)水文水資源監(jiān)測(cè)中心位于新沂河的站點(diǎn)進(jìn)行泥沙含量測(cè)量準(zhǔn)確性率定，驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于該點(diǎn)位泥沙含量的測(cè)量準(zhǔn)確性情況。操作方法是通過(guò)在容器中加入攪拌器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)均勻含量泥沙懸濁液的含量率定，具體步驟如下：

1）取固定量純凈水于容器中，容器內(nèi)放置攪拌機(jī)；

2）在容器中加入按所需泥沙含量稱(chēng)量好的烘干泥沙，開(kāi)啟磁力攪拌器進(jìn)行攪拌；

3）待泥沙懸浮液攪拌均勻后，將泥沙含量測(cè)量傳感器放入燒杯適當(dāng)位置處固定好；

4）開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集和后處理模塊，連續(xù)采集10 s，取平均含沙量示數(shù)作為最終結(jié)果。

多次重復(fù)這 4 個(gè)步驟，比較泥沙含量測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得泥沙含量和實(shí)際泥沙質(zhì)量之間的關(guān)系，以此判斷泥沙含量測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。共計(jì)進(jìn)行 10 次泥沙烘干測(cè)量，分別置于容器中配置成不同含沙量的溶液進(jìn)行系統(tǒng)讀數(shù)，泥沙含量測(cè)量系統(tǒng)比對(duì)如表 1 所示，比較測(cè)量系統(tǒng)質(zhì)量濃度和實(shí)際配置溶液質(zhì)量濃度的相對(duì)誤差，相對(duì)誤差δ計(jì)算公式如下：

表 1 泥沙含量測(cè)量系統(tǒng)比對(duì)相對(duì)誤差表

式中：C標(biāo)準(zhǔn)為配置溶液質(zhì)量濃度；C測(cè)量為測(cè)量系統(tǒng)質(zhì)量濃度。

由表 1 數(shù)據(jù)可得，測(cè)量系統(tǒng)質(zhì)量濃度與真實(shí)值的誤差在 0～5.5% 之間，平均誤差為3.7%。較以往測(cè)量手段有了一定程度的提高，可以滿(mǎn)足精確測(cè)量采集泥沙含量的需求。

3.2 系統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量

為了研究沭陽(yáng)新沂河監(jiān)測(cè)斷面的泥沙含量變化，泥沙含量測(cè)量系統(tǒng)部署在江蘇省沭陽(yáng)水文水資源監(jiān)測(cè)中心測(cè)量斷面上進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。在河流流場(chǎng)和重力的相互作用下，泥沙含量維持在較為穩(wěn)定的懸浮動(dòng)態(tài)平衡，故采用固定散點(diǎn)泥沙含量值表示河道的斷面泥沙含量。泥沙含量測(cè)量系統(tǒng)每分鐘測(cè)量 1 次，每次測(cè)量取 10 s 內(nèi)測(cè)得泥沙含量的平均值，如圖 3 所示為 2022 年 2 月 8 日上午10 時(shí)—16 日 22 時(shí)的泥沙實(shí)時(shí)含量數(shù)據(jù)。

圖 3 泥沙含量測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得單點(diǎn)泥沙實(shí)時(shí)含量

每隔 1 min 測(cè)量記錄 1 條數(shù)據(jù)，由每分鐘的數(shù)據(jù)繪制成歷時(shí)曲線(xiàn)，數(shù)據(jù)由測(cè)量控制端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至云平臺(tái)服務(wù)器，記錄并在網(wǎng)頁(yè)端展示。從圖 3中測(cè)量數(shù)據(jù)可得泥沙含量在冬季一直維持在一個(gè)較低的水平，周期性波動(dòng)較小。

為驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的可靠性，同步進(jìn)行了直接取樣法測(cè)量。從 2 月 9—15 日每天上午 10 點(diǎn)在測(cè)點(diǎn)進(jìn)行人工取樣，抽取水樣體積為 10 L 進(jìn)行烘干稱(chēng)重，泥沙含量單點(diǎn)比對(duì)結(jié)果如表 2 所示。

泥沙含量單點(diǎn)測(cè)量比對(duì)結(jié)果相對(duì)誤差在 4.6%～8.6%，考慮到人工取樣法測(cè)量泥沙含量和在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)存在一定的時(shí)鐘非同步性，這樣的結(jié)果已經(jīng)達(dá)到了很高的精度，可以驗(yàn)證本研發(fā)設(shè)計(jì)的在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量較為精確[10]。

3.3 系統(tǒng)多點(diǎn)測(cè)量

為研究新沂河監(jiān)測(cè)斷面的泥沙含量隨水深的變化關(guān)系，將整套泥沙含量測(cè)量系統(tǒng)部署在新沂河監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行不同水深泥沙含量監(jiān)測(cè)。天然河道形成的垂向泥沙含量剖面一般會(huì)存在近底高含沙，即河道底部會(huì)有較大的泥沙含量梯度。由于水流本身具有周期性波動(dòng)，故會(huì)使得某一時(shí)刻的泥沙含量值不具備代表性，故選取前后共計(jì) 5 min 的測(cè)量值進(jìn)行比較，每隔 1 min 紀(jì)錄 1 次平均數(shù)據(jù)，共計(jì)記錄6 次。該測(cè)量點(diǎn)位最大水深為 2 m，分別選取 20，60，100，140 和 180 cm 共計(jì) 5 個(gè)深度進(jìn)行測(cè)量。泥沙含量在不同深度下歷時(shí)變化曲線(xiàn)如圖 4 所示。

表 2 泥沙含量單點(diǎn)測(cè)量比對(duì)

圖 4 泥沙含量在不同深度下歷時(shí)變化曲線(xiàn)

從圖 4 的歷時(shí)變化曲線(xiàn)來(lái)看，一定的時(shí)間變化泥沙含量數(shù)值基本保持不變，最大可以產(chǎn)生 5% 平均值的波動(dòng)，而測(cè)點(diǎn)位置的變化影響了泥沙含量。從距離水面深度 20～180 cm 呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，并且隨著深度的增加泥沙含量越來(lái)越大，如圖 5 所示。

圖 5 泥沙含量不同深度下的均值曲線(xiàn)

泥沙含量測(cè)量系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，并在網(wǎng)頁(yè)端同步更新展示，該網(wǎng)頁(yè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查看、歷史數(shù)據(jù)管理、智能查詢(xún)、泥沙含量曲線(xiàn)繪制、自動(dòng)測(cè)量、自主分析生成泥沙分布等一系列功能。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究基于透射原理設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套泥沙含量測(cè)量系統(tǒng)。泥沙含量測(cè)量系統(tǒng)改變了過(guò)去人工取樣測(cè)量的繁瑣操作，從過(guò)去 1 次取樣測(cè)量需要幾個(gè)小時(shí)縮短為現(xiàn)在測(cè)量分析 1 次數(shù)據(jù)結(jié)果僅需幾秒，并通過(guò) 5G 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn) 24 h 實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。介紹了整套系統(tǒng)的原理和系統(tǒng)構(gòu)成，同時(shí)對(duì)比驗(yàn)證了該套系統(tǒng)的泥沙測(cè)量值與真實(shí)值的誤差在 6% 以?xún)?nèi)。并將整套系統(tǒng)應(yīng)用于江蘇省沭陽(yáng)水文水資源監(jiān)測(cè)中心新沂河測(cè)量斷面進(jìn)行實(shí)時(shí)泥沙含量監(jiān)測(cè)，對(duì)單點(diǎn)和多點(diǎn)處于不同深度情況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量分析，研究成果具體如下：

1）泥沙含量測(cè)量系統(tǒng)用于自然河流，適用于各種水質(zhì)情況下的監(jiān)測(cè)測(cè)量。整套系統(tǒng)的泥沙含量測(cè)量精度控制在 6% 以?xún)?nèi)。

2）研究了泥沙含量在不同深度下的歷時(shí)變化曲線(xiàn)，繪制了測(cè)量斷面的垂向泥沙含量剖面圖。

3）泥沙含量測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)泥沙含量多點(diǎn)測(cè)量，并由多點(diǎn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，得到整個(gè)待測(cè)區(qū)域內(nèi)的泥沙含量分布。

泥沙含量測(cè)量系統(tǒng)可用于泥沙含量為 0.001～100 kg/m3的天然河湖中進(jìn)行測(cè)量分析，系統(tǒng)測(cè)量誤差在 6% 以?xún)?nèi)，可以單點(diǎn)移動(dòng)式測(cè)量，也可定點(diǎn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。由于測(cè)量傳感器是接觸式測(cè)量，對(duì)測(cè)量水域流場(chǎng)會(huì)有一定的干擾，在低流速狀態(tài)下（流速范圍在 0～1.5 m/s），對(duì)流速的影響很小，不影響泥沙含量的測(cè)量。當(dāng)流速高于 1.5 m/s 的時(shí)候，外形結(jié)構(gòu)會(huì)降低 5%～10% 的中心測(cè)量區(qū)域流速，造成泥沙含量測(cè)量數(shù)據(jù)比實(shí)際值偏大。該系統(tǒng)目前只適用于低流速（＜1.5 m/s），流場(chǎng)較為均勻穩(wěn)定的河道或湖泊進(jìn)行泥沙含量的測(cè)定。