水體懸沙濃度連續(xù)測量技術(shù)研究綜述

李為華, 李九發(fā), 張文祥

河口海岸學(xué)國家重點實驗室(華東師范大學(xué)), 上海 200062

懸沙運動與水下地貌演化、水體水質(zhì)、生物地球化學(xué)過程、水力機械的淤塞和水力磨蝕以及水下結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的局部沖刷等問題密切相關(guān), 連續(xù)、高質(zhì)量的懸沙濃度(suspended sediment concentration, SSC)測量已成為當(dāng)前開展河流、湖泊、河口和近海區(qū)域泥沙輸運與沉積過程、水質(zhì)和水生系統(tǒng)修復(fù)等研究以及涉水工程設(shè)計、管理的重要基礎(chǔ)需求之一(Rai et al, 2015; Felix et al, 2016)。近年來, 基于諧振、壓差、放射性射線衰減、聲學(xué)/光學(xué)透射與后向散射、遙感等原理的懸沙濃度連續(xù)測量技術(shù)(continuous measurement technology, CMT)取得了快速的發(fā)展。CMT 利用懸浮泥沙性質(zhì)和傳感器電信號存在穩(wěn)定定量關(guān)系的特點, 通過間接手段獲得懸沙濃度信息, 是一種懸沙信息替代方法(Gray et al, 2009)。與現(xiàn)場取樣后室內(nèi)烘干稱重的傳統(tǒng)直接測量方法相比, CMT 具有高時空分辨率、長期數(shù)據(jù)采集的成本和風(fēng)險均較低的特點, 美國地質(zhì)調(diào)查局自1982 年開始引入懸沙濃度替代測量方法, 至2008年即已替代75%的傳統(tǒng)懸沙濃度測量站位(Gray et al, 2009)。這使得現(xiàn)場連續(xù)的高分辨率懸沙濃度數(shù)據(jù)采集成為現(xiàn)實, 并且目前已廣泛應(yīng)用于地表水體場景的懸沙濃度現(xiàn)場觀測作業(yè)中(Rai et al, 2015), 代表著今后長期監(jiān)測水體懸沙濃度監(jiān)測技術(shù)手段的重要發(fā)展趨勢。

本文擬就當(dāng)前基于光學(xué)、聲學(xué)、音叉諧振、壓差和放射性射線衰減等原理的懸沙濃度CMT 的最新研究進展、優(yōu)勢與不足作詳細(xì)介紹, 并歸納和展望未來發(fā)展的趨勢, 以期為懸沙濃度CMT 傳感器的研發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 光學(xué)技術(shù)路線

1.1 后向散射與透射原理測量

1.1.1 測量原理

(1) 后向散射(optical backscatter, OBS)

光后向散射(OBS)測量SSC 的原理是通過利用光學(xué)傳感器發(fā)出的特定頻率紅外光, 并接收其被懸浮泥沙顆粒后向散射(140～165°或90°)的光強來完成(Bin Omar et al, 2009)(圖1), 傳感器所接收的后向散射光強以模/數(shù)(analog and digital, AD)轉(zhuǎn)換電壓或 濁 度 表 征 量(nephelometric turbidity unit, NTU)(ISO, 2016)表達(商用光學(xué)濁度計出廠時, 往往已由廠商把AD 轉(zhuǎn)換電壓根據(jù)需要標(biāo)定為NTU), 通過對AD 轉(zhuǎn)換電壓或NTU 與SSC 建立定量標(biāo)定關(guān)系, 可以獲得水體的 SSC 信息(Haimann et al, 2014)。

基于米氏散射理論(van de Hulst, 1981)的后向散射光強(F)是懸沙濃度(SSC)、后向散射體積(V)、光源源強(E)、泥沙密度(ρ)、泥沙粒徑(D)及光散射效率(Qs)的函數(shù):

其中, 光散射效率與泥沙Munsell 色度呈正相關(guān)關(guān)系(Sutherland et al, 2000), 而后向散射體積與泥沙顆粒形態(tài)關(guān)系密切。當(dāng)局地水體環(huán)境內(nèi)顆粒大小、形態(tài)和物質(zhì)組成差異可近似忽略時, 理論上后向散射光強與SSC 表現(xiàn)為良好的線性關(guān)系, 這是光后向散射原理測量SSC 的重要基礎(chǔ)。

(2) 透射衰減

光透射衰減原理測量SSC 的理論基礎(chǔ)為描述光能在材料中衰減規(guī)律的Lambert-Beer 定律, 通過采集定距剩余透射光強(I)的方式實現(xiàn)(Ochiai et al, 2010)(圖1):

式中:I0為入射光強度;l為發(fā)射與接收元器件的距離;k為衰減系數(shù), 受水體物理特性、懸浮泥沙粒徑、粒型、物質(zhì)組成等影響。當(dāng)水體泥沙特征恒定, 且光路距離不變時,k為常數(shù), 此時透射光強與SSC 表現(xiàn)為簡單的指數(shù)型單調(diào)衰減關(guān)系。

必須指出, 水體中氣泡對光散射性能的影響在0～80°區(qū)間最為嚴(yán)重, 0°接收角時的氣泡響應(yīng)強度是100～170°接收角情況下的104倍(Zhang et al, 2002)。這意味著光透射原理(0°散射角)在獲得單解關(guān)系實現(xiàn)寬量程的同時, 應(yīng)用場景存在局限性, 摻氣較多的濱海濕地沖流帶、多浪的水體表層和排水口等環(huán)境的適用性不佳。這使得當(dāng)前主流傳感器廠商基本不再研發(fā)、銷售該類型的傳感器。

1.1.2 優(yōu)點與存在問題

光學(xué)傳感器尤其是OBS 類傳感器因其低成本、高效率的優(yōu)勢, 已廣泛應(yīng)用于河流、水電站及近岸等不同水文條件下SSC 值的連續(xù)測量(Rasmussen et al, 2009; Uhrich et al, 2014)。OBS 類傳感器標(biāo)定后, 其測量SSC 值可達到20g·L-1(Felix et al, 2012; Shao et al, 2017), 甚至更高(Gentile et al, 2010; Wang et al, 2020a)。但隨著SSC 的升高, 水體中的光吸收/衰減效應(yīng)趨于增強并最終占據(jù)主導(dǎo)地位, 這導(dǎo)致后向散射光強與SSC 的關(guān)系曲線依次表現(xiàn)為線性上升、指數(shù)上升和指數(shù)衰減三個階段, 從而使得后向散射強度與SSC 呈多解函數(shù)關(guān)系, 并在指數(shù)上升過渡至指數(shù)下降的量程段分辨率急劇下降(Downing, 2006; Shao et al, 2017; Wang et al, 2020a)。

現(xiàn)實中, 泥沙粒徑通常是影響光學(xué)濁度傳感器測量精度的最重要因素, 實驗發(fā)現(xiàn)具有相同增益的OBS 類傳感器對1～500μm粒徑泥沙的靈敏度變幅可達200 倍(Downing, 2006)。而在極端情況下, 河流中因泥沙特性變化導(dǎo)致的光學(xué)濁度傳感器的SSC 觀測值誤差可能高達70%(Navratil et al, 2011)。受傳感器特性和水沙環(huán)境影響, 泥沙粒徑與OBS 靈敏度的定量關(guān)系較為復(fù)雜。Landers 等(2013)根據(jù)現(xiàn)場觀測研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), 二者呈指數(shù)衰減效應(yīng), 且這種影響主要來自16μm 以下的細(xì)顆粒泥沙組分; 而Merten等(2014)室內(nèi)實驗的結(jié)果則指出砂質(zhì)含量與OBS 靈敏度降幅呈線性相關(guān)關(guān)系。此外, 細(xì)顆粒泥沙絮凝導(dǎo)致的懸浮顆粒粒徑變化對于光學(xué)SSC 測量的影響是不可忽略的(Druine et al, 2018)。

后向散射角度的選擇仍是一個共識不足的問題。Druine 等(2018)認(rèn)為90°散射角的測量精度相對低于140°散射角, Merten 等(2014)則提出 90°接收角的靈敏度優(yōu)于180°, 而Campbell 公司(美國)則傾向于選擇對微小氣泡相對不敏感的 140°散射角(Campbell, 2018)。

對于如何從標(biāo)定方法上提高濁度與SSC 轉(zhuǎn)換的精度問題, 一方面, 較多學(xué)者強調(diào)現(xiàn)場同步取水標(biāo)定的重要性(劉紅 等, 2006; Landers et al, 2013; 林振鎮(zhèn) 等, 2018); 另一方面, 亦有學(xué)者傾向于通過標(biāo)定模型中加入泥沙粒徑參數(shù)的方式補償粒徑對光接收敏感度的影響。如Su 等(2016)即提出了一種使用兩種同源已知級配泥沙樣品、聯(lián)合求解砂、粉砂兩組分系數(shù)的定標(biāo)模型和方法, 實驗結(jié)果表明該方法的轉(zhuǎn)換精度較傳統(tǒng)方法在現(xiàn)場懸沙顆粒級配已知的條件下有明顯提升。隨著現(xiàn)場激光衍射粒度儀和多頻超聲后向散射反演懸沙粒徑技術(shù)日趨進步, 懸沙粒徑自容、連續(xù)觀測已成為可能, 顯然后一種標(biāo)定方法在全天候、近底邊界層的SSC 連續(xù)觀測方面有更好的發(fā)展前景。

1.2 遙感原理測量

自Ritchie 等(1976)確認(rèn)了優(yōu)選700～800nm 波段光反射率反演瞬態(tài)水表SSC 場的可行性后, 因其同步、超廣域、自動、非接觸式測量和低成本的優(yōu)勢, 以及得益于MODIS、Landsat、SPOT、Sea WiFS、Sentinel 和GF-1/4/5 等衛(wèi)星下發(fā)的光譜數(shù)據(jù), 基于可見光和近紅外波段光譜反射率的連續(xù)水表SSC 反演在水色遙感和河口海岸動力沉積研究領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注( Fraser, 1998; Dekker et al, 2001; Doxaran et al, 2009; Wang et al, 2009; Teng et al, 2021), 且在已報道的遙感反演SSC 模型中, 可見光波段與近紅外波段單獨或聯(lián)合的反射率均有應(yīng)用(Dekker et al, 2001; Doxaran et al, 2009; Wang et al, 2009; Teng et al, 2021)。遙感原理測量SSC 的技術(shù)路線可分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃突谳椛滢D(zhuǎn)移理論的解析、半解析模型三大類。其中, 具有嚴(yán)格理論推導(dǎo)的解析模型具有普適 性(Giardino et al, 2007; Sipelgas et al, 2009; Binding et al, 2012), 但模型的初始化參數(shù)較難確定, 反演精度相對弱于經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃桶虢馕瞿Ｐ?Binding et al, 2012; Wang et al, 2020b), 當(dāng)前主要應(yīng)用于光學(xué)特性相對簡單的湖泊水體, 河口海岸區(qū)域則較為少見(陳莉瓊 等, 2012; Wu et al, 2013; Wang et al, 2020b); 早期的經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭饕诰值貙崪y驗證數(shù)據(jù), 通過數(shù)理統(tǒng)計方法得出水體反射率與SSC 的定量關(guān)系, 出于擬合精度的考量, 經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷姆匠绦问蕉鄻?Fraser, 1998; Dekker et al, 2001), 顯然其適用性僅局限于局地水域; 半解析模型則是解析模型的簡化形式, 在兼顧經(jīng)驗?zāi)Ｐ途鹊那疤嵯氯跃哂幸欢ǖ睦碚摶A(chǔ)和物理意義(Loisel et al, 2014; Shen et al, 2014), 較經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷倪m用范圍更廣(Dogliotti et al, 2015), 在河口、近海和內(nèi)陸水域方面均有成功的應(yīng)用案例(Shen et al, 2014; Chen et al, 2015; Giardino et al, 2015), 是當(dāng)前遙感反演SSC 研究的主流技術(shù)路線和發(fā)展趨勢(Wang et al, 2020b)。

因水體輻射傳導(dǎo)特征與SSC 的關(guān)系受局地水體的光學(xué)特性、泥沙的礦物成分和粒徑變化、太陽天頂角、測量的空間分辨率和傳感器觀測角等影響(Bowers et al, 2006; Pavelsky et al, 2009; Long et al, 2013), 遙感反演水表SSC 不可避免地依賴于對現(xiàn)場水體反射率的標(biāo)定(Long et al, 2013)。換言之, 因受制于天然水體水沙特性的時間、空間變異性, 遙感方式反演SSC 在時間和空間上的精度是非定常且不均勻的。此外, 衛(wèi)星遙感光譜反射率相對于SSC 的靈敏度不高, SSC 每升高50mg·L-1, 反射率僅增加約1%量級(Wren et al, 2000), 這使得現(xiàn)場發(fā)生較大的SSC 變化時, 可能只采集到很小的反射率波動信號, 進而有可能發(fā)生測量分辨率低于實際測量需求的情況。

2 聲學(xué)技術(shù)路線

2.1 測量原理

(1) 后向散射

與光后向散射原理相似, 基于超聲后向散射(acoustic backscatter, ABS)原理的懸沙濃度測量, 主要通過超聲換能器主動向水體發(fā)射聲脈沖并接收水體中懸浮顆粒反射和散射脈沖聲波的方式實現(xiàn)(Thorne et al, 1993)。基于聲散射理論, 水體中非粘性懸浮泥沙濃度(SSC)與后向散射回聲強度(直觀表征為壓電轉(zhuǎn)換電壓Vm)的平方相關(guān)(Thorne et al, 2014), 基本函數(shù)關(guān)系如下:

式中:r為測量點與換能器的距離;ψ為無量綱近場修正因子, 與超聲頻率、換能器大小和r等相關(guān);R為換能器硬件常數(shù), 與換能器的靈敏度、波束角和超聲頻率等相關(guān);αw為水體造成的超聲衰減系數(shù), 與超聲頻率和水體密度有關(guān);αs為懸沙顆粒對聲波反射、散射造成的超聲衰減系數(shù);K為懸浮泥沙后向散射特性參數(shù)。

懸沙超聲衰減系數(shù)(αs)可由懸沙濃度沿程粘滯損耗與散射損耗的總和表達:

式中:ξv為粘滯損耗系數(shù);ξs為散射損耗系數(shù)。粘滯損耗的量級是顆粒表面積、聲波頻率、水體粘度以及顆粒與流體密度之比的函數(shù), 而散射損耗則取決于聲波波長與顆粒周長之比(Landers, 2010)。粘滯損耗主要由細(xì)顆粒泥沙所致, 而散射損耗主要由較粗顆粒泥沙引起(Moore et al, 2012; Sahin et al, 2013)。

懸浮泥沙后向散射特性參數(shù)(K)與懸沙粒度和粒形等相關(guān), 表征為懸沙顆粒形式函數(shù)密度(f)和平均粒徑(a0)的經(jīng)驗關(guān)系:

式(3)、式(4)和式(5)構(gòu)成了懸沙濃度(SSC)和回聲壓電轉(zhuǎn)換電壓(Vm)的非閉合基本方程組。當(dāng)水沙特性不變時, 懸浮泥沙后向散射特性參數(shù)(K)為與特定水沙環(huán)境相關(guān)的常數(shù), 自近場向遠(yuǎn)場隱式迭代求解式(3)和式(4)即可實現(xiàn)SSC 剖面的同步測量。而當(dāng)懸沙粒度特征在垂向上不均勻時, 懸浮泥沙后向散射特性參數(shù)(K)不再一成不變, 泥沙粒度亦成為變量之一。基于不同頻率超聲后向散射性能差異的前提, 采用雙頻率超聲能量比算法(Thorne et al, 2007)和3種以上頻率超聲最小濃度標(biāo)準(zhǔn)差算法(Hanes, 2016)或多頻統(tǒng)計模型算法(Wilson et al, 2015)求解懸浮泥沙粒徑是當(dāng)前的主流做法。

(2) 透射衰減

對于均勻的水沙混合流體, 超聲波聲強(直觀表征為壓電轉(zhuǎn)換電壓Vm)在流體內(nèi)隨傳播距離(r)同樣遵循 Lambert-Beer 定律而呈指數(shù)規(guī)律衰減(方彥軍 等, 1990):

式中:Vm0 為換能器端的壓電轉(zhuǎn)換電壓(初始發(fā)射聲強)。當(dāng)水沙環(huán)境和超聲波發(fā)射、接收換能器距離不變時,式(4)等價于懸沙超聲衰減系數(shù)(αs)與懸沙濃度(SSC)的一階線性方程。從而式(6)可簡化為:

式中:a、b為水沙環(huán)境和超聲波發(fā)射、接收換能器距離不變條件下的常量系數(shù), 與測試的水沙特性和傳感器特性有關(guān)。

單頻率超聲透射衰減原理傳感器是基于式(7)而實現(xiàn)的SSC 測量, 其優(yōu)勢在于可實現(xiàn)超高量程(如500～800g·L-1)的測量(王愛霞 等, 2012)。

假定聲衰減量為不同粒徑組分的泥沙顆粒所致衰減量的代數(shù)累加, 則總泥沙衰減系數(shù)(αs)可表征為n個組分的百分含量f(i)加權(quán)相應(yīng)顆粒組分衰減系數(shù)αs(i)的代數(shù)和:

由式(4)、式(6)和式(8)組合可知, 當(dāng)采用n+1種超聲頻率同時測量聲衰減量時, 可聯(lián)立求解獲得n個泥沙顆粒組分的微分含量和SSC, Sympatec公司(德國)的 OPUS 超聲粒度和含沙量測量儀即基于該原理而研制的(牛占 等, 2009; Sympatec, 2021)。

2.2 優(yōu)點與存在問題

超聲傳感器對生物附著耐受和非接觸式的遠(yuǎn)端測量方式, 以及后向散射原理可同步測量SSC 和懸沙粒徑剖面的特點, 使其在野外現(xiàn)場應(yīng)用具有顯著的獨特優(yōu)勢。

但相對于光學(xué)傳感器而言, 聲學(xué)信號反演SSC和傳感器標(biāo)定作業(yè)過于復(fù)雜, 這使得聲學(xué)傳感器在CMT 領(lǐng)域的應(yīng)用存在一定局限性。因此, 除Aquatec公司(美國)的AQUAscat 1000 以外, 其他商業(yè)產(chǎn)品鮮有報道。作為替代方式, 汪亞平等(1999)證實了利用寬帶模式ADCP(acoustic doppler current profiler)回聲強度反演SSC 剖面是可行的, 且反演精度與光學(xué)OBS 類傳感器相當(dāng); Ha 等(2011)的研究結(jié)果表明, 脈沖相干模式的ADCP 能夠勝任近底SSC 剖面的高分辨率觀測需求。Fugate 等(2002)亦通過現(xiàn)場比測實驗證實了6MHz 頻率的ADV 后向散射聲強反演SSC 的可行性。概括而言, 當(dāng)前聲學(xué)反演SSC 技術(shù)路線仍以超聲多普勒流速(剖面)儀后向散射聲強的二次開發(fā)利用為主。

與光學(xué)技術(shù)路線類似, 礦物成分和密度的差異對聲學(xué)測量SSC 影響顯著, 簡單假定為均一的石英礦物可導(dǎo)致明顯的測量誤差(Moate et al, 2012), 且單頻超聲散射性能同樣與聲波波長和顆粒尺寸相關(guān) (陳星宇 等, 2018), 超聲后向散射強度的靈敏度亦受懸浮泥沙粒徑影響(Ha et al, 2011)。但單頻后向散射聲強的靈敏度存在相對平坦的粒徑區(qū)間, 如6MHz 超聲后向散射聲強的靈敏度在100～300μm 區(qū)間近乎不變(Fugate et al, 2002), 而8MHz 超聲則為30～400μm (Manaster et al, 2020)。Siadatmousavi 等(2013)則指出, 1.5MHz 超聲對16μm 以下的細(xì)顆粒泥沙不敏感, 故反演獲得的SSC 將缺失相應(yīng)成分。

在算法方面, 多頻聲學(xué)反演算法的SSC 反演精度較單頻算法提升相對有限, 其價值更多地在于粒徑的估算(Guerrero et al, 2011)。但必須指出, 聲學(xué)反演懸沙粒徑的精度顯著低于激光衍射測量結(jié)果(LISST-SL)(Guerrero et al, 2014), 且聲學(xué)反演懸沙粒徑的量程與所使用的超聲頻率密切相關(guān)(Guerrero et al, 2011)。

此外, 黃河潼關(guān)水文站的比測結(jié)果(王愛霞 等, 2012)表明, 基于聲衰減原理測量的懸沙顆粒級配與激光法測量的一致性較佳, 且反演SSC 的量程上限可達800g·L-1。但受儀器構(gòu)造和水沙條件限制, 以O(shè)PUS 為代表的聲衰減原理測量SSC 和懸沙粒徑儀器應(yīng)用于野外現(xiàn)場環(huán)境時存在較大的局限性。

3 其他原理的技術(shù)路線

3.1 音叉諧振原理測量

音叉諧振原理測量SSC 的基本思路在于, 認(rèn)為水體的SSC 或密度與音叉諧振頻率的平方成反比, 通過測量音叉諧振頻率的變化可以間接測得水體的SSC 或密度(圖2)(李先達 等, 2018); 同時音叉諧振頻率的變化率亦與流體的屈服應(yīng)力相關(guān), 經(jīng)過標(biāo)定后亦可間接測得高含沙水體的屈服應(yīng)力和粘性系數(shù)(Hsu et al, 2008; Zhang et al, 2020)。當(dāng)前有關(guān)這一技術(shù)的產(chǎn)品主要有荷蘭Stema 公司的Rheotune 音叉密度計(Werner, 2012)、美國Emerson 公司的FDM 音叉密度計(Emerson, 2021)和我國黃河水利委員會水文局研制的AEX-3 型振動式懸移質(zhì)測沙儀(河南黃河水文科技有限公司, 2020)。該類傳感器對于SSC測量而言幾乎不存在量程上限問題, 但現(xiàn)有成品儀器體積偏大且功耗偏高(Werner, 2012), 低SSC 測量精度不高(FDM 和Rheotune 的標(biāo)稱密度精度均為1kg·m-3), 當(dāng)前主要應(yīng)用于疏浚溢流或浮泥類的非牛頓高含沙水體SSC 或密度的連續(xù)測量(McAnally et al, 2007)。

3.2 壓差原理測量

該技術(shù)是通過聯(lián)測某一水層的上下壓力差、水溫和鹽度來實現(xiàn)含沙水體的SSC 或密度測量。其優(yōu)勢在于適用于SSC 在10kg·m-3以上的高含沙水體, 無需標(biāo)定, 不受懸沙粒度影響, 且沒有生物污染和信號漂移問題(Rai et al, 2015)。Hsu 等(2010)證明壓差技術(shù)在SSC 較高的JI-Ji 大壩上能夠取得較好的測量結(jié)果, 且更大的壓力傳感器測量間距明顯有利于提高壓差式SSC 測量的精度(圖3), 但這與高垂向測量分辨率的需求相左。Calhoun 等(2001)指出脈動流速、水溫和電導(dǎo)率是影響壓差式SSC 測量精度的首要因素。從實際情況來看, 因壓差測沙傳感器依賴的輔助測量要素較多而水體采樣體積偏大, 因而商用產(chǎn)品極為少見(Gray et al, 2009), 美國地質(zhì)調(diào)查局等機構(gòu)甚至已暫時放棄對壓差儀的進一步測試研究(Gray et al, 2010)。

3.3 γ 射線衰減原理測量

該技術(shù)利用γ 射線穿透物質(zhì)的能力與物質(zhì)密度成反比的原理來實現(xiàn)水體的SSC 或密度測量。其優(yōu)點在于不受泥沙特性、水溫、壓力、粘度等物理性質(zhì)的影響, 是我國現(xiàn)行河流SSC 測量國標(biāo)(中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 2016)中在 SSC 大于20kg·m-3時推薦使用的CMT 傳感器。但近年來, γ射線衰減原理傳感器因其存在安全風(fēng)險和環(huán)境污染問題而已趨于衰落(Rai et al, 2015)。

4 現(xiàn)狀的不足與研發(fā)方向展望

(1) 低成本、小型化和高時頻的光后向散射原理測量SSC 技術(shù)路線

光后向散射原理的SSC 測量是當(dāng)前滿足低成本、小型化和高時頻的最優(yōu)技術(shù)路線, 其技術(shù)難點在于擴增量程和削弱粒徑敏感度。

光后向散射原理測量儀器的核心元器件為發(fā)光二極管/激光管和光敏接收元件。較其他技術(shù)而言, 其成本最低, 并且隨著微機電系統(tǒng)(micro electromechanical system, MEMS)技術(shù)的發(fā)展, Vishay(美國)、Ti(美國)、Maxim(美國)、濱松(日本)和億光(中國臺灣)等廠商推出的高AD 轉(zhuǎn)換精度、高頻收發(fā)一體數(shù)字IC 和光纖的使用, 使得傳感器探針式封裝和高時頻測量成為可能, 甚至已有廠商推出多傳感器陣列式封裝產(chǎn)品用于床面底邊界層SSC 剖面和床面沖淤觀測, 如Argus 公司(德國)推出的ASM-Ⅳ型懸浮物測量儀(邢超鋒 等, 2015)。但如1.1.2 節(jié)所述, 該技術(shù)方法的粒徑敏感度偏高且量程偏低, 這是當(dāng)前光后向散射原理技術(shù)亟須解決的關(guān)鍵問題。

實際應(yīng)用中, 一方面后向散射強度與SSC 呈多解函數(shù)關(guān)系, 并在過渡量程段分辨率急劇下降, 不同后向散射角度傳感器標(biāo)定曲線的過渡段極值亦存在差異, 越接近于透射方向極值出現(xiàn)時的SSC 越低。因此, 目前主流的寬量程OBS 傳感器解決消解和消除量程間斷問題, 主要是通過同時測量多個后向散射角度的光強來實現(xiàn), 如美國Campbell 公司的OBS5+(Campbell, 2021)、日本 JFE 株式會社的ATU75W2(JFE-Advantech, 2017)以及美國哈希公司的TSS(HACH, 2018)等高量程的濁度傳感器。

另一方面, 對于SSC 測量需求而言, 散射光強的AD 轉(zhuǎn)換電壓換算為濁度中間量的做法并非必要, 不同傳感器在同一水沙條件下的濁度-SSC 標(biāo)定關(guān)系無法保證一致(Downing, 2006; Fettweis et al, 2019)。這意味著使用光后向散射傳感器陣列觀測SSC 剖面時, 須嚴(yán)格標(biāo)定每一個傳感器。若簡單將所有傳感器預(yù)先標(biāo)定至濁度(NTU)后, 僅使用單一傳感器的NTU-SSC 標(biāo)定關(guān)系來代表全部傳感器的做法(邢超鋒 等, 2015; 周曉妍 等, 2020)存在一定瑕疵, 或?qū)?dǎo)致人為的垂向SSC 差異。

此外, 目前在削弱光后向散射測量SSC 的粒徑敏感度方面的研究傾向于3 種截然不同的方向。其一, 利用聲、光后向散射強度的粒徑敏感度在30μm以下截然相反的響應(yīng)模式和高頻超聲在30～500μm粒徑區(qū)間的粒徑敏感度趨于恒定的特點, 聯(lián)用高頻超聲傳感器和光后向散射傳感器, 從而將聯(lián)合傳感器的粒徑敏感度大幅減弱, Sequoia 公司(美國)推出的LISST-AOBS 濁度傳感器即基于該思路而研發(fā)(Sequoia Scientific, 2021); 其二, 借助其他現(xiàn)場粒度測量儀器直接測量懸浮泥沙的平均粒徑, 從而將粒徑敏感度問題轉(zhuǎn)換為標(biāo)定關(guān)系曲線庫檢索問題, 如使用Sequoia 公司(美國)生產(chǎn)的LISST 現(xiàn)場激光粒度儀與濁度傳感器的聯(lián)合測量(張文祥 等, 2019); 其三, 與多頻超聲技術(shù)類似, 基于Mie 光譜后向散射理論, 懸浮泥沙后向散射系數(shù)是懸浮泥沙平均粒徑和光波波長的函數(shù), 同步測量多光譜后向散射系數(shù)可以實現(xiàn)懸沙粒徑和SSC 的求解(Kostadinov et al, 2009), 這一思路目前主要在多光譜水色遙感研究領(lǐng)域有所嘗試(Kostadinov et al, 2009; 楊曦光 等, 2015)。但近年來, 隨著TAOS(美國)、Maxim(美國)、AMS(奧地利)、濱松(日本)等公司陸續(xù)推出醫(yī)療健康領(lǐng)域用途的微型多光譜集成 IC(如 TCS3200、MAX30102、AS7341 和C12666MA 等), 將其替代或集成至光后向散射傳感器, 從而實現(xiàn)粒徑敏感度的降低, 這將是一個值得嘗試的研發(fā)方向。

(2) 有助于實現(xiàn)低不確定度SSC 垂向剖面觀測的超聲后向散射原理技術(shù)路線

低不確定度SSC 垂向剖面觀測是渾水水槽實驗、河流泥沙輸移通量和河口、海岸近底邊界層動力沉積過程研究等領(lǐng)域極為普遍的基礎(chǔ)需求和難點。泥沙粒徑在垂向上因沉降導(dǎo)致的天然不均勻分布特性, 決定了以光學(xué)傳感器陣列方式測量SSC 剖面時難以保持垂向一致的不確定度(精度)。而相較于其他類型的傳感器, 多頻聲學(xué)后向散射傳感器具有的耐受生物附著、可非侵入式獨立同步測量SSC和粒徑垂向剖面的獨特優(yōu)點(Thorne et al, 2014), 使其成為解決上述問題的關(guān)鍵甚至唯一技術(shù)路線。

但必須指出, 當(dāng)前基于聲學(xué)后向散射原理的SSC 測量技術(shù)仍遠(yuǎn)未達到成熟可靠的程度。其一, 聲后向散射強度對粘性細(xì)顆粒泥沙的響應(yīng)規(guī)律仍不明晰, 絮凝粒徑的表達甚至存在爭議, 這嚴(yán)重降低了其在河口海岸區(qū)域的適用性。如Fugate 等(2002)基于現(xiàn)場觀測結(jié)果, 提出粒徑對聲后向散射強度的影響來自絮凝體內(nèi)散粒而非整體(Fugate et al, 2002); 而Ha 等(2011)則認(rèn)為絮凝體密度是多變的, 并提出了相反的論點(Ha et al, 2011)。其二, 當(dāng)前基于多頻超聲的最小濃度標(biāo)準(zhǔn)差算法反演SSC 和懸沙粒徑的精度相對最高(錢仁亮, 2019), 但聲散射性能與聲波波長和顆粒尺寸相關(guān), 每一超聲頻率均有其適用的懸沙粒徑敏感響應(yīng)區(qū)間(陳星宇 等, 2018), 因此具有普適性的優(yōu)選超聲頻率譜段仍有待進一步深入研究。其三, 后向散射聲強反演SSC 的算法依賴于懸沙粒度形函數(shù)的準(zhǔn)確表達, 當(dāng)前研究中往往采用單一概率分布函數(shù)概化處理(Thorne et al, 2014), 但天然泥沙形態(tài)特征的多變性使得這一概化處理存在不可忽視的SSC 反演誤差(Vergne et al, 2021)。如何在懸沙粒度形函數(shù)中正確表達河口海岸區(qū)域常見的懸浮泥沙粒度多峰分布, 并兼顧泥沙粒形特征, 是一個關(guān)系到能否進一步提升測量精度的問題。

(3) 適合高含沙水流和浮泥工況下的超高量程CMT 應(yīng)用場景的音叉諧振原理技術(shù)路線

γ 射線衰減原理、音叉諧振原理和超聲衰減原理是3 個可實現(xiàn)超高量程SSC 連續(xù)測量的技術(shù)方向。但γ 射線衰減原理的傳感器存在放射性安全風(fēng)險, 超聲衰減原理傳感器則因換能器存在余振盲區(qū)而使得傳感器侵入測量的間距相對偏大(方彥軍 等, 1990), 且多頻超聲標(biāo)定操作和相應(yīng)的SSC 與粒徑反演計算極為復(fù)雜、繁瑣, 因而此類傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用研究甚少。相反, 諧振原理的密度/SSC 測量傳感器在化工、食品和鉆探行業(yè)的塑性流體密度實時測量領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用(Hsu et al, 2008; 李先達 等, 2018; Zhang et al, 2020), 是目前唯一能夠同時測量流體的流變特性和密度/含沙量兩類物理量的技術(shù)手段。顯然這對于同屬非牛頓流體的高含沙水流和浮泥工況下的超高量程SSC 測量需求是契合的, Stema(荷蘭)生產(chǎn)的Rheotune 密度儀甚至已成為國際上港口航道浮泥測量的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(McAnally et al, 2007)。相應(yīng)地, 當(dāng)前諧振原理的密度/SSC 測量傳感器主要的短板在于成品儀器體積偏大且功耗偏高(McAnally et al, 2007), 尚不能勝任無人值守的自容測量需求。另一方面, 隨著汽車智能控制領(lǐng)域的發(fā)展, 國際上的大型半導(dǎo)體公司開始著力研發(fā)發(fā)動機油路用途的小型的音叉密度和粘度傳感器。如TE(英國)公司推出的FPS2800B12C4 型傳感器, 在標(biāo)稱精度與主流音叉密度計相當(dāng)?shù)那疤嵯? 其叉臂長度縮短至11mm, 功耗則降至70mA@12VDC(TE Connectivity, 2015), 較Stema Rheotune 音叉密度計的叉臂長度縮短了 20%, 功耗降低了 98%(Stema Systems, 2016)。這說明當(dāng)前諧振原理的密度/SSC 測量傳感器在降低功耗、縮小體積方面不存在顯著的技術(shù)障礙, 仍有較大的改進空間。

(4) 多技術(shù)路線傳感器融合和使用人工智能算法模型替代正向反演模型

SSC 連續(xù)觀測的技術(shù)和應(yīng)用研究已明顯表現(xiàn)出向多技術(shù)原理傳感器集成化、智能化方向發(fā)展的趨勢。當(dāng)前在實踐中聯(lián)合使用聲學(xué)、光學(xué)技術(shù)原理傳感器的做法已極為普遍, 而隨著人工智能算法的發(fā)展和計算硬件性能的提升, 當(dāng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)足夠豐富時, 人工智能算法模型在SSC 輸出精度上的表現(xiàn)往往優(yōu)于傳統(tǒng)的正向反演模型結(jié)果(Ying et al, 2020), 這為解決單一技術(shù)原理的局限性和規(guī)避正向反演算法中因過于抽象概化或機理尚不明確而引入誤差的問題提供了很好的借鑒, 無疑具有較好的發(fā)展前景。