基于紅外光傳感器的泥沙在線監(jiān)測方法應(yīng)用研究

伍先鋒 ，胡興藝 ，李廣源 ，譚云輝

（1．湖南省邵陽水文水資源勘測中心，湖南 邵陽 422300；2．湖南省水文水資源勘測中心，湖南 長沙 410006； 3．湖南省水文儀器設(shè)備檢測中心，湖南 長沙 410007）

0 引言

懸移質(zhì)泥沙是在徑流、波浪和潮流等因素相互作用產(chǎn)生的，懸移質(zhì)泥沙大小變化直接影響河流中的泥沙集聚與輸運(yùn)。懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)工作是近岸工程和沉積動(dòng)力學(xué)研究的關(guān)鍵問題，一直以來是水文監(jiān)測工作中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。泥沙測驗(yàn)方法中主要有過濾法、烘干法和置換法[2]。上述方法雖然精度高，但測驗(yàn)方法繁瑣，需取樣和做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間跨度很長，并且采用的樣品為瞬時(shí)樣品，受水體脈動(dòng)影響較大[3-5]。在沙峰來臨時(shí)，傳統(tǒng)方法很難反映水體中懸移質(zhì)泥沙值的實(shí)時(shí)變化，也難以獲得沙峰的數(shù)據(jù)。而采取懸移質(zhì)泥沙在線監(jiān)測的方式，可大大減少泥沙測驗(yàn)工作的強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，及時(shí)反映河流中泥沙的變化規(guī)律，有利于掌握流域內(nèi)泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，有效推動(dòng)泥沙測驗(yàn)方式的改革，實(shí)現(xiàn)水文現(xiàn)代化。

在懸移質(zhì)泥沙在線監(jiān)測方法中，目前國內(nèi)外主要包括聲學(xué)法、同位素放射法、光學(xué)法與振動(dòng)式法[6-7]，它們在技術(shù)成熟度、使用方式及建設(shè)成本等方面都存在一些差異。近年來，通過河道整治與水利工程修復(fù)等措施，我國華南地區(qū)河流的懸移質(zhì)泥沙含量普遍下降[8]，在上述方法中，光學(xué)類測量法在該類水域中取得了較高的測量精度。但是，受泥沙濃度、粒徑、顏色、氣泡等因素影響，光學(xué)法仍有自身的局限性和缺陷[9]。因此，在特定的水體中，必須對光學(xué)法儀器測量和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立相關(guān)關(guān)系曲線，才能將儀器測量數(shù)據(jù)作為懸移質(zhì)泥沙的數(shù)據(jù)。

黃橋水文站位于湖南邵陽市境內(nèi)，其泥沙測驗(yàn)一直采用傳統(tǒng)方式，即通過人工取水樣，在經(jīng)過一定時(shí)間的沉淀后，再通過過濾、烘干、稱重的方式，取得測驗(yàn)結(jié)果。這種方式雖然精度高，但分析時(shí)間長，工作量大，不能實(shí)現(xiàn)泥沙在線監(jiān)測。為了改變傳統(tǒng)泥沙測驗(yàn)方式，驗(yàn)證光學(xué)法懸移質(zhì)泥沙在線監(jiān)測方式，設(shè)計(jì)泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過對該站橫向含沙量進(jìn)行分析，確定光學(xué)傳感器安裝位置的代表性，獲得在線監(jiān)測系統(tǒng)在低含沙量下的泥沙數(shù)據(jù)。

1 泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)測量原理及組成

泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）主要由光學(xué)傳感器、無線傳輸系統(tǒng)、泥沙數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、在線監(jiān)測智能管理平臺 4 個(gè)部分組成。系統(tǒng)的核心是一個(gè)紅外光學(xué)傳感器，該傳感器是利用介質(zhì)對光的吸收和散射原理進(jìn)行測量的。當(dāng)光在水體中傳輸時(shí)，依據(jù)散射信號接收角度的不同，將光分為前向、90° 和后向散射及透射。懸移質(zhì)泥沙在線監(jiān)測使用的光學(xué)電傳感器主要接收散射角為 120°～175° 之間的紅外光散射信號，在這之間的散射信號比較穩(wěn)定。該光學(xué)傳感器通過測量上述角度范圍的后散射和垂直 90° 的側(cè)面散射的光強(qiáng)度測量水中的懸浮物質(zhì)。由于紅外光在水體中衰減率較高，而太陽光的紅外部分比較弱，在儀器安裝位置基本上被水體吸收，因此，光學(xué)傳感器的發(fā)射光束不會(huì)受到外界干擾。光學(xué)傳感器工作原理示意圖如圖1 所示。

圖1 光學(xué)傳感器工作原理示意圖

本站光學(xué)傳感器采用 OBS501，測量時(shí)間為10 s，發(fā)射波長為 850 nm，可實(shí)現(xiàn)單沙和斷沙的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。測量總次數(shù)為 100 次，測量結(jié)束可以輸出測量的最小值、最大值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，這些數(shù)據(jù)有利于直接判斷測量期間懸移質(zhì)泥沙含量的脈動(dòng)情況；也可以計(jì)算出每次測量的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，如果測出的標(biāo)準(zhǔn)偏差太大，則丟棄該條數(shù)據(jù)重新進(jìn)行測量。光學(xué)傳感器實(shí)時(shí)測量水體的濁度數(shù)據(jù)，通過無線方式傳輸?shù)皆诰€監(jiān)測智能管理平臺，利用數(shù)學(xué)建模建立水體的濁度與泥沙含量的相關(guān)關(guān)系，經(jīng)過平臺處理后，進(jìn)行展示輸出泥沙測驗(yàn)成果。

1.2 安裝位置選擇

安裝位置選擇是泥沙在線監(jiān)測設(shè)備得以率定成功的關(guān)鍵，是重中之重，要慎之又慎。黃橋水文站的水位變幅為 3 m 左右，統(tǒng)計(jì) 2018 年水位數(shù)，2018 年度最高水位為 266.16 m，最低水位為 263.35 m，平均水位為 263.90 m。水位變幅適中，可采用固定安裝方式進(jìn)行泥沙在線監(jiān)測設(shè)備的安裝，安裝位置盡量靠近本站點(diǎn)單沙取樣點(diǎn)。

使用黃橋水文站 2018 年輸沙率測量的垂線平均含沙量C's和對應(yīng)的斷面含沙量Cs，通過C's/Cs比值的變化，可判斷該斷面含沙量橫向分布是否均勻，以及相應(yīng)測沙垂線的代表性，即C's/Cs比值接近 1 的垂線或區(qū)間，則是理想的單沙取樣垂線或區(qū)間位置。通過對該站含沙量分析，各測沙垂線之間的C's/Cs變幅相差不大，且本站斷面規(guī)整，泥沙大部分來源于細(xì)顆粒的沖泄質(zhì)，經(jīng)沖刷，混合及水流的紊動(dòng)后，含沙量在斷面上的橫向分布接近均勻分布。結(jié)合對黃橋水文站河段附近取沙位置、水下地形、岸上人類活動(dòng)情況、規(guī)劃情況和安全等情況進(jìn)行的詳細(xì)查勘，最終選擇將光學(xué)傳感器安裝在斷面 25 m 的位置。針對本站的特性及現(xiàn)場勘測情況，確定通過打樁固定的方式實(shí)現(xiàn)懸移質(zhì)泥沙在線監(jiān)測。

由于該站洪水期時(shí)流速較大，漂浮物較多，河床主要由砂石構(gòu)成，人工打樁的強(qiáng)度難以保證，因此選擇機(jī)械鉆樁。

機(jī)械鉆樁的數(shù)量為 2 根，下游的樁為儀器樁，用于安裝支架和儀器；上游樁為防護(hù)樁，用于阻擋漂浮物，對下游的樁形成有效的保護(hù)。樁的頂部高程根據(jù)常水位進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保常見水位時(shí)能進(jìn)行維護(hù)工作即可，過高會(huì)增加漂浮物懸掛，增加樁的受力，具體要求如下：

1）按設(shè)計(jì)起點(diǎn)距進(jìn)行鉆樁，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，樁的高度為 3.5 m（樁頂部到河床的高度），進(jìn)入河底5 m 控制，儀器樁入泥 5 m，樁總長為 8.5 m，防護(hù)樁入泥 5 m，樁總長為 9 m，樁徑為 220 mm。

2）保證樁的垂直度，偏差 ≤ 1°。

3）樁徑大于 200 mm，錨固比在 1∶1.5 至 1∶2 之間。

4）采用 10 mm 厚無縫鋼管作為樁護(hù)套，鉆孔后灌注混凝土，內(nèi)敷鋼筋。

5）保護(hù)樁與儀器樁沿河流平行方向打入河床，兩者間距 2 m。

6）汛期水流沖擊下，樁的晃動(dòng)角度不超過 1°。

7）儀器樁配套垂直導(dǎo)軌式支架，通過導(dǎo)軌，可在平水、枯水期將儀器輕松取出或安裝，而不需要潛水作業(yè)。樁體的高度高于常年平均水位的 30 cm 即可，不應(yīng)太高，否則在洪水時(shí)會(huì)阻流并大量懸掛垃圾。

將光學(xué)傳感器安裝在起點(diǎn)距 25.0 m 左右的位置，該安裝點(diǎn)的高程為 262.8 m 左右。利用光學(xué)傳感器在線監(jiān)測該點(diǎn)濁度，并對其與含沙量及單沙進(jìn)行關(guān)系分析，以期率定出關(guān)系曲線。泥沙在線監(jiān)測儀器安裝位置預(yù)留 H-ADCP 安裝位置，為后續(xù)流量及輸沙率監(jiān)測提供更多一種途徑，為實(shí)現(xiàn)流量無人值守的在線監(jiān)測提供前期的準(zhǔn)備。

進(jìn)行機(jī)械打樁時(shí)，保證樁柱不干擾纜道測流。樁柱分為防護(hù)樁和儀器樁，防護(hù)樁在儀器樁上游 1.5～2.0 m 位置，比儀器樁高 0.5 m，能夠有效防止漂浮物直接沖撞儀器，儀器樁在常水位露出水面 0.5 m，配套安裝 1 個(gè) 1.5 m 的滑軌支架，便于在正常水位時(shí)把光學(xué)傳感器提出水面對其進(jìn)行維護(hù)。

安裝固定太陽能板到纜道房的房頂，太陽能板安裝朝向南偏西 10°，保證光照充足。數(shù)據(jù)采集終端 RTU 安裝固定在纜道房內(nèi)。光學(xué)傳感器電纜使用1620 鋁塑管進(jìn)行穿管保護(hù)，并使用水泥重塊綁住鋁塑管，將其沉入河底。經(jīng)過 2 次的洪水考驗(yàn)，這種安裝方式可行，未遭受河床推移質(zhì)破壞。岸上部分沿著水尺階梯邊緣一直敷設(shè)到站房內(nèi)，并使用水泥覆蓋固定，電纜末端接入數(shù)據(jù)采集終端 RTU 內(nèi)。

1.3 防雷設(shè)計(jì)

在線泥沙監(jiān)測系統(tǒng)牽涉到電子電路、通信與供電設(shè)計(jì)，經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)本應(yīng)用系統(tǒng)及其涉及儀器存在遭受雷擊破壞的可能。

水文測驗(yàn)設(shè)施受雷擊的形式分為直擊雷、感應(yīng)雷 2 種。針對本應(yīng)用系統(tǒng)，直接雷，只能采取避雷措施，即“避雷針+接地體”泄流消雷，保護(hù)避雷針保護(hù)角范圍內(nèi)的建筑物和設(shè)備；而遭受雷擊影響更大、更多的是感應(yīng)雷破壞。因此，擬定應(yīng)用研究設(shè)計(jì)的防雷方案，主要針對感應(yīng)雷擊。

水文測報(bào)儀器設(shè)備遭受感應(yīng)雷擊的渠道是多方面的，有供電線路、信號線路、地電位反串、落雷點(diǎn)高位沖擊和地電流反沖通道等。防雷避雷必須采用整體防范、多重保護(hù)、綜合防治、層層設(shè)防的防雷體系，采用消、泄、防、引、避的辦法，將水文設(shè)施設(shè)備的所有易受雷電襲擊的通道進(jìn)行消散、疏導(dǎo)或抑制掉，保護(hù)水文測報(bào)設(shè)備的安全。具體防雷措施如下：

1）電纜金屬套管，一端接地。電纜長度越長越易感應(yīng)雷擊，本監(jiān)測系統(tǒng)電纜（電源、通信）長度為 90 m，因此電纜需套金屬護(hù)管屏蔽保護(hù)，金屬護(hù)管采用直徑 3 cm 鍍鋅鐵管，表面外涂瀝青以防腐；為增強(qiáng)護(hù)管導(dǎo)電性能，連接處勿用水膠帶；鑒于水下作業(yè)方便，水下部分電纜采用金屬軟管，例如蛇皮管；也可采用鋁塑管替代。但不管是鍍鋅鐵管、金屬軟管還是鋁塑管的套管，均需保證低電阻連接或焊接連接，然后在護(hù)管一段接地，避免跨步電壓形成人為破壞。

2）集成系統(tǒng)端保護(hù)。集成系統(tǒng)外箱須接地，接地材料采用 6 mm2以上的銅線或熱鍍鋅扁鐵與接地網(wǎng)引出線金屬連接；集成系統(tǒng)內(nèi)部集成防浪涌模塊，該防浪涌模塊電源與信號分置，有效保護(hù)終端安全；太陽能電源接上防雷器，有效屏蔽來自太陽能引雷危險(xiǎn)。

3）系統(tǒng)工作采用間歇工作方式。在滿足監(jiān)測段制要求的前提下，其余時(shí)間監(jiān)測系統(tǒng)處于掉電方式，尤其是光學(xué)傳感器及其電纜（電源、通信）均處于掉電狀態(tài)，此時(shí)，即便有雷電發(fā)生，也可避免感應(yīng)雷的傳感器與電纜的引入可能。

2 率定與運(yùn)行

2.1 率定原理

率定是系統(tǒng)得以取得成功的關(guān)鍵一步，率定的實(shí)質(zhì)是比較系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)的誤差，測量數(shù)據(jù)通過與實(shí)測數(shù)據(jù)比較，不斷完善泥沙計(jì)算模型。為了使系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)與實(shí)測值的誤差滿足規(guī)范要求，需要通過關(guān)系曲線檢驗(yàn)。

2.2 數(shù)據(jù)選取原則

1）安裝點(diǎn)水位變化較大時(shí)，使用內(nèi)插法，獲取最靠近取沙時(shí)間的儀器測量值；

2）安裝點(diǎn)水位變化不大時(shí)，選取最靠近取沙時(shí)間的儀器測量值；

3）附近有船舶或魚類經(jīng)過時(shí)，儀器數(shù)據(jù)可能會(huì)有較多突變值，此時(shí)儀器測量值可趨勢采用內(nèi)插法求得，同時(shí)丟棄該突變值。

2.3 率定結(jié)果

黃橋水文站系統(tǒng)收集 2019 年 8 月 29 日—2020年 4 月 27 日人工實(shí)測斷面含沙量，并同相同時(shí)間的在線測沙系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行率定分析。黃橋水文站在線測沙率定分析結(jié)果如圖2 所示，率定的濁度值與含沙量的相關(guān)關(guān)系公式如下：

圖2 黃橋水文站在線測沙相關(guān)關(guān)系圖

2.4 運(yùn)行結(jié)果分析

對黃橋水文站 2019 年 8 月—2020 年 4 月河段含沙量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析表如表1 所示，該站泥沙數(shù)據(jù)與洪水變化時(shí)間對應(yīng)關(guān)系較好，河道中含沙量隨著洪水大小而變化，洪水大含沙量大，洪水小含沙量小，該系統(tǒng)所獲得的泥沙數(shù)據(jù)基本能反應(yīng)出本站的該河段懸移質(zhì)泥沙含量隨洪水的變化過程。

表1 河段含沙量統(tǒng)計(jì)分析表

截至 2021 年 2 月，泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行共計(jì) 16 個(gè)月，理論應(yīng)采集的數(shù)據(jù)份數(shù)為 11 520 份，實(shí)際采集的數(shù)據(jù)份數(shù)為 11 381 份，數(shù)據(jù)暢通率達(dá)到 98.79%。系統(tǒng)安裝以后，除了對設(shè)備進(jìn)行過 1 次升級外，未遭受雷擊和其他不利因素的影響，設(shè)備一直處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)語

紅外光的測量技術(shù)是一種快速、有效和簡便的懸沙在線觀測方法，對于 0～0.5 kg/m3范圍內(nèi)的低含沙量河流應(yīng)用前景廣闊。文中從黃橋水文站的大斷面和泥沙整編資料對其含沙量橫向分布進(jìn)行分析，確定在線監(jiān)測位置的代表性，實(shí)現(xiàn)了懸移質(zhì)泥沙在線監(jiān)測。根據(jù)資料顯示，黃橋水文站歷年單、斷沙關(guān)系比較穩(wěn)定，在線監(jiān)測設(shè)備安裝環(huán)境良好，通過一個(gè)汛期的數(shù)據(jù)采集，結(jié)合人工實(shí)測含沙量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探索出了該方法在實(shí)際水域中應(yīng)用的可行性，揭示了該方法在低含沙量水域應(yīng)用的可能性，為其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用提供一定的技術(shù)支持和經(jīng)驗(yàn)。

為使泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，后期建議：

1）對系統(tǒng)要指定專人負(fù)責(zé)。成立專門的管理小組，指定專人負(fù)責(zé)管理，不定期檢查數(shù)據(jù)傳輸情況和現(xiàn)場查看儀器狀況，判斷儀器是否運(yùn)行良好；

2）對在線監(jiān)測含沙量進(jìn)行不定期校驗(yàn)。黃橋水文站泥沙采用的是垂線混合法實(shí)測單沙，根據(jù)水情形勢布置測次，并將每次測得單沙數(shù)據(jù)和在線單沙數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，檢查在線單沙的偏離程度，并分析誤差及偏離原因；

3）建議使用人工法測驗(yàn)的單沙資料與后期在線資料進(jìn)行率定，減少中間率定時(shí)產(chǎn)生的誤差；

4）建議收集完低沙至高沙全范圍的實(shí)測資料后進(jìn)一步完善率定成果。

通過對紅外光傳感器的泥沙在線監(jiān)測方法研究，積累了一些經(jīng)驗(yàn)，取得了一些成果，相信該方法在今后的泥沙在線監(jiān)測領(lǐng)域具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用前景，可以給其他類似水域開展泥沙在線監(jiān)測提供有益的參考依據(jù)。