TES系統(tǒng)在犁市站懸移質(zhì)泥沙測驗中的應(yīng)用初探

王步杰

摘 要：懸移質(zhì)泥沙的測驗是水文測驗的重要組成部分，而其自動化監(jiān)測技術(shù)相對薄弱。介紹了TES系統(tǒng)的應(yīng)用原理，通過分析系統(tǒng)在犁市水文站的應(yīng)用實驗數(shù)據(jù)，證明當泥沙含量在0.10 kg/m3以上時，可采用纜道式泥沙監(jiān)測系統(tǒng)來替代人工采樣方法進行懸移質(zhì)泥沙測驗，為懸移質(zhì)泥沙的自動監(jiān)測提供了一種可能性方式。

關(guān)鍵詞：TES系統(tǒng)；泥沙測驗；自動監(jiān)測

中圖分類號：TV149.1；TV142? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

懸移質(zhì)泥沙測驗是水文測驗的重要組成部分，泥沙資料在研究河床演變、航道整治、水環(huán)境污染及水生態(tài)保護等方面都發(fā)揮著重要的作用。隨著社會經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，以及水文測驗自動化的要求，泥沙自動化測驗技術(shù)也亟待進一步發(fā)展[1]。

傳統(tǒng)的泥沙測驗通過水樣采集、沉淀、烘干或過濾、稱重的步驟獲得泥沙重量，進而求得泥沙含量，全過程大約需要10～15 d[2]。一代代從業(yè)者對泥沙測驗方法進行了大量研究，豐富了泥沙的自動化測驗技術(shù)，如激光法[3]、激光粒度分析儀[4]、濁度儀法[5]等，同時也探索了先進測流設(shè)備（如ADCP）在泥沙測驗中的應(yīng)用[6]，大大提高了泥沙測驗和結(jié)果處理效率。但這些方法都存在一定的局限性，如受測站特性的影響較大、不同泥沙含量級會導(dǎo)致精度不一致等，因此，探索一種符合北江流域山區(qū)性河流的自動泥沙監(jiān)測系統(tǒng)非常必要。

1 系統(tǒng)與安裝環(huán)境介紹

1.1 系統(tǒng)簡介

TES泥沙監(jiān)測系統(tǒng)是基于組合紅外吸收散射光線法，通過逆投影成像技術(shù)，連續(xù)精確測定水體中的懸移質(zhì)泥沙含量并直接輸出泥沙含量數(shù)據(jù)。泥沙監(jiān)測儀符合《水文儀器基本參數(shù)及通用技術(shù)條件》（GB/T 15966—2017）的要求。

目前，TES系統(tǒng)有纜道式（TES-71）、在線式（TES-91）兩種。TES-71纜道式泥沙監(jiān)測系統(tǒng)是將泥沙監(jiān)測儀安裝在鉛魚上，可實現(xiàn)單沙點測沙、纜道多點測沙，有積時法和積深法兩種測量方法，也可進行便攜式測量。TES-91系統(tǒng)安裝在固定位置，實時監(jiān)測單點泥沙含量，再與斷面含沙量建立關(guān)系，實現(xiàn)斷面含沙量的實時監(jiān)測。

1.2 系統(tǒng)組成

TES-71纜道式泥沙監(jiān)測系統(tǒng)主要由泥沙監(jiān)測儀（見圖1）﹑水下全防水控制系統(tǒng)、筆記本電腦、數(shù)據(jù)管理軟件和纜道固定裝置等組成。

TES-91泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由泥沙監(jiān)測儀、泥沙分析模塊、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、泥沙數(shù)據(jù)管理軟件和安裝支架等組成（見圖2）。

1.3 系統(tǒng)原理

TES泥沙監(jiān)測儀采用840 nm±5 nm波長的近紅外光，對水體中的顆粒物敏感度更高。使用紅外發(fā)光二極管LED產(chǎn)生紅外光。

通過2個感光器接收強度，結(jié)合米氏散射原理通過調(diào)頻計算出米氏散射強度，通過總接收光強減去米氏散射強度得到幾何光學(xué)反射強度。標定模型計算出水體中產(chǎn)生散射的泥沙含量與產(chǎn)生幾何光學(xué)的泥沙含量；同時采用分布式感光強度通過逆投影算法計算出被測水體中懸移質(zhì)分布情況，2個感光系統(tǒng)同時進行，計算出水體中懸移質(zhì)的占比濃度，通過設(shè)定的密度值計算出泥沙含量。

1.4 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

測量原理為雙光束紅外散射光逆投影成像技術(shù)；測量范圍為0.001～45 kg/m?；顯示精度為小于測量值的±5%；存儲溫度為-15～65℃；測量環(huán)境溫度為0～45℃。

1.5 系統(tǒng)安裝環(huán)境

為進行TES泥沙測驗系統(tǒng)的應(yīng)用實驗和比測率定，將TES-71、TES-91兩種系統(tǒng)安裝應(yīng)用于犁市水文站。

犁市水文站于1955年4月設(shè)立，位于廣東省韶關(guān)市湞江區(qū)犁市鎮(zhèn)河邊廠，至河口距離16 km，集水面積6 976 km2，是北江支流武江的出口控制站[7]。該站測驗項目有水位、流量、降水量及懸移質(zhì)泥沙。含沙量測驗斷面上、下游1 km河段天然順直，左岸為巖石、黃泥土，右岸為人工防洪河堤，河床由巖石、卵石、泥沙組成，不易沖刷，較為穩(wěn)定。該站下游約1 km處有1個天然沙洲，低水時對該站水位產(chǎn)生一定的頂托影響；下游約4 km處為溢洲電站，電站回水頂托對該站影響嚴重。

該站斷面含沙量采用7條垂線全斷面混合法進行計算，單沙在起點距80.5 m處用積深法取樣。歷年實測最大單沙為24.2 kg/m3，在TES系統(tǒng)的測量范圍之內(nèi)。

TES-71纜道式泥沙監(jiān)測系統(tǒng)固定安裝在鉛魚纜道上，與人工單沙取樣同步進行，采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常或傳感器有附著物時，可以升起纜道將設(shè)備提出水面排障，泥沙監(jiān)測儀安裝位置如圖3所示。

TES-91泥沙在線監(jiān)測儀安裝在起點距15 m的固定棧橋上，傳感器入水深度約2 m。采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常或傳感器有附著物時，可以直接用支架提起排障，泥沙監(jiān)測儀安裝位置如圖4所示。

犁市水文站一直采用積深法進行泥沙采樣，單斷沙關(guān)系穩(wěn)定，與TES系統(tǒng)特點對比見表1。

2 應(yīng)用成果分析

2.1 TES-71監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用分析

2.1.1 數(shù)據(jù)收集

犁市水文站纜道式泥沙監(jiān)測儀自2018年6月安裝以來，同步開展比測工作。當人工取樣時，將泥沙監(jiān)測儀固定在鉛魚上，與單沙采樣時間同步、同垂線進行施測，截至2021年5月共搜集到78組樣本數(shù)據(jù)，人工實測單樣含沙量變化范圍為0.006～1.19 kg/m3。TES-71纜道式泥沙監(jiān)測儀監(jiān)測單樣含沙量變化范圍為0.009～2.56 kg/m3。

2.1.2 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析

對人工單沙成果和纜道式測沙儀單沙成果分年份做過程線分析（見圖5）。可知，纜道式泥沙監(jiān)測儀與人工單沙成果過程線趨勢一致，且數(shù)值均大于人工測驗成果，證明其測驗成果穩(wěn)定。

2.1.3 相關(guān)性分析

對人工和纜道式泥沙監(jiān)測儀測驗成果單樣含沙量做相關(guān)性分析（見圖6）?？芍?，兩者相關(guān)點基本分布呈帶狀，相關(guān)系數(shù)R2=0.964，證明兩者相關(guān)關(guān)系良好。

2.1.4 關(guān)系檢驗

根據(jù)《水文測驗補充技術(shù)規(guī)定》，單斷沙關(guān)系檢驗時，含沙量小于0.10 kg/m?的單斷沙關(guān)系點，可不參加關(guān)系曲線檢驗。對含沙量大于0.10 kg/m?進行關(guān)系曲線檢驗，樣本容量N=44。成果如下。

單斷沙關(guān)系測點標準差Se=18.8％，隨機誤差為37.6％＞ 28％，沒有達到規(guī)范規(guī)定的精度要求；

系統(tǒng)誤差為1.11％≤±3％，達到規(guī)范規(guī)定的精度要求。

（1）符號檢驗。n=44，K=21（K為正號個數(shù)），u=0.15＜1.15，認為合理。符號檢驗通過。

（2）適線檢驗。n=44，不變換符號“0”次數(shù)為22，變換符號“1”次數(shù)為21，即K=21，u=0.00＜1.28，認為合理。適線檢驗通過。

（3）偏離數(shù)值檢驗。n=44，平均相對偏離值ΔP=1.11％，標準差S=18.50，ΔP的標準差Sp=2.79，統(tǒng)計量t=0.40，│t│=0.40＜1.30，認為合理。偏離數(shù)值檢驗通過。

上述三種方法對關(guān)系曲線的檢驗，均達到規(guī)范要求，認為定線正確。

由以上檢驗結(jié)果可見，除隨機誤差外，其余各項檢驗效果良好。符號檢驗、適線檢驗、偏離數(shù)值檢驗均通過；隨機不確定度為37.6%，超過了《水文資料整編規(guī)范》（SL 247—2020） 中隨機不確定度不超過28.0%的要求；系統(tǒng)誤差為1.11%，符合規(guī)范中系統(tǒng)誤差不超過3%的要求[8]。

2.1.5 對突出點的原因分析

檢驗結(jié)果顯示總體隨機誤差較大，有一些點較突出。如2020年4月3日14：35，纜道數(shù)據(jù)為0.556 kg/m3，查線單沙為0.263 kg/m3，人工單沙為0.354 kg/m3；2021年5月18日13時25分，纜道數(shù)據(jù)為0.546 kg/m3，查線單沙為0.259 kg/m3，人工單沙為0.143 kg/m3，這兩點偏離較大，且一正一負，對其分析如下。

2020年4月3日測次為漲水段測次，人工單沙0.354 kg/m3，為第8測次輸沙的相應(yīng)第一次單沙，第二次相應(yīng)單沙為0.371 kg/m3，前后兩次單沙相差較大，證明河道泥沙正在上漲。本次斷沙成果為0.337 kg/m3。測沙儀測量過程見表2?？芍?，測沙儀測量過程正常、穩(wěn)定。

2021年5月18日測次亦為漲水段測次，人工單沙0.143 kg/m3，為第5測次輸沙的相應(yīng)第一次單沙，第二次相應(yīng)單沙為0.179 kg/m3，前后兩次單沙相差較大，證明河道泥沙正在上漲。本次斷沙成果為0.174 kg/m3，測沙儀測量過程與2020年4月3日過程類似，測沙儀測量過程正常、穩(wěn)定。

由以上分析可知，盡管泥沙監(jiān)測儀與人工測量成果間存在著較大的偏離，但其測量過程穩(wěn)定；造成隨機誤差大的原因，可能是泥沙的脈動和斷面分布的不均勻性。

2.2 TES-91監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用分析

2.2.1 數(shù)據(jù)收集

TES-91 泥沙在線監(jiān)測儀于2020年1月安裝并開展比測率定工作。選取與人工采樣同步時間的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)作為比測數(shù)據(jù)。

截至2021年8月，2020年收集到53組數(shù)據(jù)，2021年收集到51組數(shù)據(jù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析

對人工單沙成果和纜道式測沙儀單沙成果分年份做過程線分析（見圖7）?？芍?，纜道式泥沙監(jiān)測儀與人工單沙成果過程線趨勢一致，且數(shù)值均大于人工測驗成果，證明其測驗成果穩(wěn)定。

2.2.3 相關(guān)性分析

對人工和在線式泥沙監(jiān)測儀測驗成果單樣含沙量做相關(guān)性分析（見圖8）?？芍瑑烧呦嚓P(guān)點基本分布呈帶狀，上部較散亂，相關(guān)系數(shù)R2=0.941，兩者存在一定相關(guān)關(guān)系，但不集中。

2.2.4 原因分析

與纜道式泥沙監(jiān)測儀相比，在線監(jiān)測儀與人工測驗成果對比效果不理想，原因在于受水文站條件限制，將儀器安裝在起點距15 m處，但人工單沙取樣垂線為起點距80.5 m處，在線監(jiān)測儀安裝位置不在河道主流部分，代表性不好，與單沙采樣垂線的測驗成果無法建立較好的關(guān)系。

2.3 應(yīng)用小結(jié)

TES系統(tǒng)在犁市水文站的應(yīng)用中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，測量成果與人工測驗成果能建立一定的關(guān)系。在同垂線、同方法（積深法）的前提下，纜道式泥沙監(jiān)測儀與人工測量成果之間有良好的關(guān)系，基本可用于一般水情下的泥沙測驗。而在線式泥沙監(jiān)測系統(tǒng)，則需要改善安裝條件，使之具有更好的代表性，再進行進一步的實驗。

TES泥沙監(jiān)測系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)泥沙測驗需要大量人力、物力和時間的投入，測量周期長，操作過程繁瑣的技術(shù)問題，實現(xiàn)了安全高效、測量時間短的泥沙含量監(jiān)測。

3 結(jié)論

TES系統(tǒng)是連續(xù)精確測定水體中的懸移質(zhì)泥沙含量并直接輸出泥沙含量數(shù)據(jù)的一套泥沙監(jiān)測系統(tǒng)。通過2018—2020年在犁市水文站的應(yīng)用實驗，系統(tǒng)運行較穩(wěn)定可靠。犁市站單沙含量在0.10～1.19 kg/m3范圍內(nèi)可與纜道式TES-71泥沙監(jiān)測系統(tǒng)形成較穩(wěn)定的關(guān)系，通過率定的公式將纜道式泥沙監(jiān)測儀的測驗成果應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。對于固定式的TES-91系統(tǒng)，安裝位置極其重要，犁市站的實驗表明，安裝位置的代表性不好則無法與人工的測驗成果形成穩(wěn)定的關(guān)系。在使用方法正確、安裝位置良好的前提下，TES系統(tǒng)可用于懸移質(zhì)泥沙的測驗，為懸移質(zhì)泥沙的自動化監(jiān)測提供了一種可能的方法。

參考文獻：

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[8] SL/T 247—2020，水文資料整編規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2020.

Abstract：Suspended sediment measurement is a crucial element of hydrological testing，yet automated monitoring technology for this measurement is relatively underdeveloped. We introduce the application principles of the TES system，and analyze the experimental data from its application in Lishi hydrological station. Results provide evidence that cable-type sediment monitoring system can effectively and automatically measure suspended sediment if sediment concentration surpasses 0.10 kg/m3，thus offering a viable solution for automated monitoring of suspended sediment.

Key words：TES system；sediment test；automatic monitoring