TES-91 懸沙在線監(jiān)測系統(tǒng)在姚江大閘水文站中的應(yīng)用

趙立鋒

（寧波市水文站，浙江 寧波 315012）

0 引 言

姚江大閘水文站所在地姚江屬浙閩臺流域甬江水系，發(fā)源于四明山夏家?guī)X東北眠崗山，自源頭向西北流經(jīng)四明湖水庫，出四明湖水庫后流經(jīng)余姚城區(qū)，出城區(qū)后姚江兩側(cè)先后有多條溪流匯入，至寧波三江口匯入甬江。姚江大閘水文站集水面積1 918 km2，距離河口3.6 km，基本斷面上游44.0 km 處建有蜀山大閘，下游330 m 處建有姚江大閘，水位的變化主要受這2 座閘門啟閉的影響。姚江大閘水文站為國家重要水文站，測驗河段順直，系人工河道，河寬211 m，河床為淤泥。主要監(jiān)測項目有降水量、水位、流量、蒸發(fā)、水溫等。

傳統(tǒng)懸移質(zhì)分析采用人工取樣進(jìn)行分析，工作量大，時效性不高，難以滿足實時監(jiān)測的要求。自動化、實時現(xiàn)場泥沙觀測是現(xiàn)代水文觀測的發(fā)展方向。周波等[1]對三峽入庫泥沙長期采用實時監(jiān)測，觀測時效性強(qiáng)、自動化程度高；王海申[2]采用OBS-3+濁度儀構(gòu)建了海上懸沙在線測量系統(tǒng)，凌佳等[3]采用OBS-3+濁度儀構(gòu)建了河道在線含沙量監(jiān)測系統(tǒng)。趙軍等[4]利用TES-71 進(jìn)行懸沙在線監(jiān)測，該系統(tǒng)實時監(jiān)測含沙量與人工實測吻合非常好。為實時監(jiān)測姚江懸移質(zhì)泥沙時空分布、探求懸沙運(yùn)動規(guī)律，姚江大閘水文站采用TES-91 泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)含沙量在線監(jiān)測。

1 TES-91 泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)簡介

1.1 TES-91 泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

姚江大閘水文站泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由TES-91 泥沙監(jiān)測儀、泥沙分析模塊，數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)（含 RTU）、供電系統(tǒng)和安裝支架等組成（見圖1）。TES-91 泥沙監(jiān)測儀連續(xù)精確測定水體中的懸移質(zhì)泥沙含量，通過RS485 總纜與遙測終端（RTU）相連，采集數(shù)據(jù)由遙測終端通過4G 發(fā)送到中心站，采集和傳輸采用太陽能供電，實現(xiàn)實時在線監(jiān)測。TES-91 泥沙監(jiān)測儀安裝在單沙點(diǎn)或者具有斷沙代表性的點(diǎn)，通過建立單沙點(diǎn)與斷面平均含沙量的關(guān)系，經(jīng)比測得到斷面平均含沙量，適用于測量天然河道、渠道、水庫等懸移質(zhì)泥沙含量不超過120 kg/m3的水體。

圖1 TES-91 泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 TES-91 泥沙監(jiān)測儀工作原理

TES-91 泥沙監(jiān)測儀是基于組合紅外吸收散射光線法，通過逆投影成像技術(shù)，測定水體中的懸移質(zhì)泥沙含量并直接輸出數(shù)據(jù)。TES-91 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。通過2 個感光器接收強(qiáng)度，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。根據(jù)不同流域?qū)鞲衅鬟M(jìn)行分大類來標(biāo)定分析，并將逆投影成像技術(shù)計算方法寫進(jìn)傳感器軟件，提高了不同泥沙的測量精確度。

1.3 TES-91 泥沙監(jiān)測儀的安裝

姚江大閘水文站TES-91 泥沙監(jiān)測儀（見圖2）安裝在水位臺外側(cè)，通過制作不銹鋼安裝支架依托水位臺基礎(chǔ)進(jìn)行固定安裝，入水深度約1 m（見圖3）。當(dāng)采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?；騻鞲衅餍枰S護(hù)時，泥沙監(jiān)測儀可通過不銹鋼支架上的導(dǎo)軌提出水面。

圖2 TES-91 泥沙監(jiān)測儀

圖3 姚江大閘水文站泥沙監(jiān)測儀安裝圖

2 比測率定分析

2.1 含沙量率定方法

通過同位置同時間人工采集與TES-91 泥沙監(jiān)測儀的單點(diǎn)含沙量進(jìn)行相關(guān)分析，檢驗TES-91 泥沙監(jiān)測儀監(jiān)測的單點(diǎn)含沙量穩(wěn)定性。通過人工采集計算得到的斷面平均含沙量與TES-91 泥沙監(jiān)測儀的單點(diǎn)含沙量進(jìn)行率定分析，建立單點(diǎn)含沙量與斷面平均含沙量率定關(guān)系。

含沙量水樣的人工采集采用 XCL 橫式取樣器進(jìn)行，室內(nèi)測定采用重量法。單點(diǎn)含沙量水樣人工采集在儀器安裝位置附近進(jìn)行；垂線采樣采用層次積點(diǎn)法，每條垂線含沙量人工取樣起訖時間和流量監(jiān)測同步，流量監(jiān)測采用走航式ADCP[5]，由垂線平均含沙量和分塊流量計算得到斷面平均含沙量。人工取樣分別安排在 2022 年 4 月2 日、5 月29 日、5 月 31 日、6 月 1 日、6 月 3 日、6 月 6 日開閘放水期間進(jìn)行。

2.2 穩(wěn)定性分析

通過資料整編和化驗分析，共獲取人工采集單點(diǎn)含沙量與同步的TES-91 泥沙監(jiān)測儀的單點(diǎn)含沙量共31 組數(shù)據(jù)，建立人工采集單點(diǎn)含沙量與在線監(jiān)測單點(diǎn)含沙量關(guān)系曲線，見圖4。

圖4 姚江大閘水文站單點(diǎn)含沙量人工采集與在線監(jiān)測關(guān)系曲線圖

根據(jù) SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》要求，對上述回歸方程進(jìn)行定線精度分析與關(guān)系曲線三線檢驗，得出實測點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差Se=5.08%，隨機(jī)不確定度 2Se=10.16% ≤18%，系統(tǒng)誤差|0.062%|≤2%，符合規(guī)范中規(guī)定的一類精度水文站定線精度要求。因此，姚江大閘水文站單點(diǎn)含沙量在線監(jiān)測設(shè)備較為穩(wěn)定可靠。

2.3 斷沙與單沙率定分析

姚江大閘水文站斷面共布設(shè) 5 條垂線進(jìn)行含沙量水樣人工采集。

經(jīng)資料整編和化驗分析后共獲取60 組有效測次數(shù)據(jù)，其中斷面平均含沙量變幅為 0.025～0.060 kg/m3，單點(diǎn)含沙量變幅為 0.025～0.058 kg/m3，水位變幅為 0.77～1.43 m，流量變幅為 32～547 m3/s。

通過數(shù)據(jù)資料整編獲得的斷面平均含沙量與同步的TES-91 泥沙監(jiān)測儀的單點(diǎn)含沙量共60 組數(shù)據(jù)，建立斷面平均含沙量與單點(diǎn)含沙量的關(guān)系曲線，見圖5。

圖5 姚江大閘水文站斷面平均含沙量與單點(diǎn)含沙量關(guān)系曲線圖

根據(jù)SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范 》要求，對上述回歸方程進(jìn)行定線精度分析與關(guān)系曲線三線檢驗，得出實測點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差Se=6.11%，隨機(jī)不確定度 2Se=12.22% ≤18%，系統(tǒng)誤差|0.349%|≤2%，符合規(guī)范中規(guī)定的一類精度水文站定線精度要求。

1）符號檢驗：n=60，k=29（k為正號個數(shù)），u=0.13＜1.15（顯著性水平α=0.25），符號檢驗通過。

2）適線檢驗：n=60，不變換符號“0”次數(shù)為25，變換符號“1”次數(shù)k為34，k＞0.5（n-1）,不做此檢驗。

3）偏離數(shù)值檢驗：n= 60，平均相對偏離值ΔP=0.349%，ΔP的 標(biāo) 準(zhǔn) 差SΔP=0.78%，統(tǒng) 計 量t=0.446，|t|=0.446＜1.30（顯著性水平α=0.20），認(rèn)為合理，偏離數(shù)值檢驗通過。

上述3 種方法對斷面平均含沙量與單點(diǎn)含沙量關(guān)系曲線的三線檢驗，全部達(dá)到 SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》要求，認(rèn)為定線正確。

3 結(jié) 論

1）姚江大閘水文站懸移質(zhì)泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，在線監(jiān)測單點(diǎn)含沙量與斷面平均含沙量相關(guān)關(guān)系較好，實時監(jiān)測的單點(diǎn)含沙量經(jīng)換算得到的斷面平均含沙量數(shù)據(jù)可供有關(guān)部門參考使用。

2）根據(jù)SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》，實測輸沙率最大相應(yīng)單沙為最大實測單沙的 50%以上時，可做高沙延長，單沙關(guān)系為曲線時，延長幅度不應(yīng)超過實測最大單沙的 30%，因此本斷面與單點(diǎn)含沙量關(guān)系曲線的適用范圍為0.025～0.076 kg/m3。

3）每年對率定關(guān)系線進(jìn)行5 次以上校測，根據(jù)SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》規(guī)定，若未通過t檢驗或者泥沙監(jiān)測儀安裝位置發(fā)生變動時，需要重新比測率定，獲取新的關(guān)系線。

4）姚江大閘水文站所處姚江出口受姚江大閘控制，大閘未排水時所處斷面水體基本靜止，泥沙監(jiān)測儀易受生物附著影響實測數(shù)據(jù)精度，需對泥沙監(jiān)測儀進(jìn)行定期清洗維護(hù)。