TES-71 泥沙監(jiān)測系統(tǒng)在高州水文站的率定分析

楊魯斌

（廣東省水文局茂名水文分局，廣東茂名，525000）

河流懸移質(zhì)泥沙含沙量是重要的水文參數(shù)之一，河流含沙量監(jiān)測對于水利水電工程建設(shè)、水資源開發(fā)利用、水土流失治理、工農(nóng)業(yè)取水用水、水文預(yù)報等意義重大。當前主要依靠人工進行含沙量的測驗，此方法耗時長，且處理過程中易出錯，很難對含沙量進行快捷的監(jiān)測。為了解決傳統(tǒng)泥沙測量周期長，難以實現(xiàn)快捷、實時監(jiān)測河流含沙量變化的缺點，提升水文測報的智能化、自動化水平，在大量調(diào)研基礎(chǔ)上，廣東省水文局茂名水文分局決定開展TES-71 泥沙監(jiān)測系統(tǒng)的比測工作，探索其在轄區(qū)站點推廣使用可行性，以實現(xiàn)含沙量的實時監(jiān)測，減少人力、物力和時間投入，加速推進水文現(xiàn)代化的進程。

1 TES-71 泥沙監(jiān)測系統(tǒng)

國際上常用的泥沙監(jiān)測方法有：同位素放射法、光學(xué)測沙法、聲學(xué)測沙法、振動儀測沙法、電容式測沙法等，近幾年來國內(nèi)的泥沙測驗技術(shù)水平取得了突飛猛進的發(fā)展，監(jiān)測設(shè)備在技術(shù)上完全媲美國外品牌。

1.1 TES 系列泥沙監(jiān)測儀的應(yīng)用情況

TES 系列泥沙監(jiān)測儀由天宇利水信息技術(shù)成都有限公司研發(fā)生產(chǎn)，泥沙監(jiān)測儀是該公司的王牌產(chǎn)品之一。全國已有100 多套TES 系列泥沙監(jiān)測儀在水文站、水電站、高校野外臺站等應(yīng)用。針對國內(nèi)河道具有適用性更強更廣的特點，技術(shù)上有明顯優(yōu)勢，實時輸出含沙量，滿足水文現(xiàn)代化發(fā)展的需求。

1.2 泥沙監(jiān)測系統(tǒng)的組成

TES-71 泥沙監(jiān)測系統(tǒng)主要由水文纜道、泥沙監(jiān)測儀、泥沙監(jiān)測管理軟件、岸上數(shù)據(jù)接收模塊、電腦、瓶式采樣器、XUZ-DC-2 型多倉遙控采樣器等組成。

1.3 TES 系列泥沙監(jiān)測儀測量原理

TES 系列泥沙監(jiān)測儀基于組合紅外吸收散射光線法，根據(jù)算法能夠輸出含沙量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)快捷的監(jiān)測。

TES 泥沙監(jiān)測儀主要核心部件是：一個紅外發(fā)射光源和兩個不同角度（90°和135°）紅外接收傳感器構(gòu)成[1]。通過兩個紅外接收傳感器的電阻變化來判斷懸移質(zhì)反射強度，從而得出懸移質(zhì)在水體中的密度。通過在不同角度接收反射紅外光來判斷懸移質(zhì)的縱向密度與橫向密度，利用兩個密度值的線性重合最終得出懸移質(zhì)在水中的真實密度。對于不同懸移質(zhì)的本身密度和顏色的不同，如要提高儀器精度則需要同人工實測含沙量數(shù)值進行關(guān)系率定。TES-71 泥沙監(jiān)測儀工作原理見圖1，主要參數(shù)見表1。

圖1 TES-71 工作原理示意圖

表1 TES-71 泥沙監(jiān)測儀主要技術(shù)參數(shù)

2 測驗河段概況

2.1 測站基本情況

高州水文站建站于1946 年9 月，為鑒江干流中上游控制站，屬國家級水文站網(wǎng)規(guī)劃，是國家重要水文站，為國家長期收集鑒江干流水道的水文基礎(chǔ)信息、分析水文特性、河道演變等規(guī)律而設(shè)，為鑒江水旱災(zāi)害防御、供水安全、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)與保護、河道治理等服務(wù)。集水面積2 905km2，距河口123km。測驗項目有：水位、流量、懸移質(zhì)泥沙、降水、水質(zhì)。

該站上游約5km 處有秧地坡攔河壩一座，下游約2km 處有紅荔電站攔河壩一座，其對測驗影響較大。

2.2 測驗斷面情況與河流特性

高州水文站測驗河段比較順直，為沙質(zhì)河床，泥沙測驗為二類精度?；舅邤嗝嫔嫌渭s400m 處有彎道且有沙洲，下游2～3km 較為順直，其中下游約55m 處有大橋一座。主槽靠左岸，左岸上游為風化岸土，不易沖刷。受上下游攔河壩閘門啟閉及發(fā)電影響，測驗河段水位、流量變化頻繁、急劇。

該站實測最高水位32.46 m，實測最低水位22.05 m；實測最大流量3 290 m3/s，最小流量2.77m3/s；最大含沙量7.00 kg/m3，最小含沙量0.001 kg/m3。

2.3 大斷面變化分析

2013 年以前河床形態(tài)為“U”型，同年高州站下游約100m 處修建新橋，對河床影響較大，河床形態(tài)由“U”型變?yōu)槠癡”型，從2017 年開始測驗斷面形態(tài)已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

泥沙測驗斷面左岸為步行棧道，右岸為混凝土河堤。收集高州水文站2010-2022 年汛前實測大斷面成果資料，繪制多年大斷面圖（見圖2）。

圖2 高州水文站歷年大斷面圖

2.4 高州水文站單沙測驗現(xiàn)狀

單沙取樣位置位于基本水尺斷面起點距40.0m，采用瓶式采樣器，積深法取樣；或取樣位置位于基本水尺斷面起點距40.0m，采用橫式采樣器取樣，相對水深0.6處一點法取樣。

洪水期，單沙測次大于等于3 次，當含沙量變化大時，加密測次。汛期平水期2～5 天測驗一次，非汛期平水期5～10 天測驗一次。

3 儀器驗證階段

2019 年高州水文站引進TES-71 泥沙監(jiān)測儀，正式比測之前，為檢驗儀器穩(wěn)定性，于2019 年6 月20日至2019 年11 月31 日進行試驗性比測。

3.1 儀器穩(wěn)定性分析思路

（1）垂線平均含沙量（瓶式采樣器采樣，烘干法）與TES-71 纜道測沙同步比測，通過TES-71 儀器示值和同位置垂線含沙量樣本建立模型。

（2）控制變量對數(shù)據(jù)進行分析，將儀器置于清水和空氣中，通過數(shù)值變化，判斷儀器的穩(wěn)定性。

3.2 儀器數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析

收集含沙量樣本21 份（2019 年6 月20 日到9 月12 日）。將TES-71 示值與垂線實測含沙量建立相關(guān)關(guān)系，見圖3。結(jié)果顯示兩者相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)為0.994 1，符號檢驗u=0.22，適線檢驗U=0.22，=0.55，三項檢驗合格；隨機不確定度為33.8%，系統(tǒng)誤差為2.0%，隨機不確定度未滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）[2]5.3.5 中的規(guī)定。但考慮到相關(guān)性明顯，趨勢較好，可繼續(xù)進行測試。

圖3 泥沙監(jiān)測儀示值與垂線實測含沙量關(guān)系

3.3 儀器置于空氣中清水中穩(wěn)定性分析

為進一步對儀器的穩(wěn)定性進行判斷分別將TES-71 探頭放置于空氣中和清水中進行靜態(tài)數(shù)據(jù)采集，繪制時間與TES-71 示值變化關(guān)系圖，見圖4、圖5。數(shù)據(jù)穩(wěn)定，可以開展正式比測。

圖4 空氣中泥沙監(jiān)測儀示值與時間變化關(guān)系

圖5 清水中泥沙監(jiān)測儀示值與時間變化關(guān)系

4 正式比測階段

TES-71 泥沙監(jiān)測儀傳感器在相對水深0.6 處，采用一點法，橫式采樣器取水樣。

4.1 含沙量率定方法

（1）同位置點含沙量人工方法（在儀器旁采用橫式采樣器單獨取樣，利用烘干法所測取的含沙量）與TES-71 泥沙監(jiān)測儀數(shù)據(jù)同步比測，通過TES-71泥沙監(jiān)測儀數(shù)據(jù)和同位置點人工含沙量樣本建立模型。

（2）采用TES-71 泥沙監(jiān)測儀經(jīng)率定后的數(shù)據(jù)與同位置點人工含沙量樣本進行誤差分析，驗證相關(guān)關(guān)系模型的準確性[3]。

4.2 比測率定資料選取

2020 年含沙量小，比測時機差；且儀器設(shè)備處于升級階段，并未開展比測工作。2021 年7 月至2022 年7月開展同步比測工作期間共搜集到比測數(shù)據(jù)129 組。人工實測含沙量變化范圍為0.017～3.98kg/m3，2022 年有兩場較大洪水。收集數(shù)據(jù)其變化范圍可以代表高州水文站的單沙數(shù)據(jù)。比測期間泥沙監(jiān)測儀示值最小0.029kg/m3，最大3.94kg/m3。

4.3 率定分析

建立泥沙監(jiān)測儀示值與實測含沙量關(guān)系曲線圖，見圖6，可見兩者之間相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)R2=0.983 3，進行曲線檢驗未滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）[2]5.3.5 中規(guī)定。主要是低含沙量段數(shù)據(jù)散亂造成。

圖6 測沙儀示值與實測含沙量總體關(guān)系

建立泥沙監(jiān)測儀含沙量與實測含沙量關(guān)系曲線圖，發(fā)現(xiàn)關(guān)系曲線在泥沙監(jiān)測儀示值0.600kg/m3附近存在突變，分別繪制高低含沙量兩段關(guān)系線發(fā)現(xiàn)分界較為明顯。 在關(guān)系線上找出此特征點，為測點（0.611，0.167）。考慮到儀器特性，不同級別實測含沙量與泥沙監(jiān)測儀代表性不同問題，本站采用分段率定的方式進行分析。將關(guān)系曲線分為兩段，以泥沙監(jiān)測儀含沙量0.611kg/m3為節(jié)點（見圖7）。

圖7 測沙儀示值與實測含沙量分段關(guān)系

2019 年與2021-2022 年相比泥沙采樣設(shè)備由瓶式采樣器變更為多倉橫式采樣器，橫式采樣器由多組遙控標準橫式采樣器、無線遙控控制器、供電電源組成，可以完成多點多次采樣，提高了采樣效率；泥沙監(jiān)測儀也進行過相應(yīng)升級，整體結(jié)構(gòu)有較大改變。因此上述兩個時段關(guān)系曲線并不完全一致。

4.3.1 泥沙監(jiān)測儀示值≥0.611kg/m3的率定分析

建立TES-71 泥沙監(jiān)測儀含沙量與垂線實測含沙量的相關(guān)關(guān)系模型，得出關(guān)系曲線1，可見兩者之間相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)R2=0.993 7，見圖8。

圖8 中高含沙量時測沙儀示值與實測含沙量率定關(guān)系

統(tǒng)計分析泥沙監(jiān)測儀含沙量與實測含沙量兩者之間變化趨勢一致，吻合程度非常高。

對泥沙監(jiān)測儀含沙量≥0.611 kg/m3的40 組比測樣本進行關(guān)系曲線檢驗，樣本容量N=40，三項檢驗均為合格。隨機不確定度為17.4%，系統(tǒng)誤差為-1.2%，滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）[2]5.3.5 中規(guī)定隨機不確定度與系統(tǒng)誤差分別不超過20.0%、3%的要求（見表2）。

表2 關(guān)系曲線檢驗表

4.3.2 泥沙監(jiān)測儀示值＜0.611kg/m3的率定分析

繪制TES-71 泥沙監(jiān)測數(shù)據(jù)與實測含沙量的關(guān)系，得出曲線2，兩者之間相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)R2=0.814 4，見圖9。對泥沙監(jiān)測儀含沙量示值＜0.611kg/m3的89組比測樣本進行關(guān)系曲線檢驗，樣本容量N=89，隨機不確定度為81.0%，系統(tǒng)誤差為18.7%，檢驗結(jié)果不滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）[2]5.3.5中規(guī)定。

統(tǒng)計分析泥沙監(jiān)測儀含沙量與實測含沙量兩者之間變化趨勢基本一致，吻合程度較高，此區(qū)間實測含沙量跳動較大，認為是測驗及數(shù)據(jù)處理誤差和儀器算法未能適應(yīng)低含沙量環(huán)境所造成。

4.4 年輸沙量分析

4.4.1 含沙量時段特征

低含沙量時，含沙量受河流自身條件影響較大，且人工采樣、處理水樣等過程步驟繁多，每一步都存在誤差問題。并且低含沙量時，泥沙監(jiān)測儀受自身性能限制及環(huán)境影響，誤差相對較高，導(dǎo)致最終比測誤差較大。考慮到低含沙量期間的輸沙量對年輸沙量影響較小，認為有必要計算低含沙量數(shù)據(jù)占全年輸沙量的比重。

在整編軟件中對實測含沙量大于0.167kg/m3（0.167kg/m3為中高含沙量時段關(guān)系曲線1 與低含沙量時段關(guān)系曲線2 在y 軸交點） 的實測數(shù)據(jù)剔除做零處理，得出2013-2022 年各年的低含沙量時段輸沙量，計算結(jié)果見表3。收集1980-2022 年43 年年輸沙量數(shù)據(jù)，計算得到高州水文站多年平均輸沙量為43.5×104t。

表3 低含沙量期間的輸沙量占全年輸沙量占比

2013-2022 年低含沙量時段的輸沙量占年輸沙量的占比平均值為22.3%（由于2020 年和2021 年的年輸沙量遠低于多年平均輸沙量，故2020 年-2021 年數(shù)據(jù)不參與平均值統(tǒng)計），占比較低，對全年輸沙量影響不大。

4.4.2 低含沙量時段關(guān)系線反推輸沙量分析

通過低含沙量時段關(guān)系曲線2 公式計算得到各測點對應(yīng)的線上含沙量。建立線上含沙量與實測含沙量關(guān)系曲線，見圖10。根據(jù)關(guān)系曲線利用往年實測含沙量轉(zhuǎn)換推求線上含沙量，使用線上含沙量代替實測含沙量對2013-2022 年十年間低含沙量時段的輸沙量進行計算，得出一個轉(zhuǎn)換年輸沙量，進而對十年間各年輸沙量誤差進行分析。

圖10 實測含沙量與線上含沙量關(guān)系

對2013 年—2022 年十年間輸沙量進行轉(zhuǎn)換計算，見表4。由表可得：10 年數(shù)據(jù)平均相對誤差在±5%以內(nèi)，可見利用關(guān)系曲線2 進行輸沙量推求造成的誤差較小?？烧J為雖然低含沙量時段關(guān)系曲線2 不滿足相關(guān)規(guī)范精度要求，但用于推求年輸沙量滿足使用要求。

表4 轉(zhuǎn)換年輸沙量與實測輸沙量誤差表

5 結(jié) 論

（1）同傳統(tǒng)泥沙測驗與整編方法相比，TES-71 泥沙監(jiān)測儀具有安裝簡便，日常運行成本低、快捷、實時等優(yōu)點，簡化了泥沙測驗步驟，解放了生產(chǎn)力。

（2）泥沙監(jiān)測儀示值≥0.611kg/m3時比測效果較好可以滿足規(guī)范要求；泥沙監(jiān)測儀示值＜0.611kg/m3時雖然未滿足規(guī)范要求但關(guān)系較為清晰，低含沙量時段的輸沙量占年輸沙量的比重較低，利用關(guān)系曲線2反推輸沙量造成的誤差較小?？梢赃M一步比測探究，進行儀器算法的更新，嘗試改進比測方法，尋找兩者關(guān)系。

（3）泥沙監(jiān)測儀示值≥0.611kg/m3時高州水文站采用TES-71 泥沙監(jiān)測系統(tǒng)進行單樣含沙量監(jiān)測是可行的，懸移質(zhì)含沙量處于0.170～3.98kg/m3之間時，可以使用泥沙檢測儀進行單沙測驗，當懸移質(zhì)含沙量大于3.98kg/m3，需要及時收集樣本，恢復(fù)比測分析工作，調(diào)整優(yōu)化推算模型。