光電測沙儀在農(nóng)村渠道測驗中的應(yīng)用研究

摘 要：黃河具有含沙量高、流速大等特性。含沙量是黃河水文測驗的重要組成部分及綜合治理關(guān)鍵部分。近年來，隨著黃河水文測報能力提升的推進，對懸移質(zhì)含沙量實時在線監(jiān)測提出了更高要求。HHSW·NUG-1型光電測沙儀的研發(fā)應(yīng)用，更能快速、實時、準(zhǔn)確地反映水流的含沙量情況。但我國廣大農(nóng)村地區(qū)分布著較多渠道，其懸移質(zhì)含沙量測驗還采用傳統(tǒng)的人工測驗?zāi)Ｊ?，亟須在保障測驗精度的前提下實現(xiàn)實時在線監(jiān)測，從而節(jié)省人力、物力，提高測驗安全性。選取當(dāng)下先進的HHSW·NUG-1型光電測沙儀，以河南省三門峽市盧氏縣城關(guān)鎮(zhèn)大橋頭村洛北渠為例，探索光電測沙儀在農(nóng)村渠道測驗中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光電測沙儀；農(nóng)村渠道測驗；應(yīng)用研究

中圖分類號：P335 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）14-148-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.14.033

0 引言

近年來，隨著水文行業(yè)測報能力提升工作的推進，對懸移質(zhì)含沙量實時在線監(jiān)測提出了更高要求。HHSW·NUG-1型光電測沙儀的研發(fā)應(yīng)用，更能快速、實時、準(zhǔn)確地反映水流的含沙情況。但在我國廣大農(nóng)村，分布著較多渠道，其懸移質(zhì)含沙量測驗還采用傳統(tǒng)的人工測驗?zāi)Ｊ?，亟須在保障測驗精度的前提下實現(xiàn)實時在線監(jiān)測，從而節(jié)省人力、物力，提高測驗安全性。選取當(dāng)下先進的HHSW·NUG-1型光電測沙儀，以河南省三門峽市盧氏縣城關(guān)鎮(zhèn)大橋頭村洛北渠為例，探索光電測沙儀在農(nóng)村渠道測驗中的應(yīng)用。

1 HHSW·NUG-1型光電測沙儀概況

1.1 研究背景

HHSW·NUG-1型光電測沙儀由黃河水利委員會河南水文水資源局研發(fā)，采用光學(xué)散射的原理，與傳統(tǒng)的光學(xué)采用消光定律不同。該測沙儀就含沙量高、流速大的情況，設(shè)計了特殊硬件，分析了算法，突破了傳統(tǒng)意義上的光學(xué)測沙的適應(yīng)流速、測沙量程應(yīng)用范圍，實驗室中測試量程為0～730 kg/m3，應(yīng)用范圍滿足水文測驗及在線監(jiān)測的需求。該儀器在黃河花園口、夾河灘、小浪底等水文站已經(jīng)批復(fù)應(yīng)用，儀器工作穩(wěn)定，未出現(xiàn)故障。

我國廣大農(nóng)村地區(qū)分布著較多渠道，其懸移質(zhì)含沙量測驗還采用傳統(tǒng)的人工測驗?zāi)Ｊ?，亟須在保障測驗精度的前提下引進實時在線監(jiān)測測沙儀，從而節(jié)省人力、物力，提高測驗安全性。

1.2 工作原理

HHSW·NUG-1型光電測沙儀采用散射光式測量法，利用固體顆粒阻攔光線通過數(shù)量的差異，通過檢測與入射光多個角度的散射光強度，利用光強度與含沙量之間的相關(guān)關(guān)系，建立核心算法模型，由此計算得到含沙量數(shù)據(jù)。該儀器采用散射光（前向散射+背向散射）+透射光組合檢測的方式對國內(nèi)部分流域河流泥沙特性進行了研究分析，重點對黃河泥沙的水樣做了多年的試驗應(yīng)用研究，并進行了標(biāo)定；特別針對高含沙量、大流速的應(yīng)用環(huán)境特性，對核心光電組件、采樣控制模組等硬件上進行了特殊研制，采用高速脈沖式多檢測器相互校驗的采樣機制，在核心算法模型上進行重點研究，突破了傳統(tǒng)意義上的光學(xué)測沙對流速、量程要求的局限性，可以實現(xiàn)常年在線連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定且精度高。

1.3 儀器組成

1.3.1 主機

HHSW·NUG-1型光電測沙儀主機外觀如圖1所示。該主機外殼采用304不銹鋼防護，具備耐腐蝕性、高可靠性、高抗干擾性。

1.3.2 數(shù)據(jù)采集及通信終端

HHSW·NUG-1型光電測沙儀包括數(shù)據(jù)采集及通信終端。數(shù)據(jù)采集及通信終端可以定時采集、備份數(shù)據(jù)，具備數(shù)據(jù)直連、4G/5G網(wǎng)絡(luò)、北斗衛(wèi)星、數(shù)傳電臺等多種傳輸方式［1］。

1.4 儀器參數(shù)

儀器供電：DC12V，太陽能板、市電均可供電；探頭使用溫度：0～50 ℃；工作水深：20 m，超范圍可根據(jù)水深定制；測沙范圍：0.001～730 kg/m3；系統(tǒng)誤差lt;±1%；隨機誤差lt;±10%；標(biāo)準(zhǔn)差lt;5%；隨機不確定度lt;10%；信號饋線長度：100 m；采樣周期：市電供電設(shè)置為1～3 s，太陽能供電設(shè)置≥10 s；記錄周期：自定義設(shè)置，洪水期建議6 min；傳感器外部材質(zhì)：不銹鋼；推薦轉(zhuǎn)換系數(shù)：1.563 4，應(yīng)用時可根據(jù)需要調(diào)整；功耗：整機≤150 mA；預(yù)熱時間：10 s。

1.5 承載平臺

承載平臺分3種。第一種是柱體安裝類型，這種平臺主要安裝在橋梁等入水柱體上，通過自動升降系統(tǒng)，能夠隨著水位的變化實現(xiàn)自動升降，特別適用在水位變化幅度較大的水體上。第二種是鉛魚承載類型，這種平臺安裝在棧橋、纜道的鉛魚上。第三種是浮標(biāo)式安裝類型，這種類型選用專用浮標(biāo)進行安裝，適宜流速小、漂浮物少的水流環(huán)境，能夠隨著水位的漲落自動升降，且投資較少。在農(nóng)村渠道中，第三種浮標(biāo)式安裝類型更為常用，因為其方便簡潔，如圖2所示。

2 洛北渠概況

2.1 洛北渠基本情況

洛北渠位于河南省三門峽市盧氏縣城關(guān)鎮(zhèn)大橋頭村，處于東經(jīng)111°04′，北緯34°03′，矗于黃河支流洛河上。該觀測斷面在盧氏縣龍山路與迎賓路交叉口，距離渠首約12 km，距離渠尾約9 km。

洛北渠建于1976年1月，為洛河兩岸34 000 hm2農(nóng)田灌溉、火電站發(fā)電供水和其他公益性用水提供服務(wù)，對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)增收和地方經(jīng)濟發(fā)展做出巨大貢獻。

2.2 氣候特征

洛北渠屬伊洛河流域，位于暖溫帶山地季風(fēng)氣候帶，低空盛行風(fēng)向和相應(yīng)的盛行氣團會因季節(jié)的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致冬天干燥寒冷，夏天多雨炎熱。每年6月之后夏季風(fēng)逐漸活動，同時南方的暖濕空氣不斷北上，與冷空氣匯合，于是每年6月至9月此處會出現(xiàn)暴雨、大暴雨等情況。每年9月之后夏季風(fēng)逐漸南散，加上受來自西北冷高壓控制，降雨較少，步入枯水期。

2.3 河道及水沙特性

洛北渠為梯形渠道，渠道寬11.9 m，深2.42 m，渠底寬7.2 m。渠底、渠壁為混凝土。試驗點來沙主要取決于上游，水流速度大，渠內(nèi)不會發(fā)生泥沙淤積現(xiàn)象，由于測驗斷面地處縣城城區(qū)，渠道常年有生活垃圾，造成斷面沖淤變化大。洛河上游來水部分水量經(jīng)洛北渠道排向下游。

3 測驗方案

3.1 技術(shù)要求

根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》（GB/T 50159—2015）第2.3.7第1款的規(guī)定，在采用測沙儀進行測驗時，應(yīng)遵循以下步驟：使用儀器前，應(yīng)對其進行精確率定，并建立工作模型，確保符合相關(guān)技術(shù)要求［2］。

3.2 野外試驗

在野外試驗中，專業(yè)人員在室內(nèi)試驗提供的轉(zhuǎn)換系數(shù)參考值基礎(chǔ)上，率定出一個更符合觀測站實際且精度更高的轉(zhuǎn)換系數(shù)，從而形成一個穩(wěn)定可靠的工作模型。

儀器安裝：將光電測沙儀安裝在洛北渠距離渠首約12 km的觀測斷面上。試驗時，采用浮標(biāo)安裝光電測沙儀，在有沙時段，要求儀器能夠連續(xù)工作。

人工取樣：采用1 000 mL橫式采樣器，懸桿懸掛，在光電測沙儀探頭入水位置取樣，為減小泥沙脈動的影響，每次取樣不少于2次，取樣容積誤差不超過10%。

標(biāo)準(zhǔn)值：以1 000 mL橫式采樣器測得的含沙量作為標(biāo)準(zhǔn)值。

人工取樣泥沙處理：根據(jù)含沙量的大小及泥沙凈重，選擇置換法或烘干法處理，此次比測全部采用置換法。所用儀器主要為0.001 g感量的電子天平、不同容積的比重瓶等［3］。

4 試驗及分析

4.1 試驗情況

2024年7月至8月進行試驗，將光電測沙儀安裝在洛北渠斷面，3臺儀器測得含沙量為1.00～4.90 kg/m3。在試驗過程中，每次均按照要求進行5次人工取樣，隨后采用置換法對這些樣本進行含沙量的分析計算，并將所得結(jié)果與測沙儀提供的數(shù)據(jù)進行對比分析。

考慮到人工取樣與光電測沙儀取樣在時間點上會存在微小差異，這可能會導(dǎo)致兩者所測得的含沙量數(shù)據(jù)存在較大的偏差。在含沙量變化相對平緩的時間段內(nèi)，取樣的分布點相對較多；而在含沙量變化劇烈的時間段內(nèi)，取樣的分布點則相對較少。

4.2 分析方法

點—點相關(guān)分析，即利用光電測沙儀工作位置點的測量成果，以及在同一點位處的人工取樣測量成果，建立二者之間的相關(guān)關(guān)系，擬合出最優(yōu)相關(guān)關(guān)系式，以率定光電測沙儀的轉(zhuǎn)化系數(shù)［4］。

以光電測沙儀測得含沙量（原始值）為橫坐標(biāo)（x軸），以人工取樣測得含沙量為縱坐標(biāo)（y軸），繪制關(guān)系圖。添加趨勢線，類型選擇“線性”或“多項式”，截距設(shè)為0.0，顯示公式和R2。

R2是趨勢線擬合程度的指標(biāo)，也是相關(guān)系數(shù)，其數(shù)值大小可反映趨勢線的估計值與對應(yīng)的實際數(shù)據(jù)之間的擬合程度，擬合程度越高，趨勢線的可靠性就越高。R2的取值范圍為0～1，當(dāng)趨勢線的R2等于1時，其相關(guān)性最高，如圖3所示。

4.3 關(guān)系線檢驗及誤差統(tǒng)計指標(biāo)

《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247—2020）規(guī)定，對率定的關(guān)系線應(yīng)通過3項檢驗（符號檢驗、適線檢驗、偏離數(shù)值檢驗）。系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差、隨機不確定度要符合《水文資料整編規(guī)范》的規(guī)定［5］，如表1所示。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

此次試驗研究HHSW·NUG-1型光電測沙儀的范圍為1.00～4.90 kg/m3，經(jīng)比測，標(biāo)準(zhǔn)值含沙量在1.00～4.90 kg/m3時，洛北渠其內(nèi)置轉(zhuǎn)換系數(shù)為1.586 4，可滿足在該范圍內(nèi)的測驗及在線監(jiān)測的需求。

經(jīng)統(tǒng)計分析，該儀器系統(tǒng)誤差小于±3%，符合《水文儀器基本參數(shù)及通用技術(shù)條件》（GB∕T 15966—2017）和《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》的要求；隨機不確定度小于20%，滿足《水文資料整編規(guī)范》中單～斷沙關(guān)系線定線的相關(guān)規(guī)定，并通過適線檢驗、符號檢驗、偏離數(shù)值檢驗。

HHSW·NUG-1型光電測沙儀在觀測精度、穩(wěn)定性、在線監(jiān)測、校測方法、數(shù)據(jù)存儲、連續(xù)作業(yè)時長等方面滿足《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》的規(guī)定，通過對HHSW·NUG-1型光電測沙儀情況、洛北渠概況、測驗方案、相關(guān)分析等進行綜合分析，探索了洛北渠應(yīng)用HHSW·NUG-1型光電測沙儀實時在線監(jiān)測含沙量的情況，認為其可以在洛北渠應(yīng)用［6］。

5.2 建議

此次比測含沙量范圍為1.00～4.90 kg/m3，洛北渠往年含沙量較小，未來汛期來沙時，應(yīng)利用大沙機會進行延伸比測分析。

光電測沙儀安裝應(yīng)用后，要時常關(guān)注測沙儀運行情況及水草等漂浮物對儀器的不良影響。

此次比測采用點對點的方法率定測沙儀和人工取樣含沙量的相關(guān)系數(shù)，對于單樣采用垂線混合法取樣的渠道觀測站，先分析相對水深0.0、0.2或0.6處與垂線平均含沙量的轉(zhuǎn)化系數(shù)，然后將儀器探頭放置到相應(yīng)位置。測沙儀內(nèi)部可直接預(yù)置綜合系數(shù)K，見式（1）。

K=k*K1 " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式（1）中，k為光電測沙儀轉(zhuǎn)換系數(shù)；K1為觀測點轉(zhuǎn)換垂線平均含沙量系數(shù)。

在評價測沙儀的精度時，技術(shù)人員必須采用相同深度點的人工取樣含沙量來進行對比分析，不能將測點相對于斷面平均含沙量的代表性混淆在一起。如果這樣做，就無法準(zhǔn)確判斷是因儀器精度不夠，還是因測點不具備代表性而導(dǎo)致的問題。這種混淆可能會妨礙對儀器性能的準(zhǔn)確評估，進而導(dǎo)致儀器遲遲不能投入生產(chǎn)應(yīng)用［7］。

參考文獻：

［1］李澤鵬，李懿琪.光電測沙儀的應(yīng)用研究［C/OL］//中國水利學(xué)會減災(zāi)專業(yè)委員會.第十四屆防汛抗旱信息化論壇論文集（2024-03-01）［2024-03-15］.https：//read.cnki.net/web/Conference/Article/SJZW202403001049.html.

［2］中華人民共和國水利部.河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范GB/T 50159—2015［S］.北京：中國計劃出版社.

［3］王志勇，孫建民.HHSW·NUG-1型光電測沙儀的應(yīng)用研究［J］.甘肅水利水電技術(shù)，2021，57（10）：9-13.

［4］李楠.托克遜站HHSW-NUG-1型自動在線光電測沙儀比測分析［J］.陜西水利，2024（4）：63-64，70.

［5］中華人民共和國水利部.水文資料整編規(guī)范SL/T 247—2020［S/OL］.（2020-11-04）［2024-03-21］.http：//www.mwr.gov.cn/xw/sjzs/202011/t20201104_1462263.html.

［6］孫建民，李浩浩，孫世寧.HHSW·NUG-1型光電測沙儀監(jiān)測精度影響因素探析［J］.陜西水利，2023（10）：46-48，51.

［7］張建鋒.引黃灌區(qū)灌溉渠道激光測沙研究［J］.中國高新科技，2020（16）：146-148.