徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)與應用

摘 要： 徑流含沙量是水文和水土保持監(jiān)測的重要指標。傳統(tǒng)的含沙量測量方式無法及時獲取全過程動態(tài)數(shù)據(jù)，效率低、準確性差。目前的徑流泥沙監(jiān)測設備主要適用于徑流觀測小區(qū)、溝道和河道等應用場景，只有個別設備適用于生產(chǎn)建設項目，此外還存在安裝復雜、運維難度大等問題。選擇峰值波長940 nm左右的普通紅外發(fā)光二極管作為紅外光源，研制透射式紅外泥沙傳感器，并對傳感器輸出信號和含沙量進行標定試驗，建立光電信號與含沙量的回歸模型，利用回歸模型驗證泥沙傳感器的測量范圍和精度；在此基礎上研發(fā)的徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)，可以在線對含沙量不超過60 kg/m3的持續(xù)性徑流，或間歇性徑流的含沙量、徑流量和泥沙總量等數(shù)據(jù)進行全過程的動態(tài)統(tǒng)計分析，以及根據(jù)相關指標設置警戒數(shù)值和預警信號，對水土流失、泥沙危害進行預警；系統(tǒng)適用于生產(chǎn)建設項目、徑流觀測小區(qū)和小流域溝（河）道等不同應用場景，可實現(xiàn)全過程、全流量、高精度的徑流泥沙監(jiān)測。

關鍵詞： 徑流泥沙；智慧監(jiān)測系統(tǒng)；研發(fā)與應用

中圖分類號： S157" 文獻標識碼：A"" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.01.011

引用格式： 趙方瑩，鞏瀟，李楓，等.徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)與應用[J].中國水土保持，2025（1）：41-44，50.

徑流含沙量是水文和水土保持監(jiān)測的重要指標，連續(xù)、準確、快速地測量含沙量對于開展土壤侵蝕研究、加強水土保持工作、控制水土流失問題、保障水利工程安全運行等具有重要意義[1-2]。含沙量的測量方法較多，徑流觀測小區(qū)、溝道卡口站、河道斷面的含沙量一般通過人工取樣后烘干稱量的方法進行測量，測量結果隨機性較大，且烘干時間較長，效率低、誤差大。傳統(tǒng)的生產(chǎn)建設項目含沙量測量方法包括徑流小區(qū)觀測法、侵蝕溝體積量測法、側釬樁釘法、沉積泥沙稱重法等[3]，這些方法均需要人工操作，測量結果的準確性受監(jiān)測人員的專業(yè)水平影響較大，常出現(xiàn)誤差較大的情況。目前，利用無人機、三維激光掃描的遙感監(jiān)測方法逐漸得到應用，遙感監(jiān)測方法技術含量、準確性較高，但操作比較復雜，需要大量內(nèi)業(yè)工作，對監(jiān)測人員的技術水平要求較高[4]。

根據(jù)《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡建設方案》及《全國水土保持信息化規(guī)劃（2013—2020年）》，國家級水土保持監(jiān)測點升級被列為重點建設項目，擬開展監(jiān)測點數(shù)據(jù)采集智能化升級，配置自動化監(jiān)測設備。2022年12月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)的《關于加強新時代水土保持工作的意見》，提出建立水土保持監(jiān)測設備計量制度，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量；推進現(xiàn)代信息技術與水土保持深度融合，提高管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化水平，促進科技成果轉(zhuǎn)化和技術推廣。傳統(tǒng)的含沙量測量方式需要人工操作，效率低、誤差大，無法獲取全過程動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，不能做到監(jiān)測數(shù)據(jù)實時在線，制約了水土保持工作的效率。因此，筆者團隊基于泥沙傳感器和數(shù)據(jù)平臺建立了徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)，適用于生產(chǎn)建設項目排水口、徑流觀測小區(qū)、溝道卡口站、河道斷面等多種應用場景，可實現(xiàn)全過程、全流量、高精度、智慧化的徑流泥沙監(jiān)測。

1 智慧化徑流泥沙監(jiān)測設備研發(fā)進展

受限于泥沙組成復雜、監(jiān)測環(huán)境多樣、數(shù)據(jù)采集效率低、市場空間小等因素，徑流泥沙監(jiān)測設備尤其是智能化監(jiān)測設備十分稀缺。目前常見的含沙量測量方法有烘干稱重法、γ射線法、振動法、超聲波法、電容法、光電法、激光法等[1-2，5]。展小云等[2]基于體積-質(zhì)量轉(zhuǎn)換原理研發(fā)了含沙量測量儀器，張勇等[4]基于比重法研發(fā)了含沙量測量設備，這些基于改良稱重法的含沙量測量儀器主要適用于徑流小區(qū)，在溝道應用場景下需配置動力泵進行提升作業(yè)再取樣測量，操作復雜，并需建設配套管理用房等設施，而生產(chǎn)建設項目一般難以滿足稱重式設備的安裝高差等空間要求。夏兵等[6]根據(jù)光的透射及散射原理，研發(fā)了具有智慧監(jiān)測功能的徑流泥沙測定設備，并在深圳市生產(chǎn)建設項目中進行了示范應用；這類光電式含沙量監(jiān)測設備可測量的含沙量范圍較小，無法測量高徑流含沙量，還存在安裝復雜、維護難度高等缺點，使其推廣應用受到限制。此外，還有一些含沙量測量設備仍處于研發(fā)階段，屬于實驗室理想狀態(tài)下的測試產(chǎn)品，還未在野外復雜環(huán)境條件下進行驗證，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，市場化程度低，生產(chǎn)維護成本較高；部分產(chǎn)品缺乏無線傳輸能力和實時監(jiān)測能力，無法實現(xiàn)徑流泥沙全過程動態(tài)監(jiān)測[4-5]。

利用泥沙傳感器集成相關自動監(jiān)測設備，將監(jiān)測獲取的含沙量傳輸至數(shù)據(jù)管理平臺進行存儲、處理等，可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享應用。趙軍等[7]提出了一種新型的含沙水流流量自動觀測方法和測量系統(tǒng)，利用電子技術、機械制造技術，標定并驗證了一種基于拉力傳感的新型徑流觀測裝置，開發(fā)的數(shù)據(jù)采集器和計算機管理軟件可以方便地實現(xiàn)自動觀測和遠程控制，適用于徑流小區(qū)的流量過程觀測。劉琳等[8]研發(fā)了一種適用于徑流小區(qū)的自動觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了量水堰、水位計和泥沙傳感器，并配套了數(shù)據(jù)自動采集、存儲和傳輸設備。2014年，長春工程學院和吉林省水土保持科學研究院聯(lián)合申報了“徑流含沙量實時測量裝置及測量方法”發(fā)明專利；然而，監(jiān)測設備和數(shù)據(jù)管理平臺的集成需要依托多個專業(yè)支撐，目前僅有少數(shù)產(chǎn)品且只具有數(shù)據(jù)的初步收集、存儲和傳輸功能，只適用于徑流小區(qū)應用場景。

2 徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)組成及原理

隨著新技術的飛速發(fā)展，筆者團隊研發(fā)的智慧化泥沙監(jiān)測設備和集成系統(tǒng)以泥沙傳感器為基礎，配套無線傳輸單元，可將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至在線數(shù)據(jù)管理平臺，實現(xiàn)全過程實時監(jiān)測、實時傳輸。

2.1 徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)功能目標及組成

徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)的功能目標是實時、連續(xù)測量徑流泥沙量，且體量小、安裝便捷。系統(tǒng)的硬件包括泥沙含量傳感器、水位計、控制箱、監(jiān)控系統(tǒng)、雨量計（氣象站）、太陽能供電系統(tǒng)、立桿及安裝支架等，各硬件功能見圖1。各硬件組成了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、預警預報系統(tǒng)，分為PC端和手機端，可應用于徑流小區(qū)、小流域溝（河）道和生產(chǎn)建設項目徑流泥沙實時監(jiān)測，為建設單位、監(jiān)測單位、監(jiān)管單位水土保持工作提供支撐。

2.2 泥沙傳感器測量原理

泥沙傳感器是徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)的基礎，監(jiān)測系統(tǒng)采用紅外光透射法泥沙傳感器，其測量原理是：當傳感器發(fā)出的紅外光照射含沙水流時，一部分被水流及泥沙顆粒散射和反射，另一部分透射穿過含沙水流，在不同含沙量的水流中，穿透水體的紅外光線強度會有所不同。根據(jù)水體中含沙量對光透射衰減的影響規(guī)律，通過標定傳感器建立不同含沙量與透射光產(chǎn)生電壓信號強度的對應關系。根據(jù)相關研究[1，9]，選擇峰值波長940 nm左右的普通紅外發(fā)光二極管作為紅外光源，研制透射式紅外泥沙傳感器，并對傳感器輸出信號和含沙量進行標定試驗，再結合不同土壤類型、粒徑差異的數(shù)據(jù)庫，建立光電信號與含沙量的回歸模型，利用回歸模型驗證傳感器的測量范圍和精度。

2.3 測試與檢驗

1）測試。在實驗室中采用高嶺土均質(zhì)土樣，通過稱量依次配置質(zhì)量濃度為5、15、25、50、75、95、120、140、165、185、205、230 kg/m3的泥沙混合溶液，在水杯中進行靜態(tài)試驗，根據(jù)不同濃度含沙量與對應含沙水流傳感器輸出光電信號數(shù)據(jù)的關系，建立輸出電壓-含沙量關系模型。實際含沙量為單位含沙水體中泥沙的質(zhì)量，換算公式為

C=Cd×11+Cd/ρs（1）

式中：C為實際含沙量，單位kg/m3；Cd為設計含沙量，單位kg/m3；ρs為泥沙顆粒密度，單位kg/m3，在本試驗中取2.65×103 kg/m3。

2）檢驗。在室外采用260目過篩均質(zhì)壤土，利用自制徑流泥沙試驗循環(huán)水槽（見圖2），用稱重法配置特定含沙量的泥水進行不同濃度泥水的檢驗。稱量依次配置質(zhì)量濃度為5、10、20、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75 kg/m3的泥水，在試驗中待水槽水流運轉(zhuǎn)穩(wěn)定、懸浮泥沙均勻分布時讀取泥沙傳感器數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定時讀取數(shù)值。同一濃度含沙量讀取3次數(shù)值取平均值。試驗中當含沙量大于50 kg/m3時泥水在循環(huán)水槽發(fā)生明顯沉積。然后采用自制的可調(diào)坡度不銹鋼滑槽進行檢驗，用稱重法配置質(zhì)量濃度為5、10、20、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75 kg/m3泥水進行試驗，通過人工3次重復迅速傾倒，形成快速高含沙水流，在水槽下部設置水桶回收泥水。在水流通過期間讀取傳感器上穩(wěn)定的含沙量數(shù)值，讀取3次數(shù)值取平均值，并對收集桶內(nèi)泥水進行人工取樣（見圖3）、烘干稱量，用于對泥沙傳感器進行多重校準。

經(jīng)自制徑流泥沙試驗循環(huán)水槽、自制可調(diào)坡度不銹鋼滑槽試驗、烘干稱重法檢驗，含沙量過大會有泥沙沉積，當含沙量大于60 kg/m3時不再遵循數(shù)學回歸模型。這也驗證了泥沙傳感器測定的只是泥水中的懸移質(zhì)，不包含推移質(zhì)部分。通過多重手段檢驗回歸模型，進行參數(shù)修正，最終確認回歸模型。根據(jù)不同土壤類型、不同粒徑組成、不同比重，經(jīng)大量數(shù)據(jù)試驗，已經(jīng)初步形成數(shù)據(jù)庫，可為不同土壤條件下的設備參數(shù)標定提供支撐。

2.4 數(shù)據(jù)平臺

在云端設置數(shù)據(jù)平臺，用于接收、貯存各傳感器遠程傳輸?shù)膹搅髂嗌硵?shù)據(jù)信息。平臺服務器經(jīng)過初步數(shù)據(jù)處理分析，實時獲取各項指標數(shù)據(jù)。在現(xiàn)場控制箱顯示屏選擇測流堰槽類型，在數(shù)據(jù)平臺根據(jù)自計水位計現(xiàn)場讀數(shù)，按照測流堰槽類型，自動計算徑流總量。再通過泥沙傳感器上含沙量與徑流量的即時讀數(shù)，應用換算公式和微積分法獲得徑流含沙量。系統(tǒng)能夠在線對不同時段的持續(xù)或間歇性徑流的含沙量、徑流量和泥沙總量等數(shù)據(jù)進行全過程、動態(tài)統(tǒng)計分析，以及根據(jù)相關指標設置警戒數(shù)值和預警信號，對水土流失、泥沙危害進行預警，提高徑流泥沙監(jiān)測的精準性和分析利用的高效性。

2.5 技術特性及參數(shù)

徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)準確率高、誤差較低，可進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、遠程獲取實時數(shù)據(jù)、實時預報預警等，也可自動進行數(shù)據(jù)備份，依靠太陽能/蓄電池供電系統(tǒng)實現(xiàn)24 h不間斷在線監(jiān)測，利用云計算技術實現(xiàn)水土流失監(jiān)測的智能化、自動化和精準化。其技術參數(shù)見表1，實物照片見圖4。

3 徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)應用場景

徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)可以適用于多種應用場景，包括生產(chǎn)建設項目、徑流觀測小區(qū)和小流域溝（河）道，不同的應用場景需要有不同的配置安裝方案。為了能夠通過透射光來有效測量徑流泥沙量，在安裝時，應保證泥沙傳感器埡口順著水流方向；對于小流量的過流斷面，應盡量將泥沙傳感器頭部接近堰槽底部，但又不發(fā)生接觸。

1）生產(chǎn)建設項目。監(jiān)測系統(tǒng)應用在生產(chǎn)建設項目時，要保證項目監(jiān)測區(qū)的地表徑流相對封閉，需要與沉沙池、巴歇爾槽或量水堰結合使用，在臨時沉沙池下游、項目區(qū)地表徑流主要輸出口安裝設備。對于點式生產(chǎn)建設項目可以進行整體監(jiān)測或分區(qū)監(jiān)測，對于線性生產(chǎn)建設項目可根據(jù)監(jiān)測分區(qū)選擇典型段進行監(jiān)測。自項目開工起安裝，項目竣工結束后拆除，強化生產(chǎn)建設項目施工全過程、全流量的徑流泥沙監(jiān)測。圖5為徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)在北京順義區(qū)林?？圃崔r(nóng)業(yè)園項目的應用場景。

2）徑流觀測小區(qū)。在徑流觀測小區(qū)應用時，應注意含沙量量程及集流槽推移質(zhì)泥沙的計算處理。利用巴歇爾槽結合自計水位計進行流量監(jiān)測，為保證測流的精準性，需對巴歇爾槽進行封閉化處理，以克服人工隨機取樣造成的誤差，提高精準度。圖6（a）、（b）分別為徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)在北京門頭溝區(qū)龍鳳嶺水土保持科技示范園和河南南陽南水北調(diào)渠首水土保持科技示范園的應用場景。

3）小流域溝（河）道。在溝（河）道安裝泥沙傳感器設備時，易有垃圾等漂浮物的監(jiān)測場地應在上游設置截污攔污柵欄，有大型沖積物的應設置防沖防撞設施。在溝（河）道的監(jiān)測可與水文監(jiān)測站監(jiān)測工作結合，以完善水利監(jiān)測指標。對于尺寸較大的河道斷面，需多點布置泥沙傳感器。圖7（a）、（b）分別為徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)在河北易縣崇陵水土保持科技示范園和重慶縉云山水土保持監(jiān)測試驗站的應用場景。

4 結束語

筆者團隊研發(fā)的基于透射式紅外泥沙傳感器的徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)在線對含沙量不超過60 kg/m3的持續(xù)性徑流，或間歇性徑流的含沙量、徑流量和泥沙總量等數(shù)據(jù)的全過程動態(tài)監(jiān)測分析，并可以根據(jù)相關指標設置警戒數(shù)值和預警信號，對水土流失、泥沙危害進行預警。監(jiān)測系統(tǒng)適用于生產(chǎn)建設項目、徑流小區(qū)和小流域溝（河）道等不同應用場景，實現(xiàn)全過程、全流量、高精度徑流泥沙監(jiān)測，克服了傳統(tǒng)監(jiān)測方式不能做到監(jiān)測數(shù)據(jù)實時在線，無法及時獲取全過程動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及操作誤差大的問題，對支撐水文和水土保持科學研究等具有重要意義。

參考文獻：

[1] 雷廷武，張宜清，趙軍，等.近紅外反射高含沙量泥沙傳感器研制[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29（7）：51-57.

[2] 展小云，郭明航，趙軍，等.徑流泥沙實時自動監(jiān)測儀的研制[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33（15）：112-118.

[3] 湯召桃.提高生產(chǎn)建設項目土壤流失監(jiān)測精度的探討[J].中國水土保持，2020（6）：59-61.

[4] 張勇，李仁華，姚赫，等.水土保持自動監(jiān)測設備現(xiàn)狀及新設備研發(fā)[J].人民長江，2022，53（9）：43-48.

[5] 王訥敏，洪美玲，單帥，等.徑流泥沙監(jiān)測方法研究進展[J].亞熱帶水土保持，2023，35（2）：21-24，30.

[6] 夏兵，張禎堯，蔣達，等.生產(chǎn)建設項目含沙量智慧監(jiān)測設備研究與應用[J].中國水土保持，2024（2）：23-26.

[7] 趙軍，屈麗琴，趙曉芬，等.稱重式坡面徑流小區(qū)水流流量自動測量系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23（3）：36-40.

[8] 劉琳，屈麗琴，雷廷武，等.徑流小區(qū)產(chǎn)流過程量水堰自動測量系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27（12）：79-83.

[9] 李勇濤，陳英智，李立新等.基于940 nm普通紅外光源的反射式泥沙測量傳感器研究[J].水土保持應用技術，2015（6）：10-12.

（責任編輯 李佳星）