OBS-3A濁度儀在含沙量測驗中的應用分析

鄧　才　　竺紅陽

(長江水利委員會水文局 長江中游水文水資源勘測局，湖北 武漢　420012)

?

OBS-3A濁度儀在含沙量測驗中的應用分析

鄧才竺紅陽

(長江水利委員會水文局 長江中游水文水資源勘測局，湖北 武漢420012)

摘要：通過水文纜道對測驗垂線及測點準確定位，OBS-3A濁度儀和橫式采樣器便可在同一位置同步測驗。利用采集測點的含沙量與相應濁度值，建立兩者的相關關系。分析影響濁度值變化的主要原因，基于OBS實測濁度值，推求含沙量的測驗成果是否滿足精度要求。研究表明，OBS-3A濃度儀可快速確定天然水體中的含沙量，且精度較高，具有一定的推廣應用價值。

關鍵詞：水文監測；OBS濁度儀;濁度;含沙量;比測

懸移質泥沙含量的測量是水文要素觀測中一項極其重要的內容。自三峽大壩蓄水以來，下游河段懸移質泥沙明顯偏少，經統計自治局(三)站2003～2013年資料，多年平均含沙量為0.154 kg/m3，最大含沙量為1.15 kg/m3，未超過5 kg/m3。研究表明，在水體泥沙含量小于5 kg/m3時，渾濁度與含沙量能得到較為理想的線性回歸關系。為探尋相應關系，長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局(以下簡稱“長江委水文中游局”)特選擇在自治局(三)站開展比測研究工作，分析建立線性方程，根據方程推算含沙量，然后對比實測含沙量進行誤差分析，以檢驗是否滿足測驗精度要求。

1　測站概況

自治局(三)站為西洞庭湖水系，為控制松滋河(中支)入洞庭湖的基本站。該站為二類精度流量站、二類泥沙站，采用水文纜道施測流量和含沙量。斷面平均含沙量采用單-斷沙關系曲線系數推求。懸移質含沙量測驗采用橫式采樣器取樣， 單位含沙量按2線1∶1垂線混合法取樣。2線分開處理，用算術平均法計算。

松滋河經松滋口匯入洞庭湖前為東、西2支，在瓦窯河水位站下游匯合后又分為東、中、西3支，其中流經官垸站為西支，流經自治局(三)站為中支，流經大湖口站為東支，以長江來水來沙為主。

2　實驗比測及在站比測

光學后向散射濁度計(Optical Back Scattering，OBS)是一種光學測量儀器,通過接收紅外輻射光的散射量監測懸浮物質。依據相關分析,建立水體濁度與泥沙濃度的相關關系,進行濁度與泥沙濃度的轉換,得到泥沙含量[1-2]。該法操作簡單,能夠快速、實時、連續測量。針對含沙量測量，本文將OBS-3A濁度儀推算含沙量與實測含沙量對比進行誤差分析，檢驗是否滿足測驗精度要求。

OBS-3A濁度儀和橫式采樣器均安裝在水文纜道鉛魚上方并始終保持在同一水平線上，通過U型比測架固定和平衡。OBS-3A濁度儀測驗數據采集與橫式采樣器取樣同步進行。儀器到達采樣位置后，水中停留3 min，再記錄測點的數據采集時間，將數據提取記錄時間后1 min的1個數據(此數據是連續20 s測量20次的平均值)作為該點的濁度值，在此開啟儀器數據采集的同時，橫式采樣器取樣。然后將儀器依次定位于垂線各測點，在每個采樣點至少停留80 s以上，保證采集到完整可靠的數據，做好有關測驗項目的記錄。

自2013年5月起至10月止，自治局(三)站共開展比測實驗53次。實驗期間測站實測含沙量為0.020～0.924 kg/m3，2013年測站最大含沙量為0.924 kg/m3，實驗基本涵蓋全年含沙量變幅，比測含沙量級分布均勻，代表性較強。

3　比測資料分析

水體渾濁度主要取決于水體懸移質泥沙濃度，其次是懸沙粒徑大小，同時還與顆粒形狀、表面的反射性能、水生生物、水沙顏色和氣泡等因素有關。

濁度T與含沙量Cw、顆粒比表面積S0的關系如下

(1)

式中，n、a、b均為經驗系數。

考慮到自三峽大壩蓄水清水下泄以來，長江中下游河道含沙量明顯減小。從自治局(三)站2003～2013年的泥沙顆粒分析資料來看，來沙組成以泥質顆粒為主。每年來沙特征較為穩定，多年平均中數粒徑為0.007 mm，最大中數粒徑為0.038 mm，年際、年內懸沙粒徑變化較小。同時，自治局(三)站測驗斷面水下地形基本穩定，河底高程年際無較大變動，這使得自治局(三)站含沙量與濁度值存在較為穩定的相關關系。

2013年6月9日至8月16日，由于自治局(三)站未測驗泥沙顆分，故測驗時段參照具有相同特質的官垸站顆分資料進行判斷分析。X軸表示含沙量，Y軸表示中數粒徑(D50)，Z軸表示濁度值，發現中數粒徑(D50)在0.005～0.015 mm變化，主要集中在0.007～0.009 mm,范圍詳見圖1。

圖1　比測過程各顆粒粒徑濁度和含沙量關系

3.1固定垂線單測點分析

如圖2所示， 2013年6月9日至8月16日，自治局(三)站起點距170 m、相對水深位置0.2處的含沙量與濁度值隨時間的變化過程基本一致，當含沙量增大時濁度值增大，當含沙量減小時濁度值減少，當含沙量達到峰值時濁度值也達到峰值，且含沙量與濁度值變化幅度基本一致。對含沙量與其相應濁度值進行擬合發現，濁度值與含沙量成單一的線性關系，相關系數R2=0.997 6，詳見圖2。

圖2　含沙量-濁度值變化過程(170-0.2)

分析其他垂線和測點均得到上述結論，含沙量與濁度值隨時間的變化過程基本一致，含沙量與濁度值成線性相關關系(詳見圖3～9)。對起點距170 m相對水深0.2與相對水深0.8處、起點距305 m相對水深0.2與相對水深0.8處每點進行相關分析和三線檢驗，其結果見表1。

圖3　含沙量-濁度值相關關系(170-0.2)

圖4　含沙量-濁度值變化過程(170-0.8)

圖5　含沙量-濁度值相關關系(170-0.8)

圖6　含沙量-濁度值變化過程(305-0.2)

圖7　含沙量-濁度值相關關系(305-0.2)

圖8　含沙量-濁度值變化過程(305-0.8)

圖9　含沙量-濁度值相關關系(305-0.8)

3.2相同水深測點混合分析

將起點距170 m與305 m的相對水深0.2處合并為0.2系列，起點距170 m與305 m相對水深0.8處合并為0.8系列，對兩個系列數據進行相關分析和三線檢驗，其結果見表2。

表1　固定垂線單測點相關分析和三線檢驗結果

表2　系列相關分析和三線檢驗結果

3.3所有測點混合分析

將所有比測點組成一個系列，并進行相關分析和三線檢驗后發現：比測數據出現連偏，離散程度大，致使符號檢驗、適線檢驗、標準差大于允許值，相對水深0.2與0.8處比測點呈不同系列，其相關關系見圖10與圖11。

圖10　含沙量-濁度值相關關系(0.2系列)

圖11　含沙量-濁度值相關關系(0.8系列)

對實測水樣中相對水深0.2處泥沙與相對水深0.8處泥沙進行分開處理后發現，單次測驗中單樣泥沙均以泥質細沙為主，懸沙粒徑變化幅度不大，相對水深0.8處泥沙水樣與相對水深0.2處泥沙水樣不同之處是含有小部分大顆粒黑沙。由于顆粒的大小和黑沙具有吸收紅外光的特性，使相對水深0.2處和相對水深0.8處含沙量與濁度值相應關系略有不同。在濁度值相同的情況下，顆粒粒徑大的對應的含沙量較大，顆粒粒徑小的對應的含沙量較小。

自治局(三)站測驗斷面垂向分布上受水流挾沙能力的影響有明顯變化，上層水樣含沙量粒徑小、下層水樣含沙量粒徑大。在測點混合分析時，OBS測得濁度值與含沙量不呈單值關系。

4　來沙過程模擬及相對誤差

鑒于自治局(三)站懸移質含沙量粒徑年際、年內變化較小，斷面橫向上懸沙粒徑分布比較均勻，OBS值與含沙量可分層建立含沙量(YSSC)與濁度值(XNTU)相關關系，線性方程形式如下[3]

YSSC=k×XNTU+t

(2)

式中，Y為含沙量,kg/m3;X為濁度值,NTU;k、t為常數。相對測點相對水深0.2處方程為YSSC(0.2)=0.001 770XNTU-0.041 14，相對測點相對水深0.8處方程為YSSC(0.8)=0.001 816XNTU-0.033 40。以2013年為例，實測含沙量與OBS推算含沙量見圖12。

圖12　實測含沙量與相應含沙量過程比較

懸沙濃度計算值與實測值之間的平均相對誤差可用下式計算

(3)

式中，Er是平均相對誤差；Cc、Cm是計算和實測的懸沙濃度，mg/L;N是數據個數。

自治局(三)站單次測驗實測斷面含沙量與擬合計算的單次含沙量相對誤差見圖13。

圖13　單次測驗實測含沙量與相應含沙量相對誤差

經計算，全部實驗測次的推算含沙量與實測含沙量的平均相對誤差為11.41%。測驗誤差主要來自含沙量小于0.1 kg/m3的測次。統計大于0.1 kg/m3測

次的系統誤差為3.9%，相對誤差小于10%的累計頻率為95.2%。從以上實驗結果來看，當含沙量大于0.1 kg/m3時，OBS測驗精度較高，可以投入使用。當含沙量小于0.1 kg/m3時，測驗相對誤差較大，但絕對誤差很小。如6月9日，實測斷面含沙量為0.064 kg/m3，擬合計算含沙量為0.039 kg/m3，實測值與擬合值之差為0.025 kg/m3，相對誤差為38.97%。從計算年輸沙量來看，不會對年輸沙總量造成影響。

5　結　論

(1) OBS-3A濁度儀能較好應用于監測沙峰，合理布置泥沙測驗測次，控制含沙量變化過程，對水文泥沙測驗的準確收集具有重要指導意義。

(2) 經OBS-3A濁度儀測驗，河道橫向懸沙粒徑分布比較均勻，垂向分布受水流挾沙能力的影響，針對上層水樣含沙量粒徑小、下層水樣含沙量粒徑大的測站，可按照不同的水深分層擬合濁度值與含沙量相關關系。

(3) 在水體泥沙含量大于0.1 kg/m3而小于1.00 kg/m3時，通過OBS-3A濁度儀可得到較為理想的線性回歸關系，懸移質含沙量測驗精度較高。

參考文獻：

[1]玉玨，徐駿.OBS-3A在懸移質含沙量測驗中的應用研究[J].人民長江，2015,46(18)：56-58.

[2]徐劍秋，吳良冰，王濤，等. OBS-3A 在線監測的方法與實踐研究[J].泥沙研究，2008,25(2)：28-31.

[3]張文祥，楊世倫.OBS 濁度標定與懸沙濃度誤差分析[J].海洋技術，2008,27(4)：5-8.

(編輯：朱曉紅)

收稿日期：2016-05-15

作者簡介：鄧才，男，長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局，助理工程師.

文章編號：1006-0081(2016)07-0004-04

中圖法分類號：P332.3

文獻標志碼：A