基于光學濁度儀的感潮河段泥沙在線監測

摘要：為了提高感潮河段泥沙監測水平，利用光學濁度儀在南京水文實驗站開展了含沙量施測精度、穩定性、可靠性的比測試驗，在監測系統兩個浮標位置安裝在線測沙儀，分析了濁度與測點含沙量及斷面平均含沙量的關系。結果表明：2023年3～8月南京水文實驗站在室外利用光學濁度儀采集數據確立的點濁度-斷面平均含沙量關系，通過了水文規范要求的定線精度檢驗，隨機不確定度為16.4%，系統誤差0.4%，滿足一類精度站要求，實現了實時含沙量、輸沙率的推求。采用光學濁度儀測驗懸移質含沙量可大幅度提高泥沙測驗的時效性，在線測沙系統可以實時反映出感潮河段泥沙特性規律。

關鍵詞：泥沙在線監測； 懸移質含沙量； 斷面平均含沙量; 感潮河段； 光學濁度儀

中圖法分類號：P335.1文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S2.002

文章編號：1006-0081（2024）S2-0004-05

0引言

河流懸移質泥沙含量是重要的水文參數之一，河流含沙量監測對于水利水電工程建設、水資源開發利用、水土流失治理、工農業取水用水和水文預報等意義重大。目前水文測量河流含沙量的主要方法是人工取樣，使用烘干稱重法計算含沙量，該方法從樣品的采集到分析，均需要大量人力、物力和時間的投入，而且測量周期長、操作過程繁瑣、勞動強度大，不能實時監測河流含沙量的變化，泥沙測驗成了制約水文全要素在線監測的瓶頸［1-2］。

隨著科學技術的發展，部分測站流量已實現了在線監測［3-4］。在線測沙研究取得一些成果，朱文祥等［5］在紅河流域元江站、梁如心等［6］在黃河流域三門峽站、鄧才等［7］在洞庭湖水系自治局（三）站、王玨等［8］在長江口徐六涇站等運用光學法和同位素法開展了多次嘗試；吳堯等［9］在深圳河口站進行了短期輸沙率的推算。為突破泥沙監測瓶頸，提高現代化水平，本文以感潮河段為研究對象，利用光學測沙法開展泥沙在線監測，并對含沙量數據進行整編。具體通過濁度傳感器比選、室內試驗率定、室外安裝測試等，利用光學濁度儀對含沙量精度、穩定性、可靠性進行比測，建立濁度與測點含沙量及斷面平均含沙量的關系。

1測沙原理及儀器結構

1.1測沙原理

濁度測量的原理主要包括朗伯-比爾定律以及水樣對光的散射作用，其中散射作用主要是瑞利散射和米氏散射［10-11］。當一束單色的平行光垂直通過一均勻吸光物質時，其吸收光強度與物質濃度和光線通過厚度成正比，而透射光強度與物質濃度和光線通過厚度成反比；在不考慮液體中顆粒大小的情況下，散射光的強度和液體濃度都是成正比［12］。

濁度的散射強度對泥沙粒徑較為敏感［13-14］，長江下游感潮河段泥沙顆粒分布相對集中。從2018～2022年斷面平均含沙量（圖1）看出，南京水文實驗站斷面平均含沙量大部分低于0.100 kg/m3，占全部測次的87.3%，最大斷面實測含沙量為0.240 kg/m3。2018～2022年懸移質斷面中值粒徑范圍為0.007～0.020 mm（圖2），其中小于0．015 mm的測次占93.8%。

1.2儀器結構

在線測沙系統由在線測沙儀（主機、電源及4G傳輸）、數據接收服務器、手機APP軟件及外置太陽能充電模塊等組成。其中，在線測沙儀主機包含光學濁度傳感器、數據采集傳輸控制模塊、傳感器清洗刷頭、防水外殼等。

2室內外比測實驗及合理性分析

2.1泥沙脈動

天然河流中泥沙脈動情況普遍存在［15］。圖3為泥沙脈動現象，圖中顯示了在南京水文實驗站測流斷面落潮期約1 h內，同一點持續30次取樣用烘干法測得的點含沙量數據，點含沙量范圍為0.089～0.250 kg/m3，采用的橫式采樣器為瞬時采樣器，無法避免脈動。

2.2室內比測

選擇一個能盛裝懸移質水樣的不透光容器，底部安裝磁力攪拌器，從而達到攪拌液體的目的。在線測沙儀入水樣深度可調節，要求濁度儀發射和接收信號的傳感器在懸移質水樣的水深中部，讀取濁度值，通過回歸分析得到濁度和含沙量之間的對應關系。

曾瑞 等基于光學濁度儀的感潮河段泥沙在線監測圖4為室內31個樣本點濁度與點含沙量建立的相關關系，復相關系數R2為0.982 8，相關性較好。采樣區域為南京水文實驗站中泓兩條垂線，為了擴大樣本范圍，橫式采樣器連續取樣約200 L，靜止沉淀一周后對水樣進行濃縮，利用分樣器連續分樣并編號，分別記錄相應點含沙量與點濁度值。實測點含沙量范圍為0.011～1.108 kg/m3，點濁度范圍為16.2～856.0 NTU。

2.3室外比測

2022年起，南京水文實驗站開始收集兩個在線測流浮標船［16］水下2 m位置水樣并計算點含沙量，與同測次斷面含沙量建立相關關系，共分析28測次。相關關系如圖5～7所示。

分析起點距1 595 m和1 115 m垂線平均含沙量-斷面平均含沙量相關性，以及兩垂線測點含沙量（水下2 m）-垂線平均含沙量相關性，研究垂線代表性和模型可行性。起點距1 595 m（在線測流/沙系統浮標1）測點含沙量-垂線平均含沙量相關性較好，復相關系數為0.924 3。起點距1 595，1 115 m（在線測流/沙系統浮標2）垂線平均含沙量-斷面平均含沙量相關性較好，復相關系數分別為0.974 3，0.938 9。

2023年2月完成在線測沙系統浮標船（起點距1 115，1 595 m）的安裝，測沙儀正式開始在室外收集數據。結合南京水文實驗站原取水方案，選取每次穩定時段，在測沙儀位置連續取水3次，每次2 000 mL，并記錄準確時間，收集對應時間測沙儀濁度數據，同時段測流按照7線21點選點法取水樣，計算全斷面平均含沙量。

結合室外的點濁度-點含沙量關系（圖8），與室內數據合并建立點濁度-點含沙量綜合定線公式如下。點含沙量=0.0011·點濁度+0.008（1）在在線測沙儀的水深位置進行取樣，用烘干稱重法計算點含沙量，分別建立點濁度與斷面平均含沙量的關系這種方法（精度優于原有方法）。原有方法為通過濁度計算點含沙量，再建立點含沙量與斷面平均含沙量的關系（圖9～10）的方法。濁度①（在線測沙1號）數據范圍為5.9～62.2 NTU，斷面平均含沙量范圍為0.015～0.086 kg/m3，點含沙量范圍為0.017～0.087 kg/m3。

3斷面含沙量分析計算

3.1相關性分析

圖11為測沙儀計算斷面平均含沙量與實測值對比。統計2023年3～8月浮標點濁度與斷面平均含沙量相關關系，采集數據共18組，建立浮標點濁度-斷面平均含沙量關系如下：斷面平均含沙量=0.000062·濁度②

+0.00116·濁度①+0.00756，

R²=0.9490 （2）

斷面平均含沙量=0.0012濁度①+0.0075，

R²=0.9480 （3）

斷面平均含沙量=0.0008濁度②+0.0179，

R²=0.7575 （4）

式中：濁度①和濁度②分別為起點距1 595，1 115 m測得的濁度。

根據SL/T 247-2020《水文資料整編規范》，計算流量輸沙率關系曲線的標準差和隨機不確定度［17］，三項檢驗均通過，隨機不確定度為16.4%，系統誤差0.4%，滿足一類精度站要求。

3.2數據處理及方案應用

結合儀器設備運行實際情況，剔除因漂浮物導致的短期數據跳變，對兩臺測沙儀濁度數據進行平滑處理（6組數據滑動平均），并根據相關性優先級，優先選擇濁度①+濁度②，見式（2）；其次為濁度①，見式（3）；再次為濁度2，見式（4）。傳感器收到5 min斷面數據后按照以上規則處理數據。感潮河段懸移質泥沙規律：含沙量周期特點明顯，且準周期內的最大含沙量出現時刻為水流由落潮向漲潮轉換后，最小含沙量出現時刻是在漲潮向落潮轉換時［18］。

4上下游合理性分析

根據公式（2）～（4），由測沙儀數據計算出每5 min 斷面平均含沙量，采用算術平均值計算逐日斷面平均含沙量，日斷面平均含沙量與在線測流系統推求的日平均流量相乘，得到日平均輸沙率。南京水文實驗站2023年7～9月斷面水文要素見圖12～14。

大通水文站位于南京水文實驗站上游約200 km，是長江下游干流最后一個徑流控制站，長江入海徑流量以該站斷面流量為準。大通至南京來水量主要指區間入江水量扣除引江水量以及跨流域調水量后的來水量。區間入流主要有西河、永安河、裕溪河；青通河；漳河、青弋江、水陽江；秦淮河；滁河等，這些河流多年匯入長江的水量平均約為210億m3，年平均流量約為665.9 m3/s。

將計算的南京水文實驗站平均含沙量、輸沙率與大通水文站對比，趨勢基本一致，統計值見表1。2023年7～9月南京水文實驗站由測沙儀計算月平均含沙量值分別為0.073，0.056，0.057 kg/m3，略小于大通水文站整編數據（根據單斷關系線計算）的0.086，0.059，0.061 kg/m3。

5結論

采用光學濁度儀法測驗懸移質含沙量可大幅度提高泥沙測驗的時效性，在線測沙系統可以實時反映出感潮河段泥沙特性規律，為科研和生產提供依據。南京水文實驗站室外2023年3～8月采集數據確立的點濁度-斷面平均含沙量關系，通過了水文規范要求的定線精度檢驗，滿足一類精度站要求，實現了實時推求含沙量、輸沙率。同時，因該區域總體含沙量較小，絕大多數小于0.100 kg/m3，加之泥沙本身的脈動及現行采用的橫式采樣器的瞬時誤差，使得個別測次推算含沙量與實測值相對偏差較大。實際應用中，可采用邊比測邊投產方式，對于超出比測范圍的沙量級，繼續在穩定測驗期間同步取水樣并記錄對應時間濁度值，同時增加大含沙量全潮測驗期對照取水。綜上，光學法泥沙在線監測可適用于感潮河段水文測站及一定范圍內的固定河道斷面，目前采用單一線定線法，后續可根據數據收集情況視需要分段定線。

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（編輯：江文）