徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

摘 要： 徑流含沙量是水文和水土保持監(jiān)測的重要指標(biāo)。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(zhǔn)確性差。目前的徑流泥沙監(jiān)測設(shè)備主要適用于徑流觀測小區(qū)、溝道和河道等應(yīng)用場景，只有個別設(shè)備適用于生產(chǎn)建設(shè)項目，此外還存在安裝復(fù)雜、運(yùn)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(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，建立光電信號與含沙量的回歸模型，利用回歸模型驗(yàn)證泥沙傳感器的測量范圍和精度；在此基礎(chǔ)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(jìn)行全過程的動態(tài)統(tǒng)計分析，以及根據(jù)相關(guān)指標(biāo)設(shè)置警戒數(shù)值和預(yù)警信號，對水土流失、泥沙危害進(jìn)行預(yù)警；系統(tǒng)適用于生產(chǎn)建設(shè)項目、徑流觀測小區(qū)和小流域溝（河）道等不同應(yīng)用場景，可實(shí)現(xiàn)全過程、全流量、高精度的徑流泥沙監(jiān)測。

關(guān)鍵詞： 徑流泥沙；智慧監(jiān)測系統(tǒng)；研發(fā)與應(yīng)用

中圖分類號： S157" 文獻(xiàn)標(biāo)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(yīng)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(biāo)，連續(xù)、準(zhǔn)確、快速地測量含沙量對于開展土壤侵蝕研究、加強(qiáng)水土保持工作、控制水土流失問題、保障水利工程安全運(yùn)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(jìn)行測量，測量結(jié)果隨機(jī)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(shè)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(cè)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(jié)果的準(zhǔn)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(jī)、三維激光掃描的遙感監(jiān)測方法逐漸得到應(yīng)用，遙感監(jiān)測方法技術(shù)含量、準(zhǔn)確性較高，但操作比較復(fù)雜，需要大量內(nèi)業(yè)工作，對監(jiān)測人員的技術(shù)水平要求較高[4]。

根據(jù)《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)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(diǎn)升級被列為重點(diǎn)建設(shè)項目，擬開展監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)采集智能化升級，配置自動化監(jiān)測設(shè)備。2022年12月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)新時代水土保持工作的意見》，提出建立水土保持監(jiān)測設(shè)備計量制度，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量；推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與水土保持深度融合，提高管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化和技術(shù)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(shí)時在線，制約了水土保持工作的效率。因此，筆者團(tuán)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(shè)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(yīng)用場景，可實(shí)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(shè)備研發(fā)進(jìn)展

受限于泥沙組成復(fù)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(shè)備尤其是智能化監(jiān)測設(shè)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(shè)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(yīng)用場景下需配置動力泵進(jìn)行提升作業(yè)再取樣測量，操作復(fù)雜，并需建設(shè)配套管理用房等設(shè)施，而生產(chǎn)建設(shè)項目一般難以滿足稱重式設(shè)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(shè)備，并在深圳市生產(chǎn)建設(shè)項目中進(jìn)行了示范應(yīng)用；這類光電式含沙量監(jiān)測設(shè)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(fù)雜、維護(hù)難度高等缺點(diǎn)，使其推廣應(yīng)用受到限制。此外，還有一些含沙量測量設(shè)備仍處于研發(fā)階段，屬于實(shí)驗(yàn)室理想狀態(tài)下的測試產(chǎn)品，還未在野外復(fù)雜環(huán)境條件下進(jìn)行驗(yàn)證，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，市場化程度低，生產(chǎn)維護(hù)成本較高；部分產(chǎn)品缺乏無線傳輸能力和實(shí)時監(jiān)測能力，無法實(shí)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(guān)自動監(jiān)測設(shè)備，將監(jiān)測獲取的含沙量傳輸至數(shù)據(jù)管理平臺進(jìn)行存儲、處理等，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享應(yīng)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(shù)、機(jī)械制造技術(shù)，標(biāo)定并驗(yàn)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(jī)管理軟件可以方便地實(shí)現(xiàn)自動觀測和遠(yuǎn)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(shè)備。2014年，長春工程學(xué)院和吉林省水土保持科學(xué)研究院聯(lián)合申報了“徑流含沙量實(shí)時測量裝置及測量方法”發(fā)明專利；然而，監(jiān)測設(shè)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(yīng)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(shù)的飛速發(fā)展，筆者團(tuán)隊研發(fā)的智慧化泥沙監(jiān)測設(shè)備和集成系統(tǒng)以泥沙傳感器為基礎(chǔ)，配套無線傳輸單元，可將實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至在線數(shù)據(jù)管理平臺，實(shí)現(xiàn)全過程實(shí)時監(jiān)測、實(shí)時傳輸。

2.1 徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)功能目標(biāo)及組成

徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)的功能目標(biāo)是實(shí)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(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，分為PC端和手機(jī)端，可應(yīng)用于徑流小區(qū)、小流域溝（河）道和生產(chǎn)建設(shè)項目徑流泥沙實(shí)時監(jiān)測，為建設(shè)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(chǔ)，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(dāng)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(qiáng)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(biāo)定傳感器建立不同含沙量與透射光產(chǎn)生電壓信號強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)相關(guān)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(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，再結(jié)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(yàn)證傳感器的測量范圍和精度。

2.3 測試與檢驗(yàn)

1）測試。在實(shí)驗(yàn)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(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，根據(jù)不同濃度含沙量與對應(yīng)含沙水流傳感器輸出光電信號數(shù)據(jù)的關(guān)系，建立輸出電壓-含沙量關(guān)系模型。實(shí)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(shí)際含沙量，單位kg/m3；Cd為設(shè)計含沙量，單位kg/m3；ρs為泥沙顆粒密度，單位kg/m3，在本試驗(yàn)中取2.65×103 kg/m3。

2）檢驗(yàn)。在室外采用260目過篩均質(zhì)壤土，利用自制徑流泥沙試驗(yàn)循環(huán)水槽（見圖2），用稱重法配置特定含沙量的泥水進(jìn)行不同濃度泥水的檢驗(yàn)。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(yàn)中待水槽水流運(yùn)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(yàn)中當(dāng)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(jìn)行檢驗(yàn)，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(jìn)行試驗(yàn)，通過人工3次重復(fù)迅速傾倒，形成快速高含沙水流，在水槽下部設(shè)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(jìn)行人工取樣（見圖3）、烘干稱量，用于對泥沙傳感器進(jìn)行多重校準(zhǔn)。

經(jīng)自制徑流泥沙試驗(yàn)循環(huán)水槽、自制可調(diào)坡度不銹鋼滑槽試驗(yàn)、烘干稱重法檢驗(yàn)，含沙量過大會有泥沙沉積，當(dāng)含沙量大于60 kg/m3時不再遵循數(shù)學(xué)回歸模型。這也驗(yàn)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(yàn)回歸模型，進(jìn)行參數(shù)修正，最終確認(rèn)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(yàn)，已經(jīng)初步形成數(shù)據(jù)庫，可為不同土壤條件下的設(shè)備參數(shù)標(biāo)定提供支撐。

2.4 數(shù)據(jù)平臺

在云端設(shè)置數(shù)據(jù)平臺，用于接收、貯存各傳感器遠(yuǎn)程傳輸?shù)膹搅髂嗌硵?shù)據(jù)信息。平臺服務(wù)器經(jīng)過初步數(shù)據(jù)處理分析，實(shí)時獲取各項指標(biāo)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(yīng)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(jìn)行全過程、動態(tài)統(tǒng)計分析，以及根據(jù)相關(guān)指標(biāo)設(shè)置警戒數(shù)值和預(yù)警信號，對水土流失、泥沙危害進(jìn)行預(yù)警，提高徑流泥沙監(jiān)測的精準(zhǔn)性和分析利用的高效性。

2.5 技術(shù)特性及參數(shù)

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

3 徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用場景

徑流泥沙智慧監(jiān)測系統(tǒng)可以適用于多種應(yīng)用場景，包括生產(chǎn)建設(shè)項目、徑流觀測小區(qū)和小流域溝（河）道，不同的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)項目。監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用在生產(chǎn)建設(shè)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(jié)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(shè)備。對于點(diǎn)式生產(chǎn)建設(shè)項目可以進(jìn)行整體監(jiān)測或分區(qū)監(jiān)測，對于線性生產(chǎn)建設(shè)項目可根據(jù)監(jiān)測分區(qū)選擇典型段進(jìn)行監(jiān)測。自項目開工起安裝，項目竣工結(jié)束后拆除，強(qiáng)化生產(chǎn)建設(shè)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)林福科源農(nóng)業(yè)園項目的應(yīng)用場景。

2）徑流觀測小區(qū)。在徑流觀測小區(qū)應(yīng)用時，應(yīng)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(jié)合自計水位計進(jìn)行流量監(jiān)測，為保證測流的精準(zhǔn)性，需對巴歇爾槽進(jìn)行封閉化處理，以克服人工隨機(jī)取樣造成的誤差，提高精準(zhǔn)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(yīng)用場景。

3）小流域溝（河）道。在溝（河）道安裝泥沙傳感器設(shè)備時，易有垃圾等漂浮物的監(jiān)測場地應(yīng)在上游設(shè)置截污攔污柵欄，有大型沖積物的應(yīng)設(shè)置防沖防撞設(shè)施。在溝（河）道的監(jiān)測可與水文監(jiān)測站監(jiān)測工作結(jié)合，以完善水利監(jiān)測指標(biāo)。對于尺寸較大的河道斷面，需多點(diǎn)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(yàn)站的應(yīng)用場景。

4 結(jié)束語

筆者團(tuán)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(shí)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(guān)指標(biāo)設(shè)置警戒數(shù)值和預(yù)警信號，對水土流失、泥沙危害進(jìn)行預(yù)警。監(jiān)測系統(tǒng)適用于生產(chǎn)建設(shè)項目、徑流小區(qū)和小流域溝（河）道等不同應(yīng)用場景，實(shí)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(shí)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(xué)研究等具有重要意義。

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（責(zé)任編輯 李佳星）