TES系统在犁市站悬移质泥沙测验中的应用初探

王步杰

摘 要：悬移质泥沙的测验是水文测验的重要组成部分，而其自动化监测技术相对薄弱。介绍了TES系统的应用原理，通过分析系统在犁市水文站的应用实验数据，证明当泥沙含量在0.10 kg/m3以上时，可采用缆道式泥沙监测系统来替代人工采样方法进行悬移质泥沙测验，为悬移质泥沙的自动监测提供了一种可能性方式。

关键词：TES系统；泥沙测验；自动监测

中图分类号：TV149.1；TV142                               文献标志码：A

悬移质泥沙测验是水文测验的重要组成部分，泥沙资料在研究河床演变、航道整治、水环境污染及水生态保护等方面都发挥着重要的作用。随着社会经济建设的发展，以及水文测验自动化的要求，泥沙自动化测验技术也亟待进一步发展[1]。

传统的泥沙测验通过水样采集、沉淀、烘干或过滤、称重的步骤获得泥沙重量，进而求得泥沙含量，全过程大约需要10～15 d[2]。一代代从业者对泥沙测验方法进行了大量研究，丰富了泥沙的自动化测验技术，如激光法[3]、激光粒度分析仪[4]、浊度仪法[5]等，同时也探索了先进测流设备（如ADCP）在泥沙测验中的应用[6]，大大提高了泥沙测验和结果处理效率。但这些方法都存在一定的局限性，如受测站特性的影响较大、不同泥沙含量级会导致精度不一致等，因此，探索一种符合北江流域山区性河流的自动泥沙监测系统非常必要。

1 系统与安装环境介绍

1.1 系统简介

TES泥沙监测系统是基于组合红外吸收散射光线法，通过逆投影成像技术，连续精确测定水体中的悬移质泥沙含量并直接输出泥沙含量数据。泥沙监测仪符合《水文仪器基本参数及通用技术条件》（GB/T 15966—2017）的要求。

目前，TES系统有缆道式（TES-71）、在线式（TES-91）两种。TES-71缆道式泥沙监测系统是将泥沙监测仪安装在铅鱼上，可实现单沙点测沙、缆道多点测沙，有积时法和积深法两种测量方法，也可进行便携式测量。TES-91系统安装在固定位置，实时监测单点泥沙含量，再与断面含沙量建立关系，实现断面含沙量的实时监测。

1.2 系统组成

TES-71缆道式泥沙监测系统主要由泥沙监测仪（见图1）﹑水下全防水控制系统、笔记本电脑、数据管理软件和缆道固定装置等组成。

TES-91泥沙在线监测系统主要由泥沙监测仪、泥沙分析模块、数据采集与传输系统、供电系统、泥沙数据管理软件和安装支架等组成（见图2）。

1.3 系统原理

TES泥沙监测仪采用840 nm±5 nm波长的近红外光，对水体中的颗粒物敏感度更高。使用红外发光二极管LED产生红外光。

通过2个感光器接收强度，结合米氏散射原理通过调频计算出米氏散射强度，通过总接收光强减去米氏散射强度得到几何光学反射强度。标定模型计算出水体中产生散射的泥沙含量与产生几何光学的泥沙含量；同时采用分布式感光强度通过逆投影算法计算出被测水体中悬移质分布情况，2个感光系统同时进行，计算出水体中悬移质的占比浓度，通过设定的密度值计算出泥沙含量。

1.4 系统技术参数

测量原理为双光束红外散射光逆投影成像技术；测量范围为0.001～45 kg/m?；显示精度为小于测量值的±5%；存储温度为-15～65℃；测量环境温度为0～45℃。

1.5 系统安装环境

为进行TES泥沙测验系统的应用实验和比测率定，将TES-71、TES-91两种系统安装应用于犁市水文站。

犁市水文站于1955年4月设立，位于广东省韶关市浈江区犁市镇河边厂，至河口距离16 km，集水面积6 976 km2，是北江支流武江的出口控制站[7]。该站测验项目有水位、流量、降水量及悬移质泥沙。含沙量测验断面上、下游1 km河段天然顺直，左岸为岩石、黄泥土，右岸為人工防洪河堤，河床由岩石、卵石、泥沙组成，不易冲刷，较为稳定。该站下游约1 km处有1个天然沙洲，低水时对该站水位产生一定的顶托影响；下游约4 km处为溢洲电站，电站回水顶托对该站影响严重。

该站断面含沙量采用7条垂线全断面混合法进行计算，单沙在起点距80.5 m处用积深法取样。历年实测最大单沙为24.2 kg/m3，在TES系统的测量范围之内。

TES-71缆道式泥沙监测系统固定安装在铅鱼缆道上，与人工单沙取样同步进行，采集数据出现异常或传感器有附着物时，可以升起缆道将设备提出水面排障，泥沙监测仪安装位置如图3所示。

TES-91泥沙在线监测仪安装在起点距15 m的固定栈桥上，传感器入水深度约2 m。采集数据出现异常或传感器有附着物时，可以直接用支架提起排障，泥沙监测仪安装位置如图4所示。

犁市水文站一直采用积深法进行泥沙采样，单断沙关系稳定，与TES系统特点对比见表1。

2 应用成果分析

2.1 TES-71监测系统应用分析

2.1.1 数据收集

犁市水文站缆道式泥沙监测仪自2018年6月安装以来，同步开展比测工作。当人工取样时，将泥沙监测仪固定在铅鱼上，与单沙采样时间同步、同垂线进行施测，截至2021年5月共搜集到78组样本数据，人工实测单样含沙量变化范围为0.006～1.19 kg/m3。TES-71缆道式泥沙监测仪监测单样含沙量变化范围为0.009～2.56 kg/m3。

2.1.2 数据稳定性分析

对人工单沙成果和缆道式测沙仪单沙成果分年份做过程线分析（见图5）。可知，缆道式泥沙监测仪与人工单沙成果过程线趋势一致，且数值均大于人工测验成果，证明其测验成果稳定。

2.1.3 相关性分析

对人工和缆道式泥沙监测仪测验成果单样含沙量做相关性分析（见图6）。可知，两者相关点基本分布呈带状，相关系数R2=0.964，证明两者相关关系良好。

2.1.4 关系检验

根据《水文测验补充技术规定》，单断沙关系检验时，含沙量小于0.10 kg/m?的单断沙关系点，可不参加关系曲线检验。对含沙量大于0.10 kg/m?进行关系曲线检验，样本容量N=44。成果如下。

单断沙关系测点标准差Se=18.8％，随机误差为37.6％＞ 28％，没有达到规范规定的精度要求；

系统误差为1.11％≤±3％，达到规范规定的精度要求。

（1）符号检验。n=44，K=21（K为正号个數），u=0.15＜1.15，认为合理。符号检验通过。

（2）适线检验。n=44，不变换符号“0”次数为22，变换符号“1”次数为21，即K=21，u=0.00＜1.28，认为合理。适线检验通过。

（3）偏离数值检验。n=44，平均相对偏离值ΔP=1.11％，标准差S=18.50，ΔP的标准差Sp=2.79，统计量t=0.40，│t│=0.40＜1.30，认为合理。偏离数值检验通过。

上述三种方法对关系曲线的检验，均达到规范要求，认为定线正确。

由以上检验结果可见，除随机误差外，其余各项检验效果良好。符号检验、适线检验、偏离数值检验均通过；随机不确定度为37.6%，超过了《水文资料整编规范》（SL 247—2020） 中随机不确定度不超过28.0%的要求；系统误差为1.11%，符合规范中系统误差不超过3%的要求[8]。

2.1.5 对突出点的原因分析

检验结果显示总体随机误差较大，有一些点较突出。如2020年4月3日14：35，缆道数据为0.556 kg/m3，查线单沙为0.263 kg/m3，人工单沙为0.354 kg/m3；2021年5月18日13时25分，缆道数据为0.546 kg/m3，查线单沙为0.259 kg/m3，人工单沙为0.143 kg/m3，这两点偏离较大，且一正一负，对其分析如下。

2020年4月3日测次为涨水段测次，人工单沙0.354 kg/m3，为第8测次输沙的相应第一次单沙，第二次相应单沙为0.371 kg/m3，前后两次单沙相差较大，证明河道泥沙正在上涨。本次断沙成果为0.337 kg/m3。测沙仪测量过程见表2。可知，测沙仪测量过程正常、稳定。

2021年5月18日测次亦为涨水段测次，人工单沙0.143 kg/m3，为第5测次输沙的相应第一次单沙，第二次相应单沙为0.179 kg/m3，前后两次单沙相差较大，证明河道泥沙正在上涨。本次断沙成果为0.174 kg/m3，测沙仪测量过程与2020年4月3日过程类似，测沙仪测量过程正常、稳定。

由以上分析可知，尽管泥沙监测仪与人工测量成果间存在着较大的偏离，但其测量过程稳定；造成随机误差大的原因，可能是泥沙的脉动和断面分布的不均匀性。

2.2 TES-91监测系统应用分析

2.2.1 数据收集

TES-91 泥沙在线监测仪于2020年1月安装并开展比测率定工作。选取与人工采样同步时间的自动监测数据作为比测数据。

截至2021年8月，2020年收集到53组数据，2021年收集到51组数据。

2.2.2 数据稳定性分析

对人工单沙成果和缆道式测沙仪单沙成果分年份做过程线分析（见图7）。可知，缆道式泥沙监测仪与人工单沙成果过程线趋势一致，且数值均大于人工测验成果，证明其测验成果稳定。

2.2.3 相关性分析

对人工和在线式泥沙监测仪测验成果单样含沙量做相关性分析（见图8）。可知，两者相关点基本分布呈带状，上部较散乱，相关系数R2=0.941，两者存在一定相关关系，但不集中。

2.2.4 原因分析

与缆道式泥沙监测仪相比，在线监测仪与人工测验成果对比效果不理想，原因在于受水文站条件限制，将仪器安装在起点距15 m处，但人工单沙取样垂线为起点距80.5 m处，在线监测仪安装位置不在河道主流部分，代表性不好，与单沙采样垂线的测验成果无法建立较好的关系。

2.3 应用小结

TES系统在犁市水文站的应用中，系统运行稳定，测量成果与人工测验成果能建立一定的关系。在同垂线、同方法（积深法）的前提下，缆道式泥沙监测仪与人工测量成果之间有良好的关系，基本可用于一般水情下的泥沙测验。而在线式泥沙监测系统，则需要改善安装条件，使之具有更好的代表性，再进行进一步的实验。

TES泥沙监测系统解决了传统泥沙测验需要大量人力、物力和时间的投入，测量周期长，操作过程繁琐的技术问题，实现了安全高效、测量时间短的泥沙含量监测。

3 结论

TES系统是连续精确测定水体中的悬移质泥沙含量并直接输出泥沙含量数据的一套泥沙监测系统。通过2018—2020年在犁市水文站的应用实验，系统运行较稳定可靠。犁市站单沙含量在0.10～1.19 kg/m3范围内可与缆道式TES-71泥沙监测系统形成较稳定的关系，通过率定的公式将缆道式泥沙监测仪的测验成果应用于实际生产中。对于固定式的TES-91系统，安装位置极其重要，犁市站的实验表明，安装位置的代表性不好则无法与人工的测验成果形成稳定的关系。在使用方法正确、安装位置良好的前提下，TES系统可用于悬移质泥沙的测验，为悬移质泥沙的自动化监测提供了一种可能的方法。

参考文献：

[1]吴伟华，钱春.泥沙测验技术进展简述[J].泥沙研究，2010（5）：77-80.

[2] GB/T 50159—2015，河流懸移质泥沙测验规范[S].北京：中国计划出版社，2016.

[3]赵昕，田岳明，徐汉光，等.激光类测沙仪在长江泥沙测验中的应用[J].水文，2011，31（增刊1）：117-120.

[4]许弟兵，吴立健，胡春平，等.国产激光粒度分析仪在荆江泥沙测验中的应用[J].人民长江，2019，50（10）：108-112.

[5]勾晶晶，李健.浊度计在悬移质泥沙测验中的误差分析[J].长江技术经济，2020，4（增刊1）：43-44.

[6]田淳，高健，胡国栋.ADCP应用于泥沙测验探索[J].水利水文自动化，2005（4）：42-44.

[7]李金石.犁市（二）水文站悬移质输沙率间测分析[J].广东水利水电，2014（10）：28-30.

[8] SL/T 247—2020，水文资料整编规范[S].北京：中国水利水电出版社，2020.

Abstract：Suspended sediment measurement is a crucial element of hydrological testing，yet automated monitoring technology for this measurement is relatively underdeveloped. We introduce the application principles of the TES system，and analyze the experimental data from its application in Lishi hydrological station. Results provide evidence that cable-type sediment monitoring system can effectively and automatically measure suspended sediment if sediment concentration surpasses 0.10 kg/m3，thus offering a viable solution for automated monitoring of suspended sediment.

Key words：TES system；sediment test；automatic monitoring