光学法在红河泥沙监测中的应用分析

朱文祥 余有书 李晓琳 李茂生

摘要：为了探讨在线实时测沙系统在红河流域运用的可行性，以红河干流控制水文站——元江站为例，在2016年主汛期，将该站基于光学法的泥沙在线系统所采集的数据和人工实测泥沙数据进行了对比分析。分析结果表明：基于光学法的泥沙在线监测系统在以元江站为代表的红河流域有一定的适用性;实测单沙与后散射相关关系显著，当Cs>6.89 kg/m3时，仍需通过同步比测继续求证在线监测数据与实测数据的关系。可为光学法在线实时测沙系统在红河流域的推广应用提供一定的技术参考。

关键词：泥沙在线监测;光学法;元江水文站：红河流域

中图法分类号：TV145

文献标志码：A

天然河流挟带的泥沙直接影响河流的发展变化，并给人类开发利用水资源带来许多问题，但泥沙作为自然资源也有其可被利用的价值。为解决泥沙问题，达到兴利除害目的，必须掌握丰富的泥沙资料，研究其运动变化规律。因此，开展泥沙测验工作、系统地收集泥沙资料，可为流域规划、水利水电及其他有关工程设计的管理运用提供科学依据，同时也是进行有关泥沙科学研究的基础工作。

泥沙测验是水文监测的一项重要内容，目前大部分水文站主要是监测悬移质泥沙。河流中悬移质泥沙量及其变化规律是通过测定水流中悬沙的浓度即含沙量（Cs）来确定的，即单位体积浑水中所含悬移质干沙的重量。传统的悬移质泥沙测验工作步骤一般为取样、量积、过滤、烘干、称重以及计算等，虽然精度较高，但过程繁琐，耗时耗力，同时单沙取样时存在人身安全隐患。此外，由于人工采样只能得到瞬时含沙量，在时间上无连续性，洪水涨落急剧期间容易漏测沙峰，不能反映泥沙实时变化。因此，随着水文科技的不断进步，在线实时监测河流悬沙已成为水文现代化发展的必然要求。

目前，国内外悬移质泥沙在线监测方法主要包括同位素放射法、声学法、振动式法与光学法，这些方法在技术成熟度、使用安全、建设成本与应用领域方面存在一定的差异。国内应用较多的是光学法，近年来已有大量研究成果表明：在不同泥沙浓度、粒径、颜色及不同水体状况等水域，光学法仍有自身的局限性和适用性，应根据不同水域，对光学法测量数据和人工实测数据作比测率定分析后，才可将光学法测量数据用于悬移质泥沙浓度的计算。

本文以红河干流控制水文站——元江站为例，对光学法在红河干流元江站断面水域泥沙实时监测的应用进行分析，研究光学法测量数据与人工实测数据的相关关系、随含沙量浓度大小的变化特点等，为光学法在线实时测沙系统在红河流域的推广应用提供一定的技术参考。

1泥沙在线监测系统

1.1工作原理

光学测沙仪的核心是红外光学传感器。光束通过浑浊液体时，光线经过一段距离后光强度会有一定程度地减弱，主要原因是光线被浑浊液体内的介质吸收或反射散射偏离原来方向。根据测流散射回来的光强度，可以计算出液体的浊度。天然水体中泥沙含量是影响水浊度的最重要因素，在很多场合，泥沙含量是决定浊度的唯一因素。该系统所使用的测沙传感器OBS501配置了900侧散射和后散射双探头，在测量组成成分复杂的悬移质泥沙时更有优势;配备了快门清洁刷，能对光学传感器表面进行清洁和保护;测量时，OBS501既可以1Hz的频率在一定时间内连续测量，又可输出在一段时间内的平均值，并判断本次测量数据的质量，为后期数据应用提供便利。OBS501自带的温度补偿装置可在入水后几秒内达到温度平衡，探头自带的滤光片可有效屏蔽阳光或其他光源的干扰;可选配不同质地套筒对设备进行额外保护。

1.2系统组成及功能

泥沙在线监测系统主要由测沙传感器、TT-1200型浮标和泥沙监测智能管理平台组成，系统总体结构见图1。在线泥沙测量传感器实时监测数据，可自动传输并存储到监测中心数据库，并进行数据统计，生成符合SL249-2012《水文资料整编规范》的各种格式报表，实现批量自动处理数据整编。平台有数据管理、数据显示、数据插补、数据导人、数据输出、数据后处理及报警等功能。

2监测应用

2.1元江站概况 元江水文站建于1953年，是西南诸河红河干流控制站、一类精度站、国家重要水文站、中央报汛站以及国家水质监测站。该站位于红河流域中部，控制集水面积21554km2，主要收集红河干流水文信息，掌握出境水量、水质信息，为下游国家（越南）及地区防汛抗旱服务。测验项目有：降水、蒸发、水位、水面比降、流量、单位含沙量、悬移质输沙率和水质。该站泥沙测验任务十分繁重，泥沙采样仪器为横式采样器，单沙取样位置为0.6，采用一点法取样，汛期每日08：00和20：00各取样一次，枯季5～10d取样一次，泥沙变化大时加测。

2.2监测系统安装与设置

为保证测验效果，根据元江站断面实际情况，以浮标作为仪器测验、数据传输的平台，并将其投放到断面起点距40m处的单沙取样位置。经过安装前瞻、岸上调试、投放等步骤，完成监测系统的安装。系统参数设置情况如下：①监测频率为600s，实现单沙、断沙的实时在线监测。②测沙传感器测量历时为20s，期间测量次数为100次，测量结束后输出测得的平均值、最小值和最大值，有利于判断测量期间悬移质泥沙的脉动大小，以便判断测量质量。如果标准偏差过大，仪器会重新进行测量。③测沙传感器的浊度量程为0～4000NTU，测沙范围为0～10kg/m3。

3数据分析

3.1同步数据采集与选择

为掌握悬移质泥沙含量变化的转折点，验证水样处理和试验结果的可靠性，在率定期间，单沙采样时，以10min间隔，连续取4次样品，并运用泥沙在线监测系统同步监测。 该系统采用的传感器有后散射探头和侧散射探头，后散射探头接收光强度的角度为125°～170°，侧散射探头接收光强度的角度为900°在理论上，高沙条件下后散射探头所测数据更为准确;低沙条件下，侧散射探头所测数据更为准确。元江水文站2016年主汛期（7月8日至8月20日）后散射数据和侧散射数据与同步人工实测单沙数据均为78组，侧散射探头测到的浊度值仅能与Cs<1.00 kg/m3的同步人工单沙数据建立一定关系，而后散射探头测到的浊度值與所有同步人工实测单沙数据都能建立一定关系，见图2～3。由于红河干流含沙量比较大，Cs

3.2率定分析

3.2.1实测单沙与后散射过程

由图3可知，当Cs<3.0 kg/m3时，两者关系基本为正向对应;而Cs≥3.0kg/m3时，两者关系为反向对应。故分别建立单沙含量在3.0kg/m3以下和以上情况的过程，见图4～5。

当Cs<3.0kg/m3时，系统监测数据与实测数据过程一一对应，系统后散射值与实测单沙之间有很明确的正向对应关系;当3.0kg/m3≤Cs≤6.89kg/m3时，系统监测数据与实测数据过程基本相反，系统后散射值与实测单沙之间存在反向关系。

3.2.2相关关系建立

全部实测单沙与后散射值散点图呈现出的规律是：首先后散射值随着实测单沙的增大而增大，当达到某个阈值后，就随着单沙的增大而减小。

从以上分析看出，这个阈值就是3.0kg/m3。以该值为界，分别建立相关关系。当Cs<3.0kg/m3时，实测单沙（Y）与后散射值（X）的相关关系（共47组数据）为多项式关系（见图6），y单沙=0.00000078后散射2+0.00006603X后散射+0.13409424;当3.0kg/m3≤Cs≤6.89kg/m3时，实测单沙（Y）与后散射值（X）的相关关系（共31组数据）为线性关系（见图7），y单沙=-0.0039X后散射十l0.107。

3.2.3相关分析

以上两种相关关系的相关系数分别为rcs3.0=0.984 2、rCs≥3.0=0.957 9，均大于0.8，说明实测单沙与后散射值相关程度密切。

通常以I4Erl表示r的最大误差范围，则在水文分析中认为当lrl>14Erl时，Y与X间的相关关系良好。由Er=+0.6745（l-r2）/n1/2，分别得到Ercso=+0.003084，Erao=+0.009986，均有|r|>|4Er|，说明Cs<3.0kg/m3、3.0kg/m3≤Cs≤6.89kg/m3两种情况下，实测单沙与后散射值相关关系均密切。

利用t分布对相关系数进行显著性检验。分别以n=47、n，=31，取信度a=0.01，m=1l查相关系数检验表得到：rac.s3.0=0.372、raCs;3.0=0.456，均有r>ra，说明Cs<3.0kg/m3、3.0kg/m3≤Cs≤6.89kg/m3两种情况下，实测单沙与后散射值相关系数显著。

3.2.4精度检验

分别对中低沙和高沙情况下的计算值与实测单沙关系进行精度检验。得到：

（1）Cs<3.0kg/m3情况下实测单沙与计算单沙关系检验：标准差Se=18.7%，系统误差为-1.6%（≤+3%），均达到规范规定要求。个别随机误差较大是由于个别突出点所致。相对误差均值为1.7%（<3%），满足误差精度要求。

（2）3.0kg/m3≤Cs≤6.89kg/m3情况下实测单沙与计算单沙关系检验：标准差Se=6.9%，系统误差不大于+3%，均达到规范规定要求。相对误差均值1.2%（<3%），满足误差精度要求。

4结论和建议

4.1结论

基于光学法的泥沙在线监测系统在以元江站为代表的红河流域具有一定的适用性。当Cs<3.0kg/m3时，可依据y单沙=0.00000078X后散射2+0.00006603X后散射+0.13409424进行单沙计算;当3.0kg/m3≤Cs≤6.89kg/m3时，可依据Y单沙=-0.0039X后散射+10.107进行单沙计算;当Cs>6.89kg/m3时，仍需通过同步比测继续求证在线监测数据与实测数据的关系。

由于红河流域泥沙含量较大，超出系统采用光学传感器量程，所以该系统在红河流域的应用可能会因高含沙量的影响而在一定程度上受限。

泥沙在线监测系统简化了泥沙测验步骤，实现了自动化在线监测，具有安装简便、日常运行维护成本低、快捷和实时等优点，对外界抗干扰能力强，适应性良好，且可利用在线数据进行资料整编，提高了资料质量和工作效率。

4.2建议

（1）改善浮体，提高仪器设备安装运行的稳定性。

（2）0～3，3～6kg/m3和6 kg/m3这3种泥沙含量的水體分别采用不同量程的传感器，以便进一步提高泥沙测验精度。

（3）继续加强Cs>6.89kg/m3情况下以及Cs<1.0kg/m3情况下的比测数据收集，进一步求证光学传感器最大量程内稳定的X后散射-l，单沙关系和极低沙情况下可靠的X侧散射-y单沙关系，加强验证3.0kg/m3≤Cs≤6.89kg/m3实测单沙与后散射值反曲关系，以使光学法在泥沙在线监测中得到更充分的应用，带动水文泥沙监测的自动化推广应用。

参考文献：

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