摘要：為了提高感潮河段泥沙監(jiān)測水平，利用光學(xué)濁度儀在南京水文實驗站開展了含沙量施測精度、穩(wěn)定性、可靠性的比測試驗，在監(jiān)測系統(tǒng)兩個浮標(biāo)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(guān)系。結(jié)果表明：2023年3～8月南京水文實驗站在室外利用光學(xué)濁度儀采集數(shù)據(jù)確立的點濁度-斷面平均含沙量關(guān)系，通過了水文規(guī)范要求的定線精度檢驗，隨機不確定度為16.4%，系統(tǒng)誤差0.4%，滿足一類精度站要求，實現(xiàn)了實時含沙量、輸沙率的推求。采用光學(xué)濁度儀測驗懸移質(zhì)含沙量可大幅度提高泥沙測驗的時效性，在線測沙系統(tǒng)可以實時反映出感潮河段泥沙特性規(guī)律。

關(guān)鍵詞：泥沙在線監(jiān)測； 懸移質(zhì)含沙量； 斷面平均含沙量; 感潮河段； 光學(xué)濁度儀

中圖法分類號：P335.1文獻標(biāo)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(zhì)泥沙含量是重要的水文參數(shù)之一，河流含沙量監(jiān)測對于水利水電工程建設(shè)、水資源開發(fā)利用、水土流失治理、工農(nóng)業(yè)取水用水和水文預(yù)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(jiān)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(jiān)測的瓶頸［1-2］。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，部分測站流量已實現(xiàn)了在線監(jiān)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(xué)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(jiān)測瓶頸，提高現(xiàn)代化水平，本文以感潮河段為研究對象，利用光學(xué)測沙法開展泥沙在線監(jiān)測，并對含沙量數(shù)據(jù)進行整編。具體通過濁度傳感器比選、室內(nèi)試驗率定、室外安裝測試等，利用光學(xué)濁度儀對含沙量精度、穩(wěn)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(guān)系。

1測沙原理及儀器結(jié)構(gòu)

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(dāng)一束單色的平行光垂直通過一均勻吸光物質(zhì)時，其吸收光強度與物質(zhì)濃度和光線通過厚度成正比，而透射光強度與物質(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)

在線測沙系統(tǒng)由在線測沙儀（主機、電源及4G傳輸）、數(shù)據(jù)接收服務(wù)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(xué)濁度傳感器、數(shù)據(jù)采集傳輸控制模塊、傳感器清洗刷頭、防水外殼等。

2室內(nèi)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(xiàn)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(nèi)，同一點持續(xù)30次取樣用烘干法測得的點含沙量數(shù)據(jù)，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(nèi)比測

選擇一個能盛裝懸移質(zhì)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(diào)節(jié)，要求濁度儀發(fā)射和接收信號的傳感器在懸移質(zhì)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(yīng)關(guān)系。

曾瑞 等基于光學(xué)濁度儀的感潮河段泥沙在線監(jiān)測圖4為室內(nèi)31個樣本點濁度與點含沙量建立的相關(guān)關(guān)系，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.982 8，相關(guān)性較好。采樣區(qū)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(xù)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(xù)分樣并編號，分別記錄相應(yīng)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(biāo)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(guān)關(guān)系，共分析28測次。相關(guān)關(guān)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(guān)性，以及兩垂線測點含沙量（水下2 m）-垂線平均含沙量相關(guān)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(tǒng)浮標(biāo)1）測點含沙量-垂線平均含沙量相關(guān)性較好，復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.924 3。起點距1 595，1 115 m（在線測流/沙系統(tǒng)浮標(biāo)2）垂線平均含沙量-斷面平均含沙量相關(guān)性較好，復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.974 3，0.938 9。

2023年2月完成在線測沙系統(tǒng)浮標(biāo)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(shù)據(jù)。結(jié)合南京水文實驗站原取水方案，選取每次穩(wěn)定時段，在測沙儀位置連續(xù)取水3次，每次2 000 mL，并記錄準(zhǔn)確時間，收集對應(yīng)時間測沙儀濁度數(shù)據(jù)，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(jié)合室外的點濁度-點含沙量關(guān)系（圖8），與室內(nèi)數(shù)據(jù)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(guān)系這種方法（精度優(yōu)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(guān)系（圖9～10）的方法。濁度①（在線測沙1號）數(shù)據(jù)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(guān)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(tǒng)計2023年3～8月浮標(biāo)點濁度與斷面平均含沙量相關(guān)關(guān)系，采集數(shù)據(jù)共18組，建立浮標(biāo)點濁度-斷面平均含沙量關(guān)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(jù)SL/T 247-2020《水文資料整編規(guī)范》，計算流量輸沙率關(guān)系曲線的標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)誤差0.4%，滿足一類精度站要求。

3.2數(shù)據(jù)處理及方案應(yīng)用

結(jié)合儀器設(shè)備運行實際情況，剔除因漂浮物導(dǎo)致的短期數(shù)據(jù)跳變，對兩臺測沙儀濁度數(shù)據(jù)進行平滑處理（6組數(shù)據(jù)滑動平均），并根據(jù)相關(guān)性優(yōu)先級，優(yōu)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(shù)據(jù)后按照以上規(guī)則處理數(shù)據(jù)。感潮河段懸移質(zhì)泥沙規(guī)律：含沙量周期特點明顯，且準(zhǔn)周期內(nèi)的最大含沙量出現(xiàn)時刻為水流由落潮向漲潮轉(zhuǎn)換后，最小含沙量出現(xiàn)時刻是在漲潮向落潮轉(zhuǎn)換時［18］。

4上下游合理性分析

根據(jù)公式（2）～（4），由測沙儀數(shù)據(jù)計算出每5 min 斷面平均含沙量，采用算術(shù)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(tǒng)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(zhǔn)。大通至南京來水量主要指區(qū)間入江水量扣除引江水量以及跨流域調(diào)水量后的來水量。區(qū)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(tǒng)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(shù)據(jù)（根據(jù)單斷關(guān)系線計算）的0.086，0.059，0.061 kg/m3。

5結(jié)論

采用光學(xué)濁度儀法測驗懸移質(zhì)含沙量可大幅度提高泥沙測驗的時效性，在線測沙系統(tǒng)可以實時反映出感潮河段泥沙特性規(guī)律，為科研和生產(chǎn)提供依據(jù)。南京水文實驗站室外2023年3～8月采集數(shù)據(jù)確立的點濁度-斷面平均含沙量關(guān)系，通過了水文規(guī)范要求的定線精度檢驗，滿足一類精度站要求，實現(xiàn)了實時推求含沙量、輸沙率。同時，因該區(qū)域總體含沙量較小，絕大多數(shù)小于0.100 kg/m3，加之泥沙本身的脈動及現(xiàn)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(yīng)用中，可采用邊比測邊投產(chǎn)方式，對于超出比測范圍的沙量級，繼續(xù)在穩(wěn)定測驗期間同步取水樣并記錄對應(yīng)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(xué)法泥沙在線監(jiān)測可適用于感潮河段水文測站及一定范圍內(nèi)的固定河道斷面，目前采用單一線定線法，后續(xù)可根據(jù)數(shù)據(jù)收集情況視需要分段定線。

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（編輯：江文）