TES-71纜道泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在略陽(yáng)水文站的應(yīng)用

趙 軍，夏群超

（漢中水文水資源勘測(cè)中心,陜西 漢中 723000）

1 基本情況

1.1 測(cè)站概況

1.1.1 測(cè)驗(yàn)河段概況

嘉陵江流域?qū)儆诒眮啛釒駶?rùn)氣候區(qū),夏無(wú)酷署,冬無(wú)嚴(yán)寒,是長(zhǎng)江上游的支流,發(fā)源于陜西省鳳縣西北涼水泉溝,因流經(jīng)鳳縣東北嘉陵谷而得名。干流全長(zhǎng)1345 km,流域面積15.98 萬(wàn)km2。流域年平均氣溫13.2℃,雨量豐沛,植被較好,降水主要受季風(fēng)影響,時(shí)空分布不均,全年降水多集中于7 月~9 月,平均占全年降水量的50%以上,受上游疏松土質(zhì)及風(fēng)化影響,水土的嚴(yán)重流失,成為流域內(nèi)泥沙產(chǎn)生的主要來(lái)源,是長(zhǎng)江流域主要支流中挾帶泥沙最多的河流。

略陽(yáng)水文站建站于1939 年8 月,是長(zhǎng)江流域嘉陵江干流的主要控制站,國(guó)家重要水文站、大河控制站,現(xiàn)址位于陜西省漢中市略陽(yáng)縣城關(guān)鎮(zhèn),海拔高程639.028 m,集水面積19206 km2,控制河長(zhǎng)205 km。主要測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、含沙量、降水、蒸發(fā)、泥顆等。略陽(yáng)水文站測(cè)驗(yàn)河段主流隨水位變化在測(cè)流斷面起點(diǎn)距90 m～135 m之間擺動(dòng)。在基上500m處有嘉陵江大橋,基下500 m處為高洪斷面。測(cè)站斷面為基本水尺斷面兼浮標(biāo)測(cè)流斷面；上浮標(biāo)斷面兼上比降斷面,下比降斷面兼下浮標(biāo)斷面,流速儀測(cè)流斷面位于基下5 m。略陽(yáng)水文站上游42 km處的嘉陵江支流西漢水干流上建有葫蘆頭水電站,壩址位于西淮壩鄉(xiāng)下游11 km處,于2001 年12 月30 日竣工投產(chǎn)發(fā)電,建成后對(duì)中低水有影響,測(cè)驗(yàn)河段河床由砂卵石和砂礫石組成,左右兩岸為混凝土防洪堤護(hù)坡,穩(wěn)定性較好。略陽(yáng)水文以上水系位置圖見圖1。

圖1 略陽(yáng)站位置圖

1.1.2 水文特征

略陽(yáng)水文站自建站以來(lái)實(shí)測(cè)最高水位644.96 m（1981.8.22）；實(shí)測(cè)最大流量5190 m3/s（1990 年7 月6 日）；建站以來(lái)最大流量8630 m3/s（1981 年8 月22 日,施測(cè)方法為推求）;實(shí)測(cè)最大斷面流速4.76 m3/s（1972 年 7 月9 日）,2.0 m3/s實(shí)測(cè)最大含沙量538 kg/m3（1972 年8 月 27 日）,最小0.001 kg/m3。

1.2 測(cè)驗(yàn)斷面情況

略陽(yáng)水文站測(cè)驗(yàn)河段順直,上下斷面長(zhǎng)度200 m,設(shè)置基本水尺斷面兼浮標(biāo)測(cè)流斷面；上浮標(biāo)斷面兼上比降斷面,下比降斷面兼下浮標(biāo)斷面,流速儀測(cè)流斷面位于基下5 m,基本斷面共設(shè)6 支水尺,P1、P2、P5、P6為直立式無(wú)縫鋼管加搪瓷尺板水尺,P3、P4為斜坡水尺。斷面測(cè)流采用江西贛州全自動(dòng)纜道一套和手持式電波流速儀一臺(tái)相結(jié)合的方式；泥沙采用器皿和瓶式采樣器兩種方法相結(jié)合；斷面右岸觀測(cè)樓前,場(chǎng)地長(zhǎng)8 m,寬6 m,高程為639 m。場(chǎng)地內(nèi)安裝有一套徐州偉思公司FFZ-01 Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)自動(dòng)站一套,人工雨量計(jì)一臺(tái)。

圖2 略陽(yáng)水文站泥沙監(jiān)測(cè)傳感器安裝位置

1.3 泥沙測(cè)驗(yàn)方案

纜道泥沙監(jiān)測(cè)裝置,包括測(cè)沙軟件、鉛魚、泥沙傳感器、監(jiān)測(cè)盒,鉛魚設(shè)于纜道上,泥沙傳感器通過(guò)抱箍固定在監(jiān)測(cè)盒上,監(jiān)測(cè)盒通過(guò)鐵籠固定在鉛魚上,監(jiān)測(cè)盒盒體頂部設(shè)有航空插頭,監(jiān)測(cè)盒內(nèi)設(shè)有數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線通信模塊、蓄電池,泥沙傳感器、航空插頭的通信部、數(shù)據(jù)處理模塊和無(wú)線通信模塊按照信息傳輸線路依次連接,航空插頭的充電部、蓄電池和數(shù)據(jù)處理模塊按照供電線路依次連接。泥沙測(cè)驗(yàn)斷面與流速儀測(cè)流斷面重合,位于基本水尺斷面100 m處,鉛魚重量150 kg。

1.3.1 單沙測(cè)驗(yàn)

采樣位置在流速儀測(cè)流斷面起點(diǎn)距100 m處,采用固定一點(diǎn)積深法取樣（相應(yīng)水深0.6 m）（2021 年汛前測(cè)量,起點(diǎn)距100 m河底高程627.00 m）。

汛期每日8 時(shí)取樣1 次,當(dāng)出現(xiàn)超警戒洪水636.55 m（流量3000 m3/s）時(shí),按8 段或24 段取樣,洪峰水位及峰前、峰后增加取樣次數(shù),力求測(cè)到沙峰,及較完整的含沙量變化過(guò)程。

1.3.2 纜道泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)驗(yàn)

本站輸沙率測(cè)驗(yàn)實(shí)行間測(cè),今年屬停測(cè)年份,采用歷年綜合單斷沙關(guān)系曲線推求斷面平均含沙量,單斷沙關(guān)系為45°直線,系數(shù)為1.000。本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用檢測(cè)設(shè)備和人工采沙同時(shí)進(jìn)行,自2021 年6 月1 起至2021 年7 月31 日已取得兩個(gè)月的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)見表1。

表1 略陽(yáng)水文站纜道泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比對(duì)數(shù)據(jù)

2 TES-71泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)概述

TES-71 纜道式泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將泥沙監(jiān)測(cè)儀安裝在鉛魚上可實(shí)現(xiàn)單沙點(diǎn)測(cè)沙、纜道多點(diǎn)測(cè)沙,有積時(shí)法或積深法兩種測(cè)量方法,也可便攜式測(cè)量,實(shí)現(xiàn)多站共用。泥沙監(jiān)測(cè)儀帶自動(dòng)清洗功能,清洗時(shí)間和清洗頻率可設(shè)定。泥沙監(jiān)測(cè)儀符合《水文儀器基本參數(shù)及通用技術(shù)條件》（GB/T 15966-2017）的要求。

2.2 纜道式泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

TES-71 纜道式泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要泥沙監(jiān)測(cè)儀﹑水下全防水控制系統(tǒng)（含供電、無(wú)線傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理主機(jī)等）、筆記本電腦、數(shù)據(jù)管理軟件和纜道固定裝置等組成。

2.3 TES-71泥沙監(jiān)測(cè)儀的工作原理

TES-71 泥沙監(jiān)測(cè)儀是基于組合紅外吸收散射光線法,通過(guò)逆投影成像技術(shù),連續(xù)精確測(cè)定水體中的懸移質(zhì)泥沙含量并直接輸出泥沙含量數(shù)據(jù)。

2.4 TES-71泥沙監(jiān)測(cè)儀的技術(shù)特點(diǎn)

TES-71 泥沙監(jiān)測(cè)儀采用840 nm±5 nm波長(zhǎng)的近紅外光,對(duì)水體中的顆粒物敏感度更高。使用紅外發(fā)光二極管LED產(chǎn)生紅外光,原理是通過(guò)半導(dǎo)體的電子與空穴復(fù)合來(lái)產(chǎn)生紅外光。

通過(guò)2 個(gè)感光器接收強(qiáng)度,結(jié)合米氏散射原理通過(guò)調(diào)頻計(jì)算出米氏散射強(qiáng)度,通過(guò)總接收光強(qiáng)減去米氏散射強(qiáng)度得到幾何光學(xué)反射強(qiáng)度。標(biāo)定模型計(jì)算出水體中產(chǎn)生散射的泥沙含量與產(chǎn)生幾何光學(xué)的泥沙含量；同時(shí)采用分布式感光強(qiáng)度通過(guò)逆投影算法計(jì)算出被測(cè)水體中懸移質(zhì)分布情況,2 個(gè)感光系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行,計(jì)算出水體中懸移質(zhì)的占比濃度,通過(guò)設(shè)定的密度值計(jì)算出泥沙含量。

在泥沙自動(dòng)測(cè)量中最重要的是懸移質(zhì)（懸浮顆粒物）的同質(zhì)性,泥沙可以分為很多種,如：青沙、黃沙、棕沙等,它們的質(zhì)量不同、顏色不同,對(duì)光的反射率也完全不同,所以如果采用同一種方式去測(cè)同質(zhì)性完全不同的泥沙,得出的結(jié)果可能相差甚遠(yuǎn)。TES-71 泥沙監(jiān)測(cè)儀會(huì)根據(jù)不同流域?qū)鞲衅鬟M(jìn)行分類來(lái)標(biāo)定分析,并將逆投影成像技術(shù)計(jì)算方法寫進(jìn)傳感器軟件,這樣得出最終結(jié)果的絕對(duì)誤差會(huì)減小甚多。

2.5 系統(tǒng)的功能特點(diǎn)

多種應(yīng)用方式：?jiǎn)紊滁c(diǎn)測(cè)沙、纜道多點(diǎn)測(cè)沙（積時(shí)法/積深法）、便攜式測(cè)沙。

自動(dòng)采集及處理泥沙數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)水下數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ),可存儲(chǔ)5 年以上的數(shù)據(jù),保證系統(tǒng)入水后數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和完整性。

攜帶方便,一個(gè)人可以完成測(cè)量。

測(cè)量時(shí)間短,隨意選擇測(cè)量點(diǎn)。

可充電鋰電池供電,工作時(shí)間持續(xù)測(cè)量12小時(shí)以上。

可輸入水位和流量,自動(dòng)計(jì)算出輸沙率。

便攜式設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)多站共用。

生成水文規(guī)范報(bào)表,可直接參與資料整編,軟件功能可定制。

3 適用技術(shù)規(guī)范

《水文測(cè)驗(yàn)實(shí)用手冊(cè)》（2013年版）

《水文測(cè)量規(guī)范》(SL 58-2014）

《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）

《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)規(guī)范》（SL 61-2015）

《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB/T 50159-2015）

《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》（SL 42-2010）

4 儀器的安裝

TES-71纜道式泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在流量測(cè)驗(yàn)斷面起點(diǎn)距約100 m的測(cè)驗(yàn)位置,傳感器在入水深度0.60 m。采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?；騻鞲衅饔懈街飼r(shí),可以升起纜道將設(shè)備提出水面排障,泥沙監(jiān)測(cè)儀安裝位置見圖3。

圖3 略陽(yáng)水文站泥沙監(jiān)測(cè)傳感器安裝位置

5 比測(cè)率定分析

為不斷提高水文測(cè)報(bào)的自動(dòng)化水平,積極開展水文新儀器新設(shè)備的引進(jìn)、推廣和應(yīng)用。2021 年06 月01 日起,將TES-71 纜道式泥沙監(jiān)測(cè)儀安裝在略陽(yáng)水文站并開展正式比測(cè)率定工作。

5.1 含沙量率定方法

同位置點(diǎn)含沙量人工方法（在儀器旁采用瓶式采樣器單獨(dú)取樣,利用烘干法所測(cè)取的含沙量）與TES-71 纜道式泥沙數(shù)據(jù)同步比測(cè),通過(guò)TES-71 纜道式泥沙數(shù)據(jù)和同位置點(diǎn)人工含沙量樣本建立模型。

采用TES-71 纜道式泥沙監(jiān)測(cè)儀經(jīng)率定后的數(shù)據(jù)與同位置點(diǎn)人工含沙量樣本分進(jìn)行誤差分析,驗(yàn)證相關(guān)關(guān)系模型的準(zhǔn)確性。

5.2 比測(cè)率定資料選取

略陽(yáng)水文站纜道式泥沙監(jiān)測(cè)儀自2021 年06 月安裝以來(lái),開展同步比測(cè)工作,人工實(shí)測(cè)含沙量變化范圍為0.015 kg/m3~33.6 kg/m3,截止2021 年07 月31 日共搜集到比測(cè)數(shù)據(jù)90 組樣本數(shù)據(jù)（去粗差個(gè)別設(shè)備樣本數(shù)據(jù),經(jīng)分析主要原因是含沙量大,監(jiān)測(cè)過(guò)程中沒有及時(shí)維護(hù)設(shè)備而造成數(shù)據(jù)偏大）,其中實(shí)測(cè)含沙量大于1.00 kg/m3的數(shù)據(jù)26 組,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)含沙量變化范圍可以代表略陽(yáng)水文站的單沙數(shù)據(jù)。

此次TES-71 纜道式泥沙監(jiān)測(cè)儀器示值最大34.23 kg/m3,最小0.009 kg/m3,同位置點(diǎn)實(shí)測(cè)含沙量最大33.6 kg/m3,最小0.02 kg/m3。

5.3 率定分析及誤差分析結(jié)果

5.3.1 穩(wěn)定性分析

統(tǒng)計(jì)分析2021 年06 月~2021 年07 月人工實(shí)測(cè)含沙量與纜道式泥沙數(shù)據(jù)兩者之間變化趨勢(shì)一致,吻合程度非常高。泥沙過(guò)程線對(duì)比見圖4。

圖4 人工實(shí)測(cè)含沙量與纜道式泥沙過(guò)程線對(duì)比圖

5.3.2 水位變化對(duì)泥沙含量的影響分析

將水位、纜道式泥沙數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果顯示泥沙數(shù)據(jù)變化隨水位漲落變化趨勢(shì)一致,符合略陽(yáng)站的水位泥沙變化規(guī)律。水位泥沙過(guò)程線見圖5。

圖5 略陽(yáng)水文站水位泥沙過(guò)程線圖

5.3.3 相關(guān)關(guān)系模型分析

建立同位置點(diǎn)人工實(shí)測(cè)含沙量與纜道式泥沙監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系模型,從儀器示值與同位置點(diǎn)含沙量建立的模型可以看到儀器性能穩(wěn)定,采用同位置點(diǎn)人工實(shí)測(cè)含沙量與纜道式泥沙監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)進(jìn)行率定分析,關(guān)系見圖6,結(jié)果顯示兩者相關(guān)性顯著,R2=0.9995,表明該儀器在略陽(yáng)水文站測(cè)驗(yàn)性能穩(wěn)定。

圖6 略陽(yáng)水文站同位置點(diǎn)實(shí)測(cè)含沙量與在線泥沙數(shù)據(jù)率定關(guān)系

選取泥沙含量稍大的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn),樣本容量N=35,三項(xiàng)檢驗(yàn)均為合格；隨機(jī)不確定度為14.12%,系統(tǒng)誤差為-1.9%,滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）3.3.4 中規(guī)定隨機(jī)不確定度與系統(tǒng)誤差分別不超過(guò)18.0%±2%的要求。曲線檢驗(yàn)表見表2。

表2 TES-71纜道式泥沙數(shù)據(jù)與同位置點(diǎn)實(shí)測(cè)含沙量關(guān)系曲線檢驗(yàn)表

續(xù)表2

5.4 驗(yàn)證相關(guān)性模型

為驗(yàn)證TES-71 纜道式泥沙數(shù)據(jù)的代表性,將2021 年6 月～2021 年7 月纜道式泥沙數(shù)據(jù)通過(guò)率定的關(guān)系模型計(jì)算出線上含沙量,與人工實(shí)測(cè)含沙量進(jìn)行對(duì)照分析,見圖7。

圖7 率定后線上含沙量與人工實(shí)測(cè)含沙量的相關(guān)關(guān)系

從圖7 可以看出,纜道式泥沙數(shù)據(jù)經(jīng)率定模型計(jì)算后,同人工實(shí)測(cè)含沙量關(guān)系較好,吻合程度非常高。

5.5 特殊情況影響與處理辦法

在比測(cè)期間會(huì)遇到樹根、薄膜漂浮物纏繞水下傳感器,影響正常數(shù)據(jù)采集。針對(duì)以上問(wèn)題解決辦法是在儀器數(shù)據(jù)采集期間,定期檢查儀器設(shè)備,查看探頭有無(wú)漂浮物纏繞,檢查固定裝置是否牢固等。若遇儀器受特殊情況影響應(yīng)及時(shí)針對(duì)其原因,進(jìn)行打撈漂浮物等維護(hù)管理、排除故障,保證測(cè)驗(yàn)儀器數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

為保證垂線間數(shù)據(jù)互相不干擾,在進(jìn)行每條垂線測(cè)量前應(yīng)啟動(dòng)清潔刷自動(dòng)清潔或用棉簽、軟抹布輕輕擦拭干凈傳感器表面的玻璃光源,再進(jìn)行測(cè)量,注意不要刮花或者損傷玻璃光源。

6 結(jié)論

本次比測(cè)分析了TES-71 纜道式泥沙數(shù)據(jù)與同位置點(diǎn)含沙量相關(guān)性。兩者顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)R2=0.9995,設(shè)備性能穩(wěn)定。選取泥沙含量稍大的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn),樣本容量N=35,三項(xiàng)檢驗(yàn)均為合格；隨機(jī)不確定度為14.12%,系統(tǒng)誤差為-1.9%,滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）3.3.4中規(guī)定隨機(jī)不確定度與系統(tǒng)誤差分別不超過(guò)18.0%±2%的要求。故可以得出通過(guò)建立率定模型,TES-71 纜道式泥沙監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)可以取代人工實(shí)測(cè)含沙量數(shù)據(jù)在略陽(yáng)水文站投產(chǎn)使用。

TES-71纜道式泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)泥沙測(cè)驗(yàn)需要大量人力、物力和時(shí)間的投入,測(cè)量周期長(zhǎng),操作過(guò)程繁瑣的技術(shù)問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了安全高效,測(cè)量時(shí)間短（最短5 s即可得出含沙量數(shù)據(jù)）的泥沙監(jiān)測(cè)手段,解放了生產(chǎn)力,實(shí)現(xiàn)了對(duì)泥沙含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),掌握懸移質(zhì)泥沙的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。TES-71 纜道式泥沙監(jiān)測(cè)設(shè)備是一種全新測(cè)量手段,如能得以推廣使用將是水文系統(tǒng)泥沙監(jiān)測(cè)的突破性創(chuàng)新。今后應(yīng)加強(qiáng)比測(cè)期間設(shè)備的維護(hù)工作,同時(shí)對(duì)比儀器不同安裝位置的數(shù)據(jù)、對(duì)比垂線泥沙分布的數(shù)據(jù)以及儀器參數(shù)設(shè)定等,進(jìn)一步優(yōu)化比測(cè)方案,提高比測(cè)精度,爭(zhēng)取早日投產(chǎn)使用。