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      TES-91 懸沙在線監(jiān)測系統(tǒng)在姚江大閘水文站中的應(yīng)用

      2023-12-01 10:07:42趙立鋒
      浙江水利科技 2023年6期
      關(guān)鍵詞:姚江大閘含沙量

      趙立鋒

      (寧波市水文站,浙江 寧波 315012)

      0 引 言

      姚江大閘水文站所在地姚江屬浙閩臺流域甬江水系,發(fā)源于四明山夏家?guī)X東北眠崗山,自源頭向西北流經(jīng)四明湖水庫,出四明湖水庫后流經(jīng)余姚城區(qū),出城區(qū)后姚江兩側(cè)先后有多條溪流匯入,至寧波三江口匯入甬江。姚江大閘水文站集水面積1 918 km2,距離河口3.6 km,基本斷面上游44.0 km 處建有蜀山大閘,下游330 m 處建有姚江大閘,水位的變化主要受這2 座閘門啟閉的影響。姚江大閘水文站為國家重要水文站,測驗河段順直,系人工河道,河寬211 m,河床為淤泥。主要監(jiān)測項目有降水量、水位、流量、蒸發(fā)、水溫等。

      傳統(tǒng)懸移質(zhì)分析采用人工取樣進(jìn)行分析,工作量大,時效性不高,難以滿足實時監(jiān)測的要求。自動化、實時現(xiàn)場泥沙觀測是現(xiàn)代水文觀測的發(fā)展方向。周波等[1]對三峽入庫泥沙長期采用實時監(jiān)測,觀測時效性強(qiáng)、自動化程度高;王海申[2]采用OBS-3+濁度儀構(gòu)建了海上懸沙在線測量系統(tǒng),凌佳等[3]采用OBS-3+濁度儀構(gòu)建了河道在線含沙量監(jiān)測系統(tǒng)。趙軍等[4]利用TES-71 進(jìn)行懸沙在線監(jiān)測,該系統(tǒng)實時監(jiān)測含沙量與人工實測吻合非常好。為實時監(jiān)測姚江懸移質(zhì)泥沙時空分布、探求懸沙運(yùn)動規(guī)律,姚江大閘水文站采用TES-91 泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)含沙量在線監(jiān)測。

      1 TES-91 泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)簡介

      1.1 TES-91 泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

      姚江大閘水文站泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由TES-91 泥沙監(jiān)測儀、泥沙分析模塊,數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)(含 RTU)、供電系統(tǒng)和安裝支架等組成(見圖1)。TES-91 泥沙監(jiān)測儀連續(xù)精確測定水體中的懸移質(zhì)泥沙含量,通過RS485 總纜與遙測終端(RTU)相連,采集數(shù)據(jù)由遙測終端通過4G 發(fā)送到中心站,采集和傳輸采用太陽能供電,實現(xiàn)實時在線監(jiān)測。TES-91 泥沙監(jiān)測儀安裝在單沙點(diǎn)或者具有斷沙代表性的點(diǎn),通過建立單沙點(diǎn)與斷面平均含沙量的關(guān)系,經(jīng)比測得到斷面平均含沙量,適用于測量天然河道、渠道、水庫等懸移質(zhì)泥沙含量不超過120 kg/m3的水體。

      圖1 TES-91 泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

      1.2 TES-91 泥沙監(jiān)測儀工作原理

      TES-91 泥沙監(jiān)測儀是基于組合紅外吸收散射光線法,通過逆投影成像技術(shù),測定水體中的懸移質(zhì)泥沙含量并直接輸出數(shù)據(jù)。TES-91 泥沙監(jiān)測儀采用840 nm±5 nm 波長的近紅外光,對水體中的顆粒物敏感度更高。通過2 個感光器接收強(qiáng)度,計算出水體中懸移質(zhì)的占比濃度,通過設(shè)定的密度值計算出泥沙含量。根據(jù)不同流域?qū)鞲衅鬟M(jìn)行分大類來標(biāo)定分析,并將逆投影成像技術(shù)計算方法寫進(jìn)傳感器軟件,提高了不同泥沙的測量精確度。

      1.3 TES-91 泥沙監(jiān)測儀的安裝

      姚江大閘水文站TES-91 泥沙監(jiān)測儀(見圖2)安裝在水位臺外側(cè),通過制作不銹鋼安裝支架依托水位臺基礎(chǔ)進(jìn)行固定安裝,入水深度約1 m(見圖3)。當(dāng)采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?;騻鞲衅餍枰S護(hù)時,泥沙監(jiān)測儀可通過不銹鋼支架上的導(dǎo)軌提出水面。

      圖2 TES-91 泥沙監(jiān)測儀

      圖3 姚江大閘水文站泥沙監(jiān)測儀安裝圖

      2 比測率定分析

      2.1 含沙量率定方法

      通過同位置同時間人工采集與TES-91 泥沙監(jiān)測儀的單點(diǎn)含沙量進(jìn)行相關(guān)分析,檢驗TES-91 泥沙監(jiān)測儀監(jiān)測的單點(diǎn)含沙量穩(wěn)定性。通過人工采集計算得到的斷面平均含沙量與TES-91 泥沙監(jiān)測儀的單點(diǎn)含沙量進(jìn)行率定分析,建立單點(diǎn)含沙量與斷面平均含沙量率定關(guān)系。

      含沙量水樣的人工采集采用 XCL 橫式取樣器進(jìn)行,室內(nèi)測定采用重量法。單點(diǎn)含沙量水樣人工采集在儀器安裝位置附近進(jìn)行;垂線采樣采用層次積點(diǎn)法,每條垂線含沙量人工取樣起訖時間和流量監(jiān)測同步,流量監(jiān)測采用走航式ADCP[5],由垂線平均含沙量和分塊流量計算得到斷面平均含沙量。人工取樣分別安排在 2022 年 4 月2 日、5 月29 日、5 月 31 日、6 月 1 日、6 月 3 日、6 月 6 日開閘放水期間進(jìn)行。

      2.2 穩(wěn)定性分析

      通過資料整編和化驗分析,共獲取人工采集單點(diǎn)含沙量與同步的TES-91 泥沙監(jiān)測儀的單點(diǎn)含沙量共31 組數(shù)據(jù),建立人工采集單點(diǎn)含沙量與在線監(jiān)測單點(diǎn)含沙量關(guān)系曲線,見圖4。

      圖4 姚江大閘水文站單點(diǎn)含沙量人工采集與在線監(jiān)測關(guān)系曲線圖

      根據(jù) SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》要求,對上述回歸方程進(jìn)行定線精度分析與關(guān)系曲線三線檢驗,得出實測點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差Se=5.08%,隨機(jī)不確定度 2Se=10.16% ≤18%,系統(tǒng)誤差|0.062%|≤2%,符合規(guī)范中規(guī)定的一類精度水文站定線精度要求。因此,姚江大閘水文站單點(diǎn)含沙量在線監(jiān)測設(shè)備較為穩(wěn)定可靠。

      2.3 斷沙與單沙率定分析

      姚江大閘水文站斷面共布設(shè) 5 條垂線進(jìn)行含沙量水樣人工采集。

      經(jīng)資料整編和化驗分析后共獲取60 組有效測次數(shù)據(jù),其中斷面平均含沙量變幅為 0.025~0.060 kg/m3,單點(diǎn)含沙量變幅為 0.025~0.058 kg/m3,水位變幅為 0.77~1.43 m,流量變幅為 32~547 m3/s。

      通過數(shù)據(jù)資料整編獲得的斷面平均含沙量與同步的TES-91 泥沙監(jiān)測儀的單點(diǎn)含沙量共60 組數(shù)據(jù),建立斷面平均含沙量與單點(diǎn)含沙量的關(guān)系曲線,見圖5。

      圖5 姚江大閘水文站斷面平均含沙量與單點(diǎn)含沙量關(guān)系曲線圖

      根據(jù)SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范 》要求,對上述回歸方程進(jìn)行定線精度分析與關(guān)系曲線三線檢驗,得出實測點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差Se=6.11%,隨機(jī)不確定度 2Se=12.22% ≤18%,系統(tǒng)誤差|0.349%|≤2%,符合規(guī)范中規(guī)定的一類精度水文站定線精度要求。

      1)符號檢驗:n=60,k=29(k為正號個數(shù)),u=0.13<1.15(顯著性水平α=0.25),符號檢驗通過。

      2)適線檢驗:n=60,不變換符號“0”次數(shù)為25,變換符號“1”次數(shù)k為34,k>0.5(n-1),不做此檢驗。

      3)偏離數(shù)值檢驗:n= 60,平均相對偏離值ΔP=0.349%,ΔP的 標(biāo) 準(zhǔn) 差SΔP=0.78%,統(tǒng) 計 量t=0.446,|t|=0.446<1.30(顯著性水平α=0.20),認(rèn)為合理,偏離數(shù)值檢驗通過。

      上述3 種方法對斷面平均含沙量與單點(diǎn)含沙量關(guān)系曲線的三線檢驗,全部達(dá)到 SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》要求,認(rèn)為定線正確。

      3 結(jié) 論

      1)姚江大閘水文站懸移質(zhì)泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,在線監(jiān)測單點(diǎn)含沙量與斷面平均含沙量相關(guān)關(guān)系較好,實時監(jiān)測的單點(diǎn)含沙量經(jīng)換算得到的斷面平均含沙量數(shù)據(jù)可供有關(guān)部門參考使用。

      2)根據(jù)SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》,實測輸沙率最大相應(yīng)單沙為最大實測單沙的 50%以上時,可做高沙延長,單沙關(guān)系為曲線時,延長幅度不應(yīng)超過實測最大單沙的 30%,因此本斷面與單點(diǎn)含沙量關(guān)系曲線的適用范圍為0.025~0.076 kg/m3。

      3)每年對率定關(guān)系線進(jìn)行5 次以上校測,根據(jù)SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》規(guī)定,若未通過t檢驗或者泥沙監(jiān)測儀安裝位置發(fā)生變動時,需要重新比測率定,獲取新的關(guān)系線。

      4)姚江大閘水文站所處姚江出口受姚江大閘控制,大閘未排水時所處斷面水體基本靜止,泥沙監(jiān)測儀易受生物附著影響實測數(shù)據(jù)精度,需對泥沙監(jiān)測儀進(jìn)行定期清洗維護(hù)。

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