自動化走航式全斷面積寬法懸移質輸沙率測驗關鍵技術的研究

韋廣龍，黃福培，陳玉蕉，黎協銳

(1.南寧市水文水資源局南寧水文站，廣西 南寧 530008;2.廣州拓泰環境監測技術有限公司，廣東 廣州 510660；3.廣西財經學院，廣西 南寧 530003)

長期以來，泥沙監測站懸移質輸沙率測驗采用傳統測驗方式，即在測船上用橫式采樣器采集水樣，每次輸沙率測驗需要6人，用時3～4 h[1]。運回室內后經烘干、稱重、計算才能得到一份完整的輸沙率結果。這種低效率的傳統測驗方法已不能適應信息時代的發展需要。為解決測沙難題，國內外對懸移質泥沙測驗[2]進行各種研究，有同位素法測沙儀[3]、激光測沙儀[4]和OBS測沙儀[5]。前兩種儀器因受多種因素影響，沒能得到應用。OBS測沙儀根據濁度與懸移質泥沙的關系模型來實現懸移質泥沙測驗自動化，并得以認可和應用。本文以懸移質輸沙率測驗自動化為研究課題，以新技術、新方法作應用要求，達到懸移質泥沙測驗方式改革的目的，具有懸移質泥沙監測跨時代的現實意義。開展自動化走航式全斷面積寬法懸移質輸沙率測驗的研究，采用新儀器、新技術、新方法一體化整合研究，懸移質輸沙率測驗由傳統式轉變為自動化式，移質輸沙率測驗自動化標志著監測能力和質量得到跨越提升[6]。本研究以南寧水文站(以下簡稱南寧站)為例通過實例論證，闡述自動化走航式全斷面積寬法懸移質輸沙率測驗的原理和方法。

2016年，南寧站開展了自動化走航式全斷面積寬法懸移質輸沙率測驗方式的應用研究，采用新儀器OBS501濁度傳感器，加入原創測沙控制器組合成自動化走航式懸移質輸沙率監測儀。新技術是走航式ADCP測速[7]和OBS501濁度儀測濁度的數據同步無線傳遞，通過原創走航式懸移質輸沙率測驗軟件運行計算，實時得出自動化走航式懸移質輸沙率測驗結果。新方法是全斷面積寬法，從水面至水深0.3 m掃射濁度，與走航式ADCP同步自左岸至右岸全斷面往返2個測回，由電動纜道勻速前行測取流量和輸沙率。

進行自動化走航式全斷面積寬法懸移質輸沙率測驗與傳統的人工懸移質輸沙率測驗比測，一是通過對濁度傳感器懸移質斷面平均含沙量(簡稱斷沙)的比測，建立新的斷沙關系模型[8]；二是對濁度傳感器懸移質單樣含沙量(簡稱單沙)的比測，建立新的單沙與斷沙關系模型[9]。通過確定這2個模型實現人工測驗到自動監測轉化，達到懸移質輸沙率測驗自動化的目的，實現懸移質輸沙測驗技術新突破。

1 概況

1.1 河段情況

南寧站位于郁江上游，是左、右江控制站，集水面積72 656 km2。河段上游分別建設有左江水利樞紐、山秀水利樞紐、右江百色水利樞紐、金雞灘水利樞紐。左、右江匯合處建有老口水利樞紐。南寧站河段順直、河床穩定，由于水庫攔截，大量泥沙沉降于庫區中，平水期斷面懸移質含沙量較少。洪水期間，含沙量相對較大，時有出現團狀，但總體含沙量在斷面分布較均勻。

1.2 測驗情況

南寧站從1973年1月起開展懸移質泥沙測驗工作，隨著經濟建設不斷發展，受上游水工程蓄水影響，含沙量逐漸較少，河段斷面各垂線含沙量基本均勻。多年平均含沙量為0.228 kg/m3(1983—2014年，下同)，多年平均最大含沙量為1.59 kg/m3，含沙量變化過程基本與洪水變化過程相對應。南寧站歷年懸移質輸沙率測驗常測法如下：1973—2007年，為橫式10/20選點法，相應單沙為固定一線兩點混合；2008—2010年，為橫式10/20全斷面混合法，相應單沙為固定一線兩點混合；2011—2014年，為橫式5/10全斷面混合法，相應單沙為固定一線兩點混合，其中固定一線為測流斷面起點距100 m的垂線，兩點為垂線相對水深0.2、0.8 m；2015年至今，為橫式5/10全斷面混合法，相應單沙為固定一線測流斷面起點距60 m垂線0.5 m水深起止濁度的平均值，建立起點距60 m相應濁度Rs和斷面平均含沙量Cz關系線，取代原單沙斷沙關系線。

2 儀器原理及功能

自動化走航式全斷面積寬法懸移質輸沙率測驗的儀器設備有OBS501濁度傳感器和在線泥沙監測系統。

2.1 OBS501濁度傳感器

光束通過渾濁的液體時，光線經過一段距離后光強度會有一定程度的減弱。減弱的主要原因是光線被渾濁液體內的介質吸收、反射、散射偏離原來方向[10]。測量散射回來的光強度，可計算出液體濁度。天然水體中泥沙含量是影響水濁度最重要因素，在很多情況，泥沙含量是決定濁度的唯一因素。系統采用后散射探頭和側散射探頭來測量濁度，從而測得懸移質含沙量[11]。要具備寬帶模式與脈沖相干法2種以上工作模式，工作時可自動調整采樣頻率和測流模式，可自動連續跟蹤流速和水深，具有較強的深水、淺水測量適應性。

2.2 在線泥沙監測系統

在線泥沙監測系統由四大部分構成：監測中心(數據中心)、通信網絡、數據采集控制傳輸系統(RTU)、監測儀器。其中，監測儀器采用OBS501入水式濁度傳感器，采用無線傳輸數據，經泥沙監測系統將濁度轉換為含沙量，利用現場監測、數據采集控制設備的數據遠傳通訊功能和泥沙監測軟件功能實現數據的遠程采集和監測，進而實現河流懸移質泥沙在線、自動、實時監測[12]。該系統可接入在線流量數據，實現輸沙率的實時輸出、在線測量。在統計分析方面，可生成符合水文資料整編規范多種報表，同時接駁南方片整編軟件，實現批量自動處理數據整編。

3 比測

3.1 比測要求

南寧站自動化走航式全斷面懸移質輸沙率比測工作，根據GB/T 50159—2015《河流懸移質泥沙測驗規范》技術要求[13]，與人工測驗懸移質輸沙率的斷沙、單沙進行比測，在一年內的高、中、低沙的水流過程布設30次以上的測次。

3.2 比測方法

自動化走航式全斷面懸移質輸沙率同步比測方式：①在纜道測流斷面，首先將安裝好的OBS501入水式濁度傳感器(入水深0.3 m)及無線傳輸接收系統、走航式ADCP安裝在無動力三體船，與手提電腦運行測沙系統進行測前調試，各項信息傳輸接收正常[14]，然后利用纜道牽引三體船運行2個測回(每一測回為往、返測次)，取其平均值為斷面平均濁度Rv，與測輸沙率軟件預先設置的參考系數0.001×Rv得自動斷面平均含沙量Cv(參考系數0.001是根據2015年已有的濁度與單沙關系系數來設置)；②同步開展機動測船進行的人工懸移質輸沙率和單沙測驗，得到人工斷面平均含沙量Cz和人工相應單沙Cs，其中人工相應單沙Cs是在起點距100 m分別取開始和結束時的單沙，取其平均值；③同步開展走航式ADCP流量監測，測得斷面流量Qz用于人工懸移質輸沙率Wz和自動懸移質輸沙率Wv的計算[15]；④同步在距纜道測流斷面40 m原流速儀測流斷面處，將另一臺OBS501入水式濁度傳感器安裝在固定起點距60 m垂線處(入水深0.5 m)，取其開始和結束時對應濁度平均值為輸沙率測驗的自動相應濁度值Rr，以輸沙率測驗時開始和結束時的濁度值Rt與開始和結束時的人工單沙Cs建立關系模型，關系系數為0.001，以0.001×Rt得自動單沙Ct, 以0.001×Rr得自動相應單沙Cr。

3.3 比測資料

南寧站從2016年5月31日至8月30日共比測31次(表1)，比測期間，斷沙變幅0.012～0.303 kg/m3，單沙變幅0.013～0.302 kg/m3，水位變幅61.72～70.22 m，輸沙率變幅7.50～1 430 kg/s，流量變幅593～5 980 m3/s,比測符合規范的技術要求。

4 關鍵技術

4.1 建立自動斷沙與人工斷沙關系模型

通過自動化走航式全斷面積寬法懸移質輸沙率與人工全斷面混合法懸移質輸沙率比測資料，建立南寧站自動斷沙與人工斷沙模型關系式：

Cz=Kv·Cv

(1)

式中Cz——人工斷沙，kg/m3；Cv——自動斷沙，kg/m3；Kv——相關系數。

依據31次比測資料，計算得南寧站自動斷沙Cv與人工斷沙Cz關系線相關系數Kv為1.079 5，建立南寧站自動斷沙Cv與人工斷沙Cz關系式：Cz=1.0795Cv，見圖1。

4.2 建立相應濁度與自動斷沙關系模型

由比測資料建立南寧站60 m相應濁度Rr與自動斷沙Cv模型關系式：

Cv=Kr·Rr

(2)

式中Cv——自動斷沙，kg/m3；Rr——相應濁度，NTU；Kr——相關系數。

依據31次比測資料，計算得南寧站相應濁度Rr與自動斷沙Cv關系線相關系數Kr為0.001 0，建立南寧站60 m相應濁度Rr與自動斷沙Cv關系式：Cv= 0.0010Rr，見圖2。

表1 南寧站自動化走航式全斷面積寬法懸移質輸沙率比測

圖1 南寧站Cv～Cz關系

圖2 南寧站Rr～Cv關系

4.3 建立濁度與人工單沙關系模型

由比測資料建立南寧站60 m濁度Rs與人工單沙Cs關系模型式。

Cs=Ks·Rs

(3)

式中Cs——人工單沙，kg/m3；Rs——60 m濁度,NTU；Ks——相關系數。

根據31次比測資料，計算得南寧站60 m濁度Rs與人工單沙Cs關系線相關系數Ks為0.001 0，建立南寧站60 m濁度Rs與人工單沙Cs關系式：Cs= 0.0010Rs，見圖3。

圖3 南寧站Rs～Cs關系

5 誤差分析

5.1 精度統計

根據2016年南寧站自動化走航式全斷面懸移質斷沙比測31次數據，建立南寧站自動斷沙Cv與人工斷沙Cz模型關系Cz= 1.0795Cv；建立南寧站相應濁度Rr與自動斷沙Cv模型關系Cv= 0.0010Rr；建立南寧站60 m濁度Rs與人工單沙Cs模型關系Cs= 0.0010Rs，這3個關系模型精度高、關系較好(表2、3)。

表2 南寧站自動斷沙Cv與人工斷沙Cz關系線誤差

表3 南寧站60 m濁度單沙與人工單沙關系線檢驗計算

5.2 誤差評估

5.2.1單沙誤差

南寧站采用OBS501濁度儀監測的含沙量是懸移質泥沙，泥沙粒徑很小，在同一環境(污染水體除外)、同一水深、同一時間監測的含沙量與人工測驗的含沙量誤差較小，因為OBS501濁度儀監測的濁度與人工測驗的含沙量關系相對穩定，要求在1 kg/m3以下范圍監測。從表3可知，南寧站60 m濁度單沙與人工單沙關系線隨機不確定度17%≤±18%(規范要求)，標準差8.5%≤±9.0%，系統誤差0.4%≤1.0%，平均相對誤差7.2%≤±9.0%，最大誤差15.38%，比測結果精度達到規范要求。

5.2.2斷沙誤差

南寧站采用OBS501濁度儀和走航式ADCP同步進行監測的含沙量、流量，為走航式全斷面積寬法懸移質輸沙率測OBS501濁度儀從水面至水深0.3 m掃射濁度，自左岸至右岸全斷面往返2個測回，由電動纜道勻速前行測取含沙量、流量，斷面平均含沙量為走航式全斷面積寬法(2個測回平均值)，與采用測船人工測驗斷面平均含沙量比測，斷面平均含沙量為全斷面混合法。斷面含沙量要求在1 kg/m3以下范圍監測。從表4可知，南寧站60 m相應濁度單沙與人工斷沙關系線隨機不確定度13%≤±18%(規范要求)，標準差6.5%±9.0%，系統誤差-1.4%≤-2.0%，平均相對誤差5.7%≤±9.0%，最大誤差-11.76%，比測成果精度達到規范要求。

表4 南寧站60 m相應濁度單沙與人工斷沙關系線檢驗計算

5.2.3誤差分析

從圖4、5和表4、5可知，南寧站60 m濁度單沙和人工單沙關系線呈單一線，相關系數R2為0.991 2，平均相對誤差7.2%，標準差8.5%(方差參數)；南寧站60 m相應濁度單沙和人工斷沙關系線呈單一線，相關系數R2為0.994 7，平均相對誤差5.7%，標準差6.5%(方差參數)。由此可見，南寧站60 m濁度單沙與人工單沙關系模型、南寧站60 m相應濁度單沙與人工斷沙關系模型的單沙、斷沙監測精度符合規范要求(表5)。

表5 南寧站自動化走航式全斷面懸移質單斷沙比測精度統計

圖4 南寧站Rr與Cz關系

圖5 南寧站Rr與Cv關系

5.3 對比分析

南寧站60 m相應濁度Rr與人工斷沙Cz關系模型Cz= 0.00105Rr，南寧站60 m相應濁度Rr與自動斷沙Cv關系模型Cv= 0.0010Rr(圖4、5)。

由表6可知，南寧站60 m相應濁度Rr與自動、人工斷沙Cz關系模型基本相似，相關性較好。

表6 南寧站60 m相應濁度Rr與自動Cv、人工斷沙Cz關系模型誤差對比

6 結論

南寧站自動化走航式全斷面懸移質輸沙率比測結果達到GB/T 50159—2015《河流懸移質泥沙測驗規范》的技術要求，合格率100%。關鍵技術：南寧站自動斷沙Cv與人工斷沙Cz模型關系Cz= 1.0795Cv；南寧站相應濁度Rr與自動斷沙Cv模型關系Cv=0.0010Rr；南寧站起點距60 m濁度Rs與人工單沙Cs模型關系Cs= 0.0010Rs。該成果可直接用于自動化走航式全斷面懸移質輸沙率測驗工作中，并可作為常規測驗方式。自動化走航式全斷面懸移質輸沙率比測試驗取得了成功，標志著南寧站在懸移質輸沙率測驗的研究工作取得了新突破，改變傳統測法要經過取水樣、處理、烘干、稱重4個環節工序，解決了南寧站懸移質輸沙率測驗難、用人多、效率低的問題。