長江枝城水文站TES-91泥沙在線監測系統比測試驗分析

胡友薺　樊銘哲　楊成　包小鵬　朱愛

摘要：為了論證在線光學測試儀器在長江上荊江河段的適用性，進行了TES-91泥沙在線監測系統的比測試驗分析。介紹了長江枝城水文站TES-91泥沙在線監測系統的系統組成、工作原理，并對其設備穩定性、儀器示值與實測斷面平均含沙量分別進行比測率定試驗。結果表明：儀器性能穩定，在線監測泥沙與實測斷面平均含沙量具有良好的相關關系。將TES-91測得的含沙量與實測斷面平均含沙量建立模型，計算得到的斷面含沙量精度較高，適用于枝城水文站泥沙在線監測和報汛。

關鍵詞：泥沙監測;含沙量率定;誤差分析;TES-91泥沙在線監測系統;枝城水文站

中圖法分類號：TV149 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2O20.07.005

河流懸移質泥沙含量（即含沙量）是重要的水文參數之一，河流含沙量監測對于水利水電工程建設水資源開發利用水土流失治理、工農業取水用水和水文預報等意義重大。目前，水文測量河流含沙量的主要方法是人工取樣，采用烘千和稱重計算含沙量，從樣品的采集到分析，不僅需要投入大量人力、物力和時間，且測量周期長，操作過程繁瑣，勞動強度大，難以實時監測河流含沙量的變化。因此，泥沙測驗成為了制約水文全要素在線監測的瓶頸。

長江枝城水文站開展了濁度儀比測試驗，并成功投產用于泥沙快速監測報汛，初步探索了光學法在泥沙測驗中的應用。近年來，國內外開展了紅外光在線測沙研究，李勇濤等在研究不同泥沙特征對散射光強度的影響時發現，泥沙顆粒的散射光強度不僅受泥沙含量影響，還隨著泥沙粒徑和泥沙亮度的變化而變化”，并且在基于940nm普通紅外光源的反射式泥沙測量傳感器測沙研究中發現，當水流含沙量低于207.39kg/m時，測量精度高于90%[2]。為了論證在線光學測沙儀器在上荊江河段的適用性，探索破除泥沙監測瓶頸之策，進一步提高水文測驗的現代化水平，2019年4月，枝城水文站通過在枝城水文躉船尾部固定位置處安裝TES-91泥沙在線監測系統，開展了儀器精度、穩定性、可靠性比測試驗了，尋求建立監測結果與斷面平均含沙量之間的相關關系。

TES-91泥沙在線監測系統

1.1系統組成

TES-91泥沙在線監測系統由紅外光泥沙傳感器、數據采集與傳輸系統（含RTU）、太陽能供電系統、數據遙測系統、現場顯示屏及中心站軟件組成，見圖1。

1.2測量原理

TES-91泥沙在線監測系統主要通過紅外吸收散射光纖法進行測沙4，應用ISO07027水質濁度測定方法，可以連續精確測定懸浮物濃度。按照ISO07027紅外吸收散射光線技術，不受色度影響測定懸浮物濃度值，通過建立懸浮物濃度值與泥沙含沙量的相關關系，即可直接輸出泥沙含沙量數據，實現實時在線監測，見圖2。

1.3主要參數

TES-91泥沙在線監測系統主要技術參數見表1。

2測驗河段概況

2.1測站基本情況

長江枝城水文站為國家基本水文站，也是長江荊江人口重要控制站。該站為荊江河段及洞庭湖防汛抗旱、水資源合理調配、河道整治提供水文資料。該測站設立于1925年，位于長江宜都市枝城河段，集水面積102.41萬km'，監測項目包括降水量、水位、流量、懸沙、懸移質顆分、沙質推移質、卵石推移質、床沙等。

2.2河流特性

枝城站測驗河段在兩彎道之間的順直過渡段上，順直段長度約3km，略顯上窄下寬狀，見圖3。斷面上游700m處有石磯，高水影響主泓擺動，河槽中高水位河寬1200～1400m，屬于寬淺型河流。測流斷面河床組成為沙質和礁巖，沖淤變化不大，河床較為穩定。枝城站徑流量來自上游長江千流和清江。

2.3測站斷面含沙量橫向分布

搜集近5a來所有選點法含沙量測驗資料，共計16次，分析近些年枝城水文測驗斷面的含沙量橫向分布變化規律。通過計算垂線平均含沙量與多條垂線平均含沙量之和的比值，同時加入常數予以區分，繪制出含沙量橫向分布圖，見圖4。

由圖4可見，含沙量在枝城測驗斷面上的橫向分布接近均勻分布，并保持穩定，為TES-91泥沙在線監測系統在枝城水文站比測試驗提供了良好條件。

3比測率定

3.1儀器安裝

TES-91在線測沙傳感器安裝在枝城水文躉船尾部固定位置（3353041.936，548917.382，1954年北京坐標系），傳感器入水深1.85m。應對儀器在線監測，定期檢查，在采集數據出現異常或水中有纏繞物時，應及時排障。

3.2含沙量率定方法

（1）儀器穩定性率定分析。人工測驗含沙量（在儀器旁采用橫式采樣器單獨取樣，利用烘干法所測取的含沙量）與TES-91在線測沙同步比測，將在線測沙儀器示值和人工測驗含沙量樣本建立模型。

（2）在線測沙儀器示值與斷面平均含沙量率定分析，儀器示值同步與斷面平均含沙量樣本建立模型。

3.3比測率定資料選取

選取2019年7月10日至2019年8月26日人工測驗含沙量樣本50份，斷面平均含沙量樣本46份，見表2。

此次比測結果為：儀器示值最大0.518kg/m'，最小0.045kg/m';人工測驗含沙量最大0.188kg/m'，最小0.019kg/m？;斷面平均含沙量最大0.216kg/m'，最小0.016kg/m'。

3.4率定分析及誤差分析結果

將在線測沙儀器示值與人工測驗含沙量建立相關關系（見圖5），回歸方程式為y=0.3781x-0.002。分析結果顯示兩者相關性顯著，相關系數0.98。對關系曲線進行檢驗，樣本容量N=50，符號檢驗統計值u=0.14<1.15（顯著性水平a=0.25），適線檢驗統計值U=0.86<1.64（顯著性水平a=0.05），偏離數值檢驗值lt＼=0.97<1.67（顯著性水平a=0.10），3項檢驗均為合格。隨機不確定度為23.4%，系統誤差為1.6%，滿足SL195-2015《水文巡測規范》54.5.9中規定隨機不確定度與系統誤差分別不超過24.0%，2%的要求。從儀器示值與人工測驗含沙量建立的模型可知，儀器性能穩定，未出現數據采集異常現象。

儀器示值與斷面平均含沙量建立相關關系（見圖6），回歸方程式為y=0.4271x-0.0064。分析結果顯示兩者相關性顯著，相關系數0.98。對關系曲線進行檢驗，樣本容量N=46，符號檢驗統計值u=0.44<1.15（顯著性水平a=0.25），適線檢驗統計值U=0.00<1.64（顯著性水平a=0.05），偏離數值檢驗值ltl=1.10<1.67（顯著性水平a=0.10），3項檢驗均為合格。隨機不確定度為24.0%，系統誤差為1.9%，滿足SL195-2015《水文巡測規范》要求。通過建立的模型，在線斷面平均含沙量可由儀器示值推算得到。

3.5儀器示值與實測含沙量整編成果分析

為了驗證TES-91泥沙在線監測系統測沙代表性，通過率定的公式，由儀器示值計算在線斷面含沙量，并進行整編，生成在線逐日平均含沙量和在線逐日平均輸沙率成果，與實測含沙量整編成果進行對照分析，見圖7。

由圖7可知，在線逐日平均含沙量、輸沙率與實測逐日平均含沙量、輸沙率關系較好，吻合程度高。枝城站水文測驗斷面平均含沙量與枝城水文躉船處儀器示值滿足以下關系：

y=0.4271x-0.0064? （1）

3.6儀器示值與實測含沙量洪水泥沙過程對比

2019年為平水年份，泥沙含量較小。為進一步分析泥沙在線監測系統泥沙傳感器的穩定性，選取2019年最大含沙量（洪水）變化過程實測數據（7月30日08：29至8月17日08：20），進行儀器示值、在線斷面平均含沙量和實測斷面平均含沙量洪水泥沙過程對比分析，見圖8。

通過對比分析，儀器示值與在線斷面平均含沙量平沙、沙峰和沙谷變化趨勢均吻合，兩者之間相關性良好。在線斷面平均含沙量與實測斷面平均含沙量，兩組數值十分接近。結果表明，在枝城測驗河段，在線斷面平均含沙量能準確代替實測斷面平均含沙量進行實時監測和報汛。

4結論

（1）比測試驗分析了TES-91在線測沙儀器示值與傳統人工測驗含沙量的相關性。兩者顯著相關，模型3項檢驗、誤差分析均滿足要求，表明TES-91在線測沙儀器用于枝城水文站測驗點的性能穩定。

（2）2019年含沙量較小，比測TES-91在線測沙儀器示值不超過0.518kg/m'，實測斷面平均含沙量不超過0.216kg/m'。在較低含沙量下建立的儀器示值與枝城水文測驗斷面平均含沙量模型相關性良好，通過了3項檢驗和誤差分析，滿足規范要求。在實測斷面平均含沙量不超過0.216kg/m'情況下，可由TES-91在線測沙儀器示值按式（1）推求斷面平均含沙量，實現泥沙在線監測。

（3）試驗中含沙量比測范圍有待于進一步擴大，應優化安裝方式及位置，為實現泥沙實時在線監測工作奠定基礎。

參考文獻：

[1]李勇濤，陳英智，李立新，等.紅外泥沙測量中的多種影響因素對比分析[J].水土保持應用技術，2017（5）：19-21.

[2]李勇濤，陳英智，李立新，等.基于940nm普通紅外光源的，反射式泥沙測量傳感器研究[J].水土保持應用技術，2015（6）：10-12.

[3]GB/T50159-2015河流懸移質泥沙測驗規范[S].

[4]鄭慶濤，曾淳灝，常博，等.基于紅外光技術的懸移質泥沙在線監測系統及應用[J].人民珠江，2017，38（11）：94-98.

[5]SL195-2015水文巡測規范[S].

（編輯：李曉瀠）