TES-91 泥沙監測儀在馬口站的應用研究

楊志斌，梁樹棟

（廣東省水文局佛山水文分局，廣東 佛山 528132）

0 前言

懸移質含沙量測驗是研究流域產沙、輸沙規律的重要途徑。目前懸移質含沙量測驗的主要方法是：人工取樣后烘干稱重。該方法從樣品的采集到分析，均需要大量人力和物力投入，而且樣品處理周期長，操作過程繁瑣，難以實時監測河流懸移質含沙量的變化。近年來隨著新產品新技術的不斷引進，針對河流泥沙的監測積累了一些經驗，取得了一些進展。TES-91 泥沙監測儀可自動測量水體含沙量密度、水溫等特征值，數據采集和處理均可現場完成，操作簡便，能迅速、高效地測量得到水體的懸移質含沙量值。

1 TES-91 泥沙監測儀測量原理

TES-91 泥沙監測儀使用光電法進行懸移質測驗。光電傳感器由一個紅外發射光源和兩個不同角度（90°和135°）紅外接收傳感器構成，使這三個光孔之間呈三維立體狀。紅外光從光源發出，經過水中懸移質顆粒物的反射或散射再被另兩個傳感器接收，水中懸移質顆粒物越多傳感器接收到的反射信號就越多，工作原理見圖1。傳感器將接收到的光強度轉換為電阻信號，再通過芯片轉換為數字信號。后端芯片將所有接收到的數據進行大量計算，采用逆投影成像算法，通過模擬成像計算圖片中的顆粒密度。

圖1 工作原理圖

對于不同懸移質的本身密度和顏色的不同，對光的反射率不同。所以在懸移質的測量過程中若需要提高精度則需要取樣進行同質性標定，或與人工取樣值進行對比后進行線性修正。

2 測站概況

馬口水文站位于西江干流水道，是西、北江在思賢滘連通后進入珠江三角洲的重要水文控制站，懸移質含沙量測驗精度屬于二類精度站。水文站測驗河段順直約3 km，水流穩定。低水位時受潮汐影響，洪水期，受西江、北江洪水組合影響。北江單一洪水期間，懸移質含沙量沿斷面橫向分布不均勻；西江單一洪水或西江、北江同時發生洪水期間，懸移質含沙量沿斷面橫向分布較為均勻。多年平均含沙量為0.254 kg/m3。實則最大含沙量為3.52 kg/m3（1986 年）。受上游水利樞紐影響，河道含沙量呈現逐年減少趨勢，近十年（2008 年～2019 年）最大含沙量為0.934 kg/m3。

3 TES-91 標準液測試

儀器進行現場測試前，在實驗室進行標準液測試，步驟如下：用硅藻土配置濃度范圍在0～20 g/L 的14 個不同級別標準液（具體濃度以實際配置為準），攪拌均勻，采用磁力攪拌器攪拌標液的同時并放入儀器探頭，等待儀器穩定后開始測量并記錄，每次測量前均用純水對探頭進行沖洗并擦干。各級標準液實際濃度和儀器測量結果見表1。結果表明，TES-91 泥沙監測儀在0～20 g/L 量程誤差在10%范圍內，相關系數為0.9943，當標準液濃度為21.33 g/L 時，誤差最大。

表1 標液測試結果

4 TES-91 現場比測實驗

為了解烘干法測沙與TES-91 測沙結果之間的關系，在馬口站進行TES-91 測沙和烘干法測沙的比測試驗，并進行分析對比，建立相關關系曲線。

4.1 TES-91 的比測方式

采用現場采集水樣的方式對TES-91 進行率定，具體方法是將TES-91 與橫式采樣器綁定在一起，TES-91 施測現場水體的含沙量（記為CS儀，下同），每點測驗歷時不少于60 s，同時采集相應位置的水樣，采樣水層依次為0.2 H、0.6 H、0.8 H，使用2000 mL 的橫式采樣器進行采樣。水樣烘干法進行懸移質含沙量（記為CS實，下同）的分析，利用TES-91 測的的水體含沙量和烘干分析的含沙量值，聯立兩者之間的關系曲線和相關系數。TES-91 泥沙監測儀只能測量懸移質含沙量，并不能測驗顆粒級配。烘干后的泥沙樣品使用馬爾文2000 分析其顆粒級配，分析水體泥沙顆粒級配是否會對TES-91 泥沙監測儀測驗產生影響。

4.2 TES-91 與采樣器的安裝

為保證TES-91 泥沙監測儀與采樣器同步采樣，TES-91 的儀器安裝支架設置在鉛魚的正上方，橫式采樣器的正下方，與橫式采樣器之間相距0.3 m。馬口站懸移質含沙量測驗垂線在平水期平均水深約20 m，儀器與橫式采樣器的間距占平均水深的1.5%，TES-91 泥沙監測儀與橫式采樣器的間距對比測精度影響較低。

5 比測數據分析

5.1 相關關系建立

本次比測時間為2019 年4 月1 日～2019 年7 月21 日，共計收集72 個比測數據點。比測期間，馬口站發生了2 次較為明顯的漲水過程，其中6 月中旬發生的洪水為西江、北江同時發洪的雙江洪水，洪峰水位為4.63 m；7 月中下旬發生的洪水為西江單江洪水，洪峰水位為4.95 m。期間實測懸移質含沙量為0.010 kg/m3～0.688 kg/m3，2019 年馬口站最大懸移質含沙量為0.688 kg/m3，試驗基本涵蓋了本年度懸移質含沙量的變化范圍，含沙量級配較均勻，代表性強。

對CS實與CS儀進行相關分析，按照最小二乘法，對72 份數據分段進行線性回歸計算[1]，得到相關關系公式分別如下：

CS實=0.7027CS儀-0.0019，CS儀<0.40；CS實=1.9065CS儀-0.4900，CS儀>0.40。

在CS儀低于0.4 kg/m3時候，CS實與CS儀相關性較好，當CS儀高于0.4 kg/m3,數據點與CS儀低于0.4 kg/m3的關系線偏差較大，因此單獨建立相關關系線。兩條關系線三線檢驗結果見表2。兩條關系曲線符號檢驗、偏離數值檢驗、適線檢驗、系統誤差均滿足《水文資料整編規范》（SL 247-2012）相關規定要求，隨機不確定度滿足二類泥沙精度站要求的24%（多線法）。

表2 三線檢驗結果表

圖2 相關關系圖

從馬口站2005 年～2018 年的懸移質顆粒級配資料來看，來沙組成以泥質顆粒為主，來沙特征較穩定。近十年中數粒徑（D50）變幅為0.007 mm～0.019 mm，年內、年際懸移質顆粒粒徑變化較小。將比測收集到的72 份垂線混合沙樣的顆粒級配資料進行分析，X 軸表示CS實，Y 軸為中數粒徑（D50），Z 軸為CS儀。如圖3 所示，馬口站測沙斷面顆粒粒徑變化較為穩定，中數粒徑（D50）介于0.007 mm～0.015 mm 之間，主要集中在0.009 mm～0.011 mm 之間，且隨著含沙量的增加，D50趨向于集中。

圖3 比測過程顆粒粒徑和含沙量關系圖

使用SPSS 20.1 數據分析軟件對CS實-CS儀-D50進行二元線性回歸分析，結果見表3、表4。F 檢驗結果sig.<0.05,說明CS儀與D50中至少有一個自變量能夠有效預測因變量CS實。CS儀的回歸系數顯著性值sig.=0.000<0.01<0.05，表明CS儀對應的回歸系數B 存在，有統計學意義；D50的回歸系數顯著性值sig.=0.566>0.05，D50的回歸系數不顯著，因此認為馬口站使用TES-91 泥沙監測儀，D50與CS實在統計學意義上無顯著影響。

表3 F 檢驗結果

表4 回歸系數及顯著性值

5.2 來沙過程模擬及相對誤差

采用5.1 得到的相關方程，計算TES-91 推算的相應含沙量，與實測含沙量對比還原2019 年4 月～7 月含沙量變化過程，見圖3。相應含沙量和實測含沙量隨時間變化過程基本一致，實測含沙量減少時相應含沙量減少，實測含沙量增大時相應含沙量增大，兩者同時達到峰值，且變化幅度基本一致。

圖3 含沙量過程比較

TES-91 推算的相應含沙量與實測值之間的平均相對誤差可用下式計算[2]：

式中：E 是平均相對誤差；Cc、Cm分別是相應含沙量和實測含沙量，kg/m3；N 是數據個數。

馬口站單次測驗實測含沙量與TES-91 推算的單次含沙量相對誤差見圖4。

圖4 單次測驗相對誤差

經計算，全部實測測次的實測含沙量與推算含沙量的平均相對誤差為1.05%。單次相對誤差來看，當含沙量小于0.10 kg/m3，測驗相對誤差較大，但絕對誤差較小。比如5 月5 日，實測含沙量0.062 kg/m3，推算含沙量0.088 kg/m3，實測值與推算值之差為0.026 kg/m3，相對誤差為41.9%。從計算年輸沙量方面來看，對年輸沙總量影響較小。

6 結論

（1）TES-91 泥沙監測儀具有較好的穩定性，能迅速、高效地測量得到水體的懸移質含沙量值，提高懸移質含沙量測量的時效性。

（2）馬口站測驗河段懸移質顆粒級配變化不明顯，在該斷面使用TES-91 泥沙監測儀，懸移質顆粒級配與儀器測量值相關性不顯著。

（3）TES-91 泥沙監測儀測量值與實測含沙量存在顯著的線性相關，但相關關系不是單一直線關系，隨著含沙量增加會發生變化，關系曲線以CS儀=0.40 kg/m3為界成兩條直線。關系曲線均通過了水文規范要求的三線檢驗，滿足水文測驗精度要求。

（4）目前TES-91 泥沙監測儀在馬口水文站的比測范圍為0.70 kg/m3以下，表明在馬口站河段水體含沙量小于0.70 kg/m3時，TES-91 泥沙監測儀器能滿足二類精度泥沙站的要求。