OBS-3A濁度儀在阜新地區多沙河流含沙量測驗的應用分析

王丹丹

(遼寧省盤錦水文局，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

傳統含沙量測驗為進行水樣采集后，進行室內烘干稱重得到含沙值，在于當時的水量進行相除得到斷面平均含沙量[1]。這種方式需要人工通過布設斷面測沙垂線進行采樣后進行測定，很難實現含沙量的自動測定[2]。近些年來，OBS-3A濁度儀逐步在一些河流中得到應用[3-7]，長江委水文局作為全國第一批使用OBS-3A濁度儀進行含沙量測驗，在具有應用過程中取得了許多寶貴經驗[8]。通過對比觀測，建立OBS-3A濁度儀觀測的濁度值和含沙量的線性方程，將濁度值轉換成對應的斷面含沙量，從而實現斷面含沙量的自動觀測[9]。如何確定該線性方程，以及河流含沙量范圍內OBS-3A濁度儀適用性較高一直是水文測驗工作者分析的重點和難點，在我國其他區域河流含沙量測驗中均進行過同步觀測試驗[10-15]，在不同區域對比觀測試驗結果表明，在不同河流OBS-3A濁度儀的相關方程沒有通用性，需要結合河流含沙量實際變化特點，建立河流水流濁度和含水量線性方程，并探討其含沙量的適用范圍。阜新地區屬于遼寧省河流含沙量較多的區域，為此各河流含沙量測驗任務較重，在當前水文現代化建設背景下，需要結合先進的含沙量觀測儀器實現區域含沙量的自動觀測，從而減少含沙量觀測的勞動強度，提高含沙量測驗效率。

1 測站概況

文章以阜新地區的彰武水文站為研究實例，彰武水文站為阜新地區多少河流柳河的重要控制水文站，彰武水文站水面寬度約為400m，河段斷面沖淤變化較大，柳河素有“小黃河”的稱號，年平均含沙量為18.2kg/m3，含沙量高值主要集中在6-9月份，平均含沙量介于11.9-16.4kg/m3之間，含沙量最低值一般為2月份，平均含沙量<0.15kg/m3。

2 比測及精度評價方法

2.1 比測方法

OBS-3A濁度儀基于光學測定原理，通過紅外輻射光的接收對懸浮物質進行監測。建立泥沙濃度和水體濁度的相關關系，對含沙量進行推求。在進行對比觀測時，將橫式采樣器和OBS-3A濁度儀在水文纜道在同一水平線上進行安裝，采樣U型比測架進行平衡和固定。OBS-3A濁度儀對橫式采樣器進行同步取樣和數據采集。采樣儀器在水中停留3min后對數據采集的時間進行記錄。連續測量20次作為采樣點濁度的平均值，橫式采樣器在開啟數據采集的同時進行水樣的采集，各采樣點依次位于垂線各測點，在每個垂線監測點至少保持80s的觀測時間，保證數據采集的時效性和準確性。從2016年7月至8月下旬，進行對比觀測試驗60次，試驗觀測含沙量在0.03-0.15kg/m3之間，對整個年份義縣水文站斷面含沙量進行基本涵蓋。比測試驗代表性較高，分布較為均勻。

2.2 精度評價指標

對比觀測主要是分析采用OBS-3A濁度儀推算的含沙量和同一觀測斷面實測含沙量之間精度，主要采用系統誤差、隨機不確定度以及標準差3個指標作為比測試驗的精度評價指標，各指標計算方程分別為：

1)系統誤差

△N=∑[(Csi-Csci)/Csi]/(n-2)

(1)

2)標準差

(2)

3)隨機不確定度

(3)

(4)

3 比測定線結果

3.1 測驗斷面布置

在彰武水文站測驗斷面上、中、下各布設3個觀測斷面，各觀測斷面起點距見表1，并在各觀測斷面同一位置布設6條測沙垂線，對比觀測斷面起點距范圍，見表1；測沙垂線分布情況，見表2。

表1 對比觀測斷面起點距范圍

表2 測沙垂線分布情況

3.2 OBS濁度值與含沙量相關方程的建立

將橫式采樣器河OBS-3A濁度儀進行捆綁后，同步觀測采集水樣的濁度值，建立布設的6條測沙垂線的含沙量和濁度值之間的線性回歸方程，各測沙垂線含沙量與濁度值之間的線性回歸方程，見表3。

表3 各測沙垂線含沙量與濁度值之間的線性回歸方程

在各測沙垂線位置進行同步觀測，在彰武水文站纜道上同時掛OBS-3A濁度儀和傳統含沙量采樣器，進行同步觀測和采樣，記錄OBS-3A濁度儀觀測的同一位置的水流濁度值，后期試驗稱重測定的含沙量進行相關方程的建立，從各測沙垂線相關方程可看出，測定的濁度值和含沙量總體呈現線性變化關系，通過對比觀測時間，這一階段彰武水文站測驗斷面平均含沙量在11.5-15.0kg/m3之間，相關系數總體可保持在0.5以上，表明在彰武水文站測驗斷面具體應用時，當斷面含沙量<15.0kg/m3，河流水流濁度和含水量具有較好的線性關系。

3.3 比測精度分析結果

基于上述線性關系可推算斷面含沙量，結合實測含沙量進行精度對比分析，檢驗推算的含沙量是否滿足測驗精度要求。對6條測沙垂線的的含沙量推求精度進行評定，彰武水文站各測沙垂線的含沙量比測精度分析結果，見表4。

表4 彰武水文站各測沙垂線的含沙量比測精度分析結果

從精度評定結果可看出，彰武水文站各測沙垂線精度評定指標總體可達到合格要求，從符號檢驗科看出，6條測沙垂線均可達到合格水平，符號檢驗中要求高于0.2即表明測沙垂線未有明顯的偏離程度。從適線檢驗可看出，在6條測沙垂線有3條垂線達到免檢水平，其他均為合格水平，表明采用的各測沙垂線的濁度和含沙量的相關方程滿足含沙量測驗的適線檢驗要求。隨機不確定度主要是評定各條測沙垂線是否有系統偏差，從隨機不確定度評定結果可看出，各測沙垂線的隨機不確定度局<2.0，基本可達到90%的檢驗水平，隨機不確定度均達到合格要求。隨機不確定度和系統誤差均有一定程度的相似性，從系統誤差可看出，各測沙垂線采用OBS-3A濁度儀轉換的含沙量值和同步觀測的含沙量系統誤差在±10%以內，滿足河流泥沙測驗的規范要求，此外標準差也在10%以內，表明同步觀測測定的含沙量數據樣本系列具有較好的代表性。

4 比測結論

1)通過對含沙量測驗次數進行合理布設，OBS-3A濁度儀可以監測斷面的沙峰變化，對實現含沙量自動測定具有重要的意義。

2)在使用OBS-3A濁度儀進行含沙量測驗時，水流攜沙能力影響懸沙粒徑的垂向分布，因此對于上下層水樣泥沙顆粒具有分層效應的水文站點，可依據不同水深分層建立濁度與含沙量的線性方程。

3)在阜新地區，當含沙量低于20kg/m3時，水流濁度和含水量具有較好的線性關系，含沙量的測驗精度總體可滿足測驗精度要求。