TES-71纜道泥沙監(jiān)測系統(tǒng)在略陽水文站的應(yīng)用

趙 軍，夏群超

（漢中水文水資源勘測中心,陜西 漢中 723000）

1 基本情況

1.1 測站概況

1.1.1 測驗(yàn)河段概況

嘉陵江流域?qū)儆诒眮啛釒駶櫄夂騾^(qū),夏無酷署,冬無嚴(yán)寒,是長江上游的支流,發(fā)源于陜西省鳳縣西北涼水泉溝,因流經(jīng)鳳縣東北嘉陵谷而得名。干流全長1345 km,流域面積15.98 萬km2。流域年平均氣溫13.2℃,雨量豐沛,植被較好,降水主要受季風(fēng)影響,時空分布不均,全年降水多集中于7 月~9 月,平均占全年降水量的50%以上,受上游疏松土質(zhì)及風(fēng)化影響,水土的嚴(yán)重流失,成為流域內(nèi)泥沙產(chǎn)生的主要來源,是長江流域主要支流中挾帶泥沙最多的河流。

略陽水文站建站于1939 年8 月,是長江流域嘉陵江干流的主要控制站,國家重要水文站、大河控制站,現(xiàn)址位于陜西省漢中市略陽縣城關(guān)鎮(zhèn),海拔高程639.028 m,集水面積19206 km2,控制河長205 km。主要測驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、含沙量、降水、蒸發(fā)、泥顆等。略陽水文站測驗(yàn)河段主流隨水位變化在測流斷面起點(diǎn)距90 m～135 m之間擺動。在基上500m處有嘉陵江大橋,基下500 m處為高洪斷面。測站斷面為基本水尺斷面兼浮標(biāo)測流斷面；上浮標(biāo)斷面兼上比降斷面,下比降斷面兼下浮標(biāo)斷面,流速儀測流斷面位于基下5 m。略陽水文站上游42 km處的嘉陵江支流西漢水干流上建有葫蘆頭水電站,壩址位于西淮壩鄉(xiāng)下游11 km處,于2001 年12 月30 日竣工投產(chǎn)發(fā)電,建成后對中低水有影響,測驗(yàn)河段河床由砂卵石和砂礫石組成,左右兩岸為混凝土防洪堤護(hù)坡,穩(wěn)定性較好。略陽水文以上水系位置圖見圖1。

圖1 略陽站位置圖

1.1.2 水文特征

略陽水文站自建站以來實(shí)測最高水位644.96 m（1981.8.22）；實(shí)測最大流量5190 m3/s（1990 年7 月6 日）；建站以來最大流量8630 m3/s（1981 年8 月22 日,施測方法為推求）;實(shí)測最大斷面流速4.76 m3/s（1972 年 7 月9 日）,2.0 m3/s實(shí)測最大含沙量538 kg/m3（1972 年8 月 27 日）,最小0.001 kg/m3。

1.2 測驗(yàn)斷面情況

略陽水文站測驗(yàn)河段順直,上下斷面長度200 m,設(shè)置基本水尺斷面兼浮標(biāo)測流斷面；上浮標(biāo)斷面兼上比降斷面,下比降斷面兼下浮標(biāo)斷面,流速儀測流斷面位于基下5 m,基本斷面共設(shè)6 支水尺,P1、P2、P5、P6為直立式無縫鋼管加搪瓷尺板水尺,P3、P4為斜坡水尺。斷面測流采用江西贛州全自動纜道一套和手持式電波流速儀一臺相結(jié)合的方式；泥沙采用器皿和瓶式采樣器兩種方法相結(jié)合；斷面右岸觀測樓前,場地長8 m,寬6 m,高程為639 m。場地內(nèi)安裝有一套徐州偉思公司FFZ-01 Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)自動站一套,人工雨量計一臺。

圖2 略陽水文站泥沙監(jiān)測傳感器安裝位置

1.3 泥沙測驗(yàn)方案

纜道泥沙監(jiān)測裝置,包括測沙軟件、鉛魚、泥沙傳感器、監(jiān)測盒,鉛魚設(shè)于纜道上,泥沙傳感器通過抱箍固定在監(jiān)測盒上,監(jiān)測盒通過鐵籠固定在鉛魚上,監(jiān)測盒盒體頂部設(shè)有航空插頭,監(jiān)測盒內(nèi)設(shè)有數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊、蓄電池,泥沙傳感器、航空插頭的通信部、數(shù)據(jù)處理模塊和無線通信模塊按照信息傳輸線路依次連接,航空插頭的充電部、蓄電池和數(shù)據(jù)處理模塊按照供電線路依次連接。泥沙測驗(yàn)斷面與流速儀測流斷面重合,位于基本水尺斷面100 m處,鉛魚重量150 kg。

1.3.1 單沙測驗(yàn)

采樣位置在流速儀測流斷面起點(diǎn)距100 m處,采用固定一點(diǎn)積深法取樣（相應(yīng)水深0.6 m）（2021 年汛前測量,起點(diǎn)距100 m河底高程627.00 m）。

汛期每日8 時取樣1 次,當(dāng)出現(xiàn)超警戒洪水636.55 m（流量3000 m3/s）時,按8 段或24 段取樣,洪峰水位及峰前、峰后增加取樣次數(shù),力求測到沙峰,及較完整的含沙量變化過程。

1.3.2 纜道泥沙監(jiān)測系統(tǒng)測驗(yàn)

本站輸沙率測驗(yàn)實(shí)行間測,今年屬停測年份,采用歷年綜合單斷沙關(guān)系曲線推求斷面平均含沙量,單斷沙關(guān)系為45°直線,系數(shù)為1.000。本次實(shí)驗(yàn)過程采用檢測設(shè)備和人工采沙同時進(jìn)行,自2021 年6 月1 起至2021 年7 月31 日已取得兩個月的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)見表1。

表1 略陽水文站纜道泥沙監(jiān)測系統(tǒng)比對數(shù)據(jù)

2 TES-71泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)概述

TES-71 纜道式泥沙監(jiān)測系統(tǒng)是將泥沙監(jiān)測儀安裝在鉛魚上可實(shí)現(xiàn)單沙點(diǎn)測沙、纜道多點(diǎn)測沙,有積時法或積深法兩種測量方法,也可便攜式測量,實(shí)現(xiàn)多站共用。泥沙監(jiān)測儀帶自動清洗功能,清洗時間和清洗頻率可設(shè)定。泥沙監(jiān)測儀符合《水文儀器基本參數(shù)及通用技術(shù)條件》（GB/T 15966-2017）的要求。

2.2 纜道式泥沙監(jiān)測系統(tǒng)組成

TES-71 纜道式泥沙監(jiān)測系統(tǒng)主要泥沙監(jiān)測儀﹑水下全防水控制系統(tǒng)（含供電、無線傳輸、數(shù)據(jù)存儲處理主機(jī)等）、筆記本電腦、數(shù)據(jù)管理軟件和纜道固定裝置等組成。

2.3 TES-71泥沙監(jiān)測儀的工作原理

TES-71 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),連續(xù)精確測定水體中的懸移質(zhì)泥沙含量并直接輸出泥沙含量數(shù)據(jù)。

2.4 TES-71泥沙監(jiān)測儀的技術(shù)特點(diǎn)

TES-71 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。使用紅外發(fā)光二極管LED產(chǎn)生紅外光,原理是通過半導(dǎo)體的電子與空穴復(fù)合來產(chǎn)生紅外光。

通過2 個感光器接收強(qiáng)度,結(jié)合米氏散射原理通過調(diào)頻計算出米氏散射強(qiáng)度,通過總接收光強(qiáng)減去米氏散射強(qiáng)度得到幾何光學(xué)反射強(qiáng)度。標(biāo)定模型計算出水體中產(chǎn)生散射的泥沙含量與產(chǎn)生幾何光學(xué)的泥沙含量；同時采用分布式感光強(qiáng)度通過逆投影算法計算出被測水體中懸移質(zhì)分布情況,2 個感光系統(tǒng)同時進(jìn)行,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。

在泥沙自動測量中最重要的是懸移質(zhì)（懸浮顆粒物）的同質(zhì)性,泥沙可以分為很多種,如：青沙、黃沙、棕沙等,它們的質(zhì)量不同、顏色不同,對光的反射率也完全不同,所以如果采用同一種方式去測同質(zhì)性完全不同的泥沙,得出的結(jié)果可能相差甚遠(yuǎn)。TES-71 泥沙監(jiān)測儀會根據(jù)不同流域?qū)鞲衅鬟M(jìn)行分類來標(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,這樣得出最終結(jié)果的絕對誤差會減小甚多。

2.5 系統(tǒng)的功能特點(diǎn)

多種應(yīng)用方式：單沙點(diǎn)測沙、纜道多點(diǎn)測沙（積時法/積深法）、便攜式測沙。

自動采集及處理泥沙數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)水下數(shù)據(jù)采集和存儲,可存儲5 年以上的數(shù)據(jù),保證系統(tǒng)入水后數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和完整性。

攜帶方便,一個人可以完成測量。

測量時間短,隨意選擇測量點(diǎn)。

可充電鋰電池供電,工作時間持續(xù)測量12小時以上。

可輸入水位和流量,自動計算出輸沙率。

便攜式設(shè)計,可實(shí)現(xiàn)多站共用。

生成水文規(guī)范報表,可直接參與資料整編,軟件功能可定制。

3 適用技術(shù)規(guī)范

《水文測驗(yàn)實(shí)用手冊》（2013年版）

《水文測量規(guī)范》(SL 58-2014）

《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）

《水文自動測報系統(tǒng)規(guī)范》（SL 61-2015）

《河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》（GB/T 50159-2015）

《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》（SL 42-2010）

4 儀器的安裝

TES-71纜道式泥沙監(jiān)測系統(tǒng)安裝在流量測驗(yàn)斷面起點(diǎn)距約100 m的測驗(yàn)位置,傳感器在入水深度0.60 m。采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常或傳感器有附著物時,可以升起纜道將設(shè)備提出水面排障,泥沙監(jiān)測儀安裝位置見圖3。

圖3 略陽水文站泥沙監(jiān)測傳感器安裝位置

5 比測率定分析

為不斷提高水文測報的自動化水平,積極開展水文新儀器新設(shè)備的引進(jìn)、推廣和應(yīng)用。2021 年06 月01 日起,將TES-71 纜道式泥沙監(jiān)測儀安裝在略陽水文站并開展正式比測率定工作。

5.1 含沙量率定方法

同位置點(diǎn)含沙量人工方法（在儀器旁采用瓶式采樣器單獨(dú)取樣,利用烘干法所測取的含沙量）與TES-71 纜道式泥沙數(shù)據(jù)同步比測,通過TES-71 纜道式泥沙數(shù)據(jù)和同位置點(diǎn)人工含沙量樣本建立模型。

采用TES-71 纜道式泥沙監(jiān)測儀經(jīng)率定后的數(shù)據(jù)與同位置點(diǎn)人工含沙量樣本分進(jìn)行誤差分析,驗(yàn)證相關(guān)關(guān)系模型的準(zhǔn)確性。

5.2 比測率定資料選取

略陽水文站纜道式泥沙監(jiān)測儀自2021 年06 月安裝以來,開展同步比測工作,人工實(shí)測含沙量變化范圍為0.015 kg/m3~33.6 kg/m3,截止2021 年07 月31 日共搜集到比測數(shù)據(jù)90 組樣本數(shù)據(jù)（去粗差個別設(shè)備樣本數(shù)據(jù),經(jīng)分析主要原因是含沙量大,監(jiān)測過程中沒有及時維護(hù)設(shè)備而造成數(shù)據(jù)偏大）,其中實(shí)測含沙量大于1.00 kg/m3的數(shù)據(jù)26 組,實(shí)測數(shù)據(jù)含沙量變化范圍可以代表略陽水文站的單沙數(shù)據(jù)。

此次TES-71 纜道式泥沙監(jiān)測儀器示值最大34.23 kg/m3,最小0.009 kg/m3,同位置點(diǎn)實(shí)測含沙量最大33.6 kg/m3,最小0.02 kg/m3。

5.3 率定分析及誤差分析結(jié)果

5.3.1 穩(wěn)定性分析

統(tǒng)計分析2021 年06 月~2021 年07 月人工實(shí)測含沙量與纜道式泥沙數(shù)據(jù)兩者之間變化趨勢一致,吻合程度非常高。泥沙過程線對比見圖4。

圖4 人工實(shí)測含沙量與纜道式泥沙過程線對比圖

5.3.2 水位變化對泥沙含量的影響分析

將水位、纜道式泥沙數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果顯示泥沙數(shù)據(jù)變化隨水位漲落變化趨勢一致,符合略陽站的水位泥沙變化規(guī)律。水位泥沙過程線見圖5。

圖5 略陽水文站水位泥沙過程線圖

5.3.3 相關(guān)關(guān)系模型分析

建立同位置點(diǎn)人工實(shí)測含沙量與纜道式泥沙監(jiān)測儀數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系模型,從儀器示值與同位置點(diǎn)含沙量建立的模型可以看到儀器性能穩(wěn)定,采用同位置點(diǎn)人工實(shí)測含沙量與纜道式泥沙監(jiān)測儀數(shù)據(jù)進(jìn)行率定分析,關(guān)系見圖6,結(jié)果顯示兩者相關(guān)性顯著,R2=0.9995,表明該儀器在略陽水文站測驗(yàn)性能穩(wěn)定。

圖6 略陽水文站同位置點(diǎn)實(shí)測含沙量與在線泥沙數(shù)據(jù)率定關(guān)系

選取泥沙含量稍大的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn),樣本容量N=35,三項(xiàng)檢驗(yàn)均為合格；隨機(jī)不確定度為14.12%,系統(tǒng)誤差為-1.9%,滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）3.3.4 中規(guī)定隨機(jī)不確定度與系統(tǒng)誤差分別不超過18.0%±2%的要求。曲線檢驗(yàn)表見表2。

表2 TES-71纜道式泥沙數(shù)據(jù)與同位置點(diǎn)實(shí)測含沙量關(guān)系曲線檢驗(yàn)表

續(xù)表2

5.4 驗(yàn)證相關(guān)性模型

為驗(yàn)證TES-71 纜道式泥沙數(shù)據(jù)的代表性,將2021 年6 月～2021 年7 月纜道式泥沙數(shù)據(jù)通過率定的關(guān)系模型計算出線上含沙量,與人工實(shí)測含沙量進(jìn)行對照分析,見圖7。

圖7 率定后線上含沙量與人工實(shí)測含沙量的相關(guān)關(guān)系

從圖7 可以看出,纜道式泥沙數(shù)據(jù)經(jīng)率定模型計算后,同人工實(shí)測含沙量關(guān)系較好,吻合程度非常高。

5.5 特殊情況影響與處理辦法

在比測期間會遇到樹根、薄膜漂浮物纏繞水下傳感器,影響正常數(shù)據(jù)采集。針對以上問題解決辦法是在儀器數(shù)據(jù)采集期間,定期檢查儀器設(shè)備,查看探頭有無漂浮物纏繞,檢查固定裝置是否牢固等。若遇儀器受特殊情況影響應(yīng)及時針對其原因,進(jìn)行打撈漂浮物等維護(hù)管理、排除故障,保證測驗(yàn)儀器數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

為保證垂線間數(shù)據(jù)互相不干擾,在進(jìn)行每條垂線測量前應(yīng)啟動清潔刷自動清潔或用棉簽、軟抹布輕輕擦拭干凈傳感器表面的玻璃光源,再進(jìn)行測量,注意不要刮花或者損傷玻璃光源。

6 結(jié)論

本次比測分析了TES-71 纜道式泥沙數(shù)據(jù)與同位置點(diǎn)含沙量相關(guān)性。兩者顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)R2=0.9995,設(shè)備性能穩(wěn)定。選取泥沙含量稍大的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn),樣本容量N=35,三項(xiàng)檢驗(yàn)均為合格；隨機(jī)不確定度為14.12%,系統(tǒng)誤差為-1.9%,滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）3.3.4中規(guī)定隨機(jī)不確定度與系統(tǒng)誤差分別不超過18.0%±2%的要求。故可以得出通過建立率定模型,TES-71 纜道式泥沙監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)可以取代人工實(shí)測含沙量數(shù)據(jù)在略陽水文站投產(chǎn)使用。

TES-71纜道式泥沙監(jiān)測系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)泥沙測驗(yàn)需要大量人力、物力和時間的投入,測量周期長,操作過程繁瑣的技術(shù)問題,實(shí)現(xiàn)了安全高效,測量時間短（最短5 s即可得出含沙量數(shù)據(jù)）的泥沙監(jiān)測手段,解放了生產(chǎn)力,實(shí)現(xiàn)了對泥沙含量的實(shí)時監(jiān)測,掌握懸移質(zhì)泥沙的實(shí)時動態(tài)變化。TES-71 纜道式泥沙監(jiān)測設(shè)備是一種全新測量手段,如能得以推廣使用將是水文系統(tǒng)泥沙監(jiān)測的突破性創(chuàng)新。今后應(yīng)加強(qiáng)比測期間設(shè)備的維護(hù)工作,同時對比儀器不同安裝位置的數(shù)據(jù)、對比垂線泥沙分布的數(shù)據(jù)以及儀器參數(shù)設(shè)定等,進(jìn)一步優(yōu)化比測方案,提高比測精度,爭取早日投產(chǎn)使用。