廣西河流OBS濁度儀在線監測系統含沙量關系模型研究與應用

潘仁紅

（廣西壯族自治區水文中心，南寧 530023）

目前，在全國水文系統得到一定應用的泥沙自動監測方法主要有振動式法、光學法、聲學法、同位素放射法等，其中光學法最為適合低含沙量的河流，而OBS濁度儀則是光學法中當前國內外應用效果最好的自動化泥沙監測設備之一。OBS濁度儀是一種通過光學反射原理測定河流含沙量的電子數字化監測系統，與傳統的水文泥沙測驗方法相比，OBS濁度儀監測系統具有智慧性高、信息量大、系統易于升級維護、精度和效率優越等特點，它的推廣應用對于水文泥沙測驗領域而言，是一次重大革命，標志著泥沙監測的現代化與智能化，應用前景廣闊。

OBS濁度儀主要是利用紅外光束通過水體，被水體介質吸收和反射，計算出水體濁度，再通過與傳統含沙量測驗成果進行同步比測，收集到足夠點據后，率定分析得到相關關系方程，進而實現投產使用目的。在實際應用中，由于OBS濁度儀只是測量安裝位置處的單點濁度值，必須首先利用實測資料確定自動監測的濁度值RC～傳統方法單樣含沙量CS關系（即含沙量關系的率定），然后才能通過實時水位、流量推求出實時斷面含沙量與輸沙率過程。含沙量關系的率定在OBS濁度儀技術應用的起到非常關鍵作用，往往決定著OBS濁度儀引進與監測工作的成敗。隨著水文系統對OBS濁度儀應用的日益深入，自動化泥沙監測的需求度、依賴性不斷提升，其關鍵技術探索及規律研究課題，也成為大家普遍關注的熱點。經過多年的OBS濁度儀應用摸索，廣西水文收集了境內典型河流實測成果資料，專題對OBS濁度儀含沙量關系規律分析、模型建立與應用進行了深入研究，達成了技術共識，取得較好的效益。

1 技術方法

（1）研究目的。通過實踐探尋OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系（簡稱含沙量關系）規律，建立廣西河流含沙量關系模型，同時優化含沙量關系率定成果的數據分析、集成處理和誤差控制等技術環節，更好地指導和推進廣西河流OBS濁度儀在線監測技術的應用。

（2）研究樣本。主要以廣西3處典型河流及水文站（斷面）為研究對象，即紅水河都安站、郁江南寧站、富川江富陽站。為提升樣本代表性，共收集了上述3站2010—2020年流速關系率定成果，樣本總數超過330個點據。

（3）主要技術路線。借鑒國際通則，結合廣西前期實踐成果，解析和衍生出適應廣西河流的含沙量關系模型，并在典型河流及水文站中應用驗證。各站按高、中、低水位均勻布設30個以上OBS濁度值～單樣含沙量關系（RC～CS關系）點據，并做好數據分析，以最小二乘法率定出具體的含沙量關系公式。對OBS濁度儀率定過程中，要按含沙量的變化范圍以及儀器特性、相關關系緊密程度，選用側散射或后散射的濁度數據，與傳統方法同步單樣含沙量數據建立相關關系；在單沙取樣時，OBS濁度儀應同步進行監測，水位變化不大時，可選取最靠近取沙時間的儀器測量值；水位變化較大時，可使用內插法，獲取最靠近取沙時間的儀器測量值。

2 模型的確定

2.1 國際通則簡介

借鑒美國地調局（USGS）提出的相關關系原理及其所衍生的國際通則，各水文要素相關關系推薦方程通常為USGS二元線性回歸方程，因此含沙量關系模型按式（1）表達。

式中：CS為單樣含沙量；RC為OBS濁度值；Z為水位；b1、b2、b3為回歸系數。

在廣西河流實際應用中，一般不推薦使用式（1），主要基于以下幾個方面考慮：

（1）水位Z屬于相對值，往往基于不同基面（如黃海基面、珠江基面、假定基面等）而言，測站基面不同，Z數值可以有幾倍甚至上百倍的差異，無形中減低了關系模型應用成果精度。

（2）不同種類水位傳感器的同步觀測成果有差異，此外水準聯測誤差、水尺零點測量誤差、水位讀數誤差等一系列因素的加入，都大大增加了率定成果的不確定性。

（3）在關系模型中，除含沙量外，自變量增多了一項，就增加了智能化解析環節與后期計算強度，易造成故障率倍增，影響推廣應用進度。

2.2 衍生關系模型

為探求適合廣西河流特性的含沙量關系模型及方法，對南寧、富陽等典型水文站先期試驗成果進行系統整理分析，結果發現國際推薦模型式（1）可衍生成為一元多次方程形式，更適合于廣西河流的普遍性特征。該衍生關系模型可表達為：

式中：CS為單樣含沙量；RC為OBS濁度值；b0、b1、b2、…、bn為回歸系數。

近幾年水文監測與分析應用證明，式（2）對廣西河流包括含沙量以內的各水文要素關系分析具體較好的適用性，體現了廣西河流實際特性與基本規律。該模型在近階段水文監測系統軟件平臺也得到了普遍應用，取得較好效果。但該模型結構相對復雜，在具體實踐中，建議各站按不同要素的實際需要加以優化處置，以達到最佳應用效益。

2.3 實用性簡化模型的確定及應用

根據式（1）、式（2），還可優化得到更為簡便的一元二次方程，即式（2）中的b3=b4…=bn=0，則：

式中：CS為單樣含沙量；RC為OBS濁度值；b0、b1、b2為回歸系數。

考慮到廣西河流的低含沙特點，以及OBS濁度值（單點監測）、單樣含沙量（通常為單線兩點采樣測定）等物理量并不復雜的實際情況，最終選擇以式（3）作為廣西河流及各水文站OBS濁度儀含沙量關系模型及方程。將其應用到南寧站、都安站、富陽站等3處典型河流水文站的率定分析實踐中，其科學性與可行性得到了進一步驗證。

在使用上述含沙量關系模型的過程中，還注意以下幾項約定：

⑴在滿足規范允許的精度要求的基礎上，盡量選擇最簡便的方程，條件允許時甚至可進一步簡化為一元一次方程（這種情況較常見），即CS=b0+b1RC。

⑵基于“整條河流懸移質成分統一且充分融合情況下，整個斷面無懸移質時，斷面各個部分也應無懸移質”的常理，即：斷面含沙量為0，單樣含量沙為0、OBS濁度值也應為0，因此，原則上式（3）中的參數b0=0。但考慮到廣西不同河流的特性、懸移質分析結構特性的差異原因以及測驗設備本身所存在的隨機誤差，允許b0趨于0但不必正好等于0。

⑶當遇到極其個別的特殊案例時，應重新整理資料，進一步通過分析查找原因，并在確保達到規范精度標準前提下，靈活應用上述模型，如多段式方程等。

3 典型案例分析

主要以南寧、富陽、都安等3站為例，其中南寧站、都安站為受水利工程影響的大江大河水文站，富陽站為山區性中小型河流水文站。

3.1 南寧水文站

3.1.1 測站概況

南寧水文站為西江一級支流郁江主要控制站，設立于1907年，位于南寧市西鄉塘區江北大道石埠路段6號，集水面積72 656 km2，屬國家基本水文站，泥沙測驗一類精度站。該站上游25 km有老口水利樞紐，下游51 km有邕寧水利樞紐。由于受上下游水利工程影響，天然挾沙、輸沙發生較大變化，河流懸移質泥沙成分日益單純、混合充分，斷面各垂線泥沙分布更為均勻，為泥沙監測自動化提供了條件。該站于2008年引進OBS濁度儀在線監測系統，并開展OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系的率定和校測等工作。

3.1.2 資料收集

南寧站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系率定、校測時間為2010—2018年，本次共收集關系點據（包括率定點據、校驗點據等）樣本數量為60份。

3.1.3 率定成果及誤差分析

經率定分析后，確定南寧站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系式：CS=0.001RC（即b2=b0=0，b1=0.001）。

定線精度：相關系數r=0.995，系統誤差δ=-0.04%，隨機不確定度為4.28%；適線三項檢驗合格。精度達到《河流懸移質泥沙測驗規范》（GB/T 50159-2015）、《水文資料整編規范》（SL/T 247-2020）等現行水文行業規范精度要求。

該站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系點據分布情況見圖1。

圖1 南寧水文站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系成果圖

3.2 富陽水文站

3.2.1 測站概況

富陽水文站為珠江流域西江水系賀江上游的控制站，設立于1960年，位于賀州市富川縣富陽鎮新永街河東巷1號，集水面積503 km2，屬國家基本水文站，泥沙測驗三類精度站。該站受水利工程影響不大，但從歷年懸移質含沙量監測成果看，斷面各垂線泥沙分布較為均勻，單斷沙關系穩定，為泥沙監測自動化提供良好條件。該站于2016年引進OBS濁度儀在線監測系統，并開展OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系的率定和校測等工作。

3.2.2 資料收集

富陽站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系率定、校測時間為2017—2019年，共收集關系點據（包括率定點據、校驗點據等）樣本數量為184份。

3.2.3 率定成果及誤差分析

經率定分析后，確定富陽站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系式為：CS=0.00 073RC+0.003（即b2=0，b1=0.00 073，b0=0.003）。

定線精度：相關系數r=0.995，系統誤差δ=0.40%，隨機不確定度為23.2%；適線三項檢驗合格。精度達到《河流懸移質泥沙測驗規范》（GB/T 50159-2015）、《水文資料整編規范》（SL/T 247-2020）等現行水文行業規范關于泥沙測驗三類精度站的相應允許誤差要求。

該站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系點據分布情況見圖2。

圖2 富陽水文站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系成果圖

3.3 都安水文站

3.3.1 測站概況

都安水文站為珠江流域西江水系紅水河的控制站，設立于1936年，位于河池市都安縣澄江鄉紅渡村，集水面積12 138 km2，屬國家基本水文站，泥沙測驗二類精度站。該站上游5 km有百龍灘水電站，下游約60 km有樂灘水電站。因上下游水利工程影響，河道挾沙、輸沙條件變化，測驗斷面各垂線含沙量分布趨于均勻，為泥沙監測自動化提供了基礎。該站于2017年引進OBS濁度儀在線監測系統，并開展OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系的率定和校測等工作。

3.3.2 資料收集

都安站水平式ADCP流速關系率定時間為2019—2020年，共收集關系點據數量為89份。

3.3.3 率定成果及誤差分析

經率定分析后，確定都安站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系式為：CS=0.0 008RC+0.0 085（即b2=0，b1=0.0 008，b0=0.0 085）。

定線精度：相關系數r=0.998，系統誤差δ=0.3%，隨機不確定度為19.4%；適線三項檢驗合格。精度達到《河流懸移質泥沙測驗規范》（GB/T 50159-2015）、《水文資料整編規范》（SL/T 247-2020）等現行水文行業規范關于泥沙測驗二類精度站精度控制要求。

該站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系點據分布情況見圖3。

圖3 都安水文站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系成果圖

4 成果應用及效益分析

4.1 成果應用及規律性分析

將上述模型與方法，分別應用于廣西已引進OBS濁度儀在線監測系統并良好運行的典型河流（河段）水文站實測成果中，各水文站OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系率定成果見表1。

表1 廣西典型河流河段OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系率定及模型驗證成果

根據圖1～圖3、表1所列廣西典型河流河段OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系率定模型及驗證成果，結合各典型水文站實際，可歸納出以下幾條應用經驗及規律：

（1）廣西河流相對于全國河流屬低沙河流，正常年份各站最大含沙量多在1 kg/m3以下，不管是否受水利工程影響，各大江大河、中小河流等各類河流普遍存在含沙量分布均勻、單一垂線含沙量與斷面含沙量關系好的客觀條件，采用OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系模型開展率定時，有較大機會取得預期的理想效果。

（2）從不同河流寬窄幅度角度看，在30 m（馬隴站）～600 m（柳州站）之間，OBS濁度儀只需安裝于水流條件、代表性較好的近岸邊垂線上，不一定與單樣含沙量垂線重合，而且只需固定測一點，即可取得較高率定精度。

（3）基于水文應用的角度，在達到現行規范允許誤差前提下，原則上推薦使用最簡便的方程形式。對于基礎條件好的水文站，如南寧、富陽等站，具備斷面規整、河道穩定、含沙量分布勻稱等優越特點，可采用一元一次方程率定；條件相對復雜的水文站，如平樂、百色等站，河段易受水草、草籽或其他水質性因素干擾影響時，則需采用一元二次方程率定；兩種方程形式均屬模型約定范疇。

（4）在低沙樣本分析處理時，為解決基數小誤差影響大問題，當依據《河流懸移質泥沙測驗規范》（GB/T 50159-2015）有關規定合理處置，即單樣含沙量小于0.005 kg/m3時，按停測或作零處理，不參與精度評定計算；當單樣含沙量小于0.05 kg/m3時，將等時距和等容積的水樣（不宜跨月跨年）累積混合處理，作為累積期間各日的單沙。

（5）鑒于上述各典型河流河段（水文站）的單～斷沙關系均為過原點的45°線（部分站據此執行輸沙間測，如測1年停3年模式等），當OBS濁度儀監測值與單樣含沙量建立關系時，斷面含沙量測驗問題其實也基本得到了破解；有條件的水文站，還應進一步收集斷面含沙量實測點據，直接率定出OBS濁度值～斷面含沙量關系，從而圓滿解決河流懸移質含沙量測驗環節的最后一公里問題。

（6）率定成果精度方面，根據《水文資料整編規范》（SL/T 247-2020）關于含沙量單一線法的精度控制要求，一類精度站按系統誤差±2%，隨機不確定度18%；二類精度站按系統誤差±3%，隨機不確定度20%（巡測站22%）；三類精度站按系統誤差±3%，隨機不確定度28%（巡測站30%）。由此可見，各站率定成果的系統誤差、隨機不確定度均可滿足水文行業規范要求；同時，各站相關系數均大于0.975，絕大多數在0.995以上，從另一側面說明其方程擬合適應效果非常好。

4.2 成果轉化及應用效果

廣西河流OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系率定模型，是提取于廣西河流泥沙在線監測實踐，又及時反饋于廣西河流泥沙在線監測的一套實用模型，該模型建立與應用，對各水文站OBS測沙技術投產使用具有較大的促進意義。從2019年起，通過技術文件、集中培訓、現場指導等方式，該模型在廣西水文系統中得到迅速推廣普及，并得到全國南方地區，尤其是珠江流域水文同行的認可與借鑒，逐步深入到日常泥沙監測工作中。近年來，在大江大河水文監測系統等重大工程建設背景下，OBS測沙技術逐步進入規模化應用階段，截至目前，廣西水文系統引進20臺OBS濁度儀泥沙自動監測系統，已占廣西水文泥沙站總數39站的51%。實踐證明，該項技術的推廣切實促進了懸移質泥沙監測效率的提升、技術的進步。

5 結語

通過在多河流、多河段、多測站的大量懸移質含沙量比測率定數據樣本，分析了OBS濁度值RC～單樣含沙量CS關系成果規律，驗證了“含沙量關系模型”客觀性和適用性，為解決以低沙運行、均勻分布為基本特征的廣西河流懸移質泥沙在線監測實踐和投產使用提供關鍵技術支撐。實踐證明，將該模型應用在基于web的全區水文在線監測管理軟件中，已強有力地推進了水文泥沙監測的數據集成化、管理自動化、應用智能性等功能目標的實現。當前，全國水文“十四五”建設正如火如荼開展，隨著OBS在線測沙技術的不斷進步，對其引進、率定與應用分析等實踐工作地不斷深入，曾經的水文行業重大難題將不再是難題。相信以此為契機，“含沙量關系模型”研究與應用成果，定能在廣西“數字江河”“智慧水文”的構建中，以及相關地方技術標準、水文行業技術補充規定的制訂中，發揮非常重要的基礎作用。