TES系統在犁市站懸移質泥沙測驗中的應用初探

王步杰

摘 要：懸移質泥沙的測驗是水文測驗的重要組成部分，而其自動化監測技術相對薄弱。介紹了TES系統的應用原理，通過分析系統在犁市水文站的應用實驗數據，證明當泥沙含量在0.10 kg/m3以上時，可采用纜道式泥沙監測系統來替代人工采樣方法進行懸移質泥沙測驗，為懸移質泥沙的自動監測提供了一種可能性方式。

關鍵詞：TES系統；泥沙測驗；自動監測

中圖分類號：TV149.1；TV142? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

懸移質泥沙測驗是水文測驗的重要組成部分，泥沙資料在研究河床演變、航道整治、水環境污染及水生態保護等方面都發揮著重要的作用。隨著社會經濟建設的發展，以及水文測驗自動化的要求，泥沙自動化測驗技術也亟待進一步發展[1]。

傳統的泥沙測驗通過水樣采集、沉淀、烘干或過濾、稱重的步驟獲得泥沙重量，進而求得泥沙含量，全過程大約需要10～15 d[2]。一代代從業者對泥沙測驗方法進行了大量研究，豐富了泥沙的自動化測驗技術，如激光法[3]、激光粒度分析儀[4]、濁度儀法[5]等，同時也探索了先進測流設備（如ADCP）在泥沙測驗中的應用[6]，大大提高了泥沙測驗和結果處理效率。但這些方法都存在一定的局限性，如受測站特性的影響較大、不同泥沙含量級會導致精度不一致等，因此，探索一種符合北江流域山區性河流的自動泥沙監測系統非常必要。

1 系統與安裝環境介紹

1.1 系統簡介

TES泥沙監測系統是基于組合紅外吸收散射光線法，通過逆投影成像技術，連續精確測定水體中的懸移質泥沙含量并直接輸出泥沙含量數據。泥沙監測儀符合《水文儀器基本參數及通用技術條件》（GB/T 15966—2017）的要求。

目前，TES系統有纜道式（TES-71）、在線式（TES-91）兩種。TES-71纜道式泥沙監測系統是將泥沙監測儀安裝在鉛魚上，可實現單沙點測沙、纜道多點測沙，有積時法和積深法兩種測量方法，也可進行便攜式測量。TES-91系統安裝在固定位置，實時監測單點泥沙含量，再與斷面含沙量建立關系，實現斷面含沙量的實時監測。

1.2 系統組成

TES-71纜道式泥沙監測系統主要由泥沙監測儀（見圖1）﹑水下全防水控制系統、筆記本電腦、數據管理軟件和纜道固定裝置等組成。

TES-91泥沙在線監測系統主要由泥沙監測儀、泥沙分析模塊、數據采集與傳輸系統、供電系統、泥沙數據管理軟件和安裝支架等組成（見圖2）。

1.3 系統原理

TES泥沙監測儀采用840 nm±5 nm波長的近紅外光，對水體中的顆粒物敏感度更高。使用紅外發光二極管LED產生紅外光。

通過2個感光器接收強度，結合米氏散射原理通過調頻計算出米氏散射強度，通過總接收光強減去米氏散射強度得到幾何光學反射強度。標定模型計算出水體中產生散射的泥沙含量與產生幾何光學的泥沙含量；同時采用分布式感光強度通過逆投影算法計算出被測水體中懸移質分布情況，2個感光系統同時進行，計算出水體中懸移質的占比濃度，通過設定的密度值計算出泥沙含量。

1.4 系統技術參數

測量原理為雙光束紅外散射光逆投影成像技術；測量范圍為0.001～45 kg/m?；顯示精度為小于測量值的±5%；存儲溫度為-15～65℃；測量環境溫度為0～45℃。

1.5 系統安裝環境

為進行TES泥沙測驗系統的應用實驗和比測率定，將TES-71、TES-91兩種系統安裝應用于犁市水文站。

犁市水文站于1955年4月設立，位于廣東省韶關市湞江區犁市鎮河邊廠，至河口距離16 km，集水面積6 976 km2，是北江支流武江的出口控制站[7]。該站測驗項目有水位、流量、降水量及懸移質泥沙。含沙量測驗斷面上、下游1 km河段天然順直，左岸為巖石、黃泥土，右岸為人工防洪河堤，河床由巖石、卵石、泥沙組成，不易沖刷，較為穩定。該站下游約1 km處有1個天然沙洲，低水時對該站水位產生一定的頂托影響；下游約4 km處為溢洲電站，電站回水頂托對該站影響嚴重。

該站斷面含沙量采用7條垂線全斷面混合法進行計算，單沙在起點距80.5 m處用積深法取樣。歷年實測最大單沙為24.2 kg/m3，在TES系統的測量范圍之內。

TES-71纜道式泥沙監測系統固定安裝在鉛魚纜道上，與人工單沙取樣同步進行，采集數據出現異?；騻鞲衅饔懈街飼r，可以升起纜道將設備提出水面排障，泥沙監測儀安裝位置如圖3所示。

TES-91泥沙在線監測儀安裝在起點距15 m的固定棧橋上，傳感器入水深度約2 m。采集數據出現異?；騻鞲衅饔懈街飼r，可以直接用支架提起排障，泥沙監測儀安裝位置如圖4所示。

犁市水文站一直采用積深法進行泥沙采樣，單斷沙關系穩定，與TES系統特點對比見表1。

2 應用成果分析

2.1 TES-71監測系統應用分析

2.1.1 數據收集

犁市水文站纜道式泥沙監測儀自2018年6月安裝以來，同步開展比測工作。當人工取樣時，將泥沙監測儀固定在鉛魚上，與單沙采樣時間同步、同垂線進行施測，截至2021年5月共搜集到78組樣本數據，人工實測單樣含沙量變化范圍為0.006～1.19 kg/m3。TES-71纜道式泥沙監測儀監測單樣含沙量變化范圍為0.009～2.56 kg/m3。

2.1.2 數據穩定性分析

對人工單沙成果和纜道式測沙儀單沙成果分年份做過程線分析（見圖5）?？芍?，纜道式泥沙監測儀與人工單沙成果過程線趨勢一致，且數值均大于人工測驗成果，證明其測驗成果穩定。

2.1.3 相關性分析

對人工和纜道式泥沙監測儀測驗成果單樣含沙量做相關性分析（見圖6）?？芍?，兩者相關點基本分布呈帶狀，相關系數R2=0.964，證明兩者相關關系良好。

2.1.4 關系檢驗

根據《水文測驗補充技術規定》，單斷沙關系檢驗時，含沙量小于0.10 kg/m?的單斷沙關系點，可不參加關系曲線檢驗。對含沙量大于0.10 kg/m?進行關系曲線檢驗，樣本容量N=44。成果如下。

單斷沙關系測點標準差Se=18.8％，隨機誤差為37.6％＞ 28％，沒有達到規范規定的精度要求；

系統誤差為1.11％≤±3％，達到規范規定的精度要求。

（1）符號檢驗。n=44，K=21（K為正號個數），u=0.15＜1.15，認為合理。符號檢驗通過。

（2）適線檢驗。n=44，不變換符號“0”次數為22，變換符號“1”次數為21，即K=21，u=0.00＜1.28，認為合理。適線檢驗通過。

（3）偏離數值檢驗。n=44，平均相對偏離值ΔP=1.11％，標準差S=18.50，ΔP的標準差Sp=2.79，統計量t=0.40，│t│=0.40＜1.30，認為合理。偏離數值檢驗通過。

上述三種方法對關系曲線的檢驗，均達到規范要求，認為定線正確。

由以上檢驗結果可見，除隨機誤差外，其余各項檢驗效果良好。符號檢驗、適線檢驗、偏離數值檢驗均通過；隨機不確定度為37.6%，超過了《水文資料整編規范》（SL 247—2020） 中隨機不確定度不超過28.0%的要求；系統誤差為1.11%，符合規范中系統誤差不超過3%的要求[8]。

2.1.5 對突出點的原因分析

檢驗結果顯示總體隨機誤差較大，有一些點較突出。如2020年4月3日14：35，纜道數據為0.556 kg/m3，查線單沙為0.263 kg/m3，人工單沙為0.354 kg/m3；2021年5月18日13時25分，纜道數據為0.546 kg/m3，查線單沙為0.259 kg/m3，人工單沙為0.143 kg/m3，這兩點偏離較大，且一正一負，對其分析如下。

2020年4月3日測次為漲水段測次，人工單沙0.354 kg/m3，為第8測次輸沙的相應第一次單沙，第二次相應單沙為0.371 kg/m3，前后兩次單沙相差較大，證明河道泥沙正在上漲。本次斷沙成果為0.337 kg/m3。測沙儀測量過程見表2?？芍瑴y沙儀測量過程正常、穩定。

2021年5月18日測次亦為漲水段測次，人工單沙0.143 kg/m3，為第5測次輸沙的相應第一次單沙，第二次相應單沙為0.179 kg/m3，前后兩次單沙相差較大，證明河道泥沙正在上漲。本次斷沙成果為0.174 kg/m3，測沙儀測量過程與2020年4月3日過程類似，測沙儀測量過程正常、穩定。

由以上分析可知，盡管泥沙監測儀與人工測量成果間存在著較大的偏離，但其測量過程穩定；造成隨機誤差大的原因，可能是泥沙的脈動和斷面分布的不均勻性。

2.2 TES-91監測系統應用分析

2.2.1 數據收集

TES-91 泥沙在線監測儀于2020年1月安裝并開展比測率定工作。選取與人工采樣同步時間的自動監測數據作為比測數據。

截至2021年8月，2020年收集到53組數據，2021年收集到51組數據。

2.2.2 數據穩定性分析

對人工單沙成果和纜道式測沙儀單沙成果分年份做過程線分析（見圖7）?？芍?，纜道式泥沙監測儀與人工單沙成果過程線趨勢一致，且數值均大于人工測驗成果，證明其測驗成果穩定。

2.2.3 相關性分析

對人工和在線式泥沙監測儀測驗成果單樣含沙量做相關性分析（見圖8）。可知，兩者相關點基本分布呈帶狀，上部較散亂，相關系數R2=0.941，兩者存在一定相關關系，但不集中。

2.2.4 原因分析

與纜道式泥沙監測儀相比，在線監測儀與人工測驗成果對比效果不理想，原因在于受水文站條件限制，將儀器安裝在起點距15 m處，但人工單沙取樣垂線為起點距80.5 m處，在線監測儀安裝位置不在河道主流部分，代表性不好，與單沙采樣垂線的測驗成果無法建立較好的關系。

2.3 應用小結

TES系統在犁市水文站的應用中，系統運行穩定，測量成果與人工測驗成果能建立一定的關系。在同垂線、同方法（積深法）的前提下，纜道式泥沙監測儀與人工測量成果之間有良好的關系，基本可用于一般水情下的泥沙測驗。而在線式泥沙監測系統，則需要改善安裝條件，使之具有更好的代表性，再進行進一步的實驗。

TES泥沙監測系統解決了傳統泥沙測驗需要大量人力、物力和時間的投入，測量周期長，操作過程繁瑣的技術問題，實現了安全高效、測量時間短的泥沙含量監測。

3 結論

TES系統是連續精確測定水體中的懸移質泥沙含量并直接輸出泥沙含量數據的一套泥沙監測系統。通過2018—2020年在犁市水文站的應用實驗，系統運行較穩定可靠。犁市站單沙含量在0.10～1.19 kg/m3范圍內可與纜道式TES-71泥沙監測系統形成較穩定的關系，通過率定的公式將纜道式泥沙監測儀的測驗成果應用于實際生產中。對于固定式的TES-91系統，安裝位置極其重要，犁市站的實驗表明，安裝位置的代表性不好則無法與人工的測驗成果形成穩定的關系。在使用方法正確、安裝位置良好的前提下，TES系統可用于懸移質泥沙的測驗，為懸移質泥沙的自動化監測提供了一種可能的方法。

參考文獻：

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[8] SL/T 247—2020，水文資料整編規范[S].北京：中國水利水電出版社，2020.

Abstract：Suspended sediment measurement is a crucial element of hydrological testing，yet automated monitoring technology for this measurement is relatively underdeveloped. We introduce the application principles of the TES system，and analyze the experimental data from its application in Lishi hydrological station. Results provide evidence that cable-type sediment monitoring system can effectively and automatically measure suspended sediment if sediment concentration surpasses 0.10 kg/m3，thus offering a viable solution for automated monitoring of suspended sediment.

Key words：TES system；sediment test；automatic monitoring