HHSW·NUG-1 型光電測沙儀監測精度影響因素探析

孫建民，李浩浩，孫世寧

（黃河水利委員會河南水文水資源局,河南 鄭州 450004）

1 前言

河流水文要素監測經科技工作者、水文人多年的努力,已實現了水位、流量的在線監測及存儲,但含沙量監測仍舊是在線監測的一個難題。

黃委河南水文水資源局研發了HHSW·NUG-1 型光電測沙儀,經2020 年～2021 年在黃河小浪底站以及淮河等水文站進行應用的探索,在觀測精度、儀器工作的穩定性方面獲得了成功,為該儀器的推廣應用奠定了基礎。但其應用范圍小,存在局限性,儀器可能存在尚未發現缺陷、影響監測精度的因素多以及功能的擴展需要在實踐中解決。2022 年,該局的黃河干流四個水文站安裝了該型號的光電測沙儀,具備了探索該儀器監測精度影響因素的條件[1]。

2 研究區域概況

本次研究的區域位于黃河小浪底水庫下游的小浪底、西霞院、花園口、夾河灘四個水文站。四站為基本水文站、國家重要水文站、流量一類站。夾河灘站為泥沙二類站,其它三站為泥沙一類站。

小浪底水文站至夾河灘水文站區間流域面積3.67 萬km2,河長222 km。小浪底水文站是小浪底水庫的出庫站,下游12 km 是西霞院水庫大壩。西霞院水文站位于西霞院水庫下游2.8 km,西霞院水文站至花園口水文站區間有沁河、伊洛河二個大支流匯入；花園口站至夾河灘站區間為地上河,無支流匯入。見圖1。夾河灘站控制流域面積73.1 萬km2。

圖1 水文測站分布示意圖

3 水文情勢

2022 年7 月,小浪底水庫以下河道共出現2 次較為明顯的沙峰過程。

第一次為7 月4 日～10 日的調水調沙,泥沙為三門峽、小浪底、西霞院水庫的排沙,最大含沙量由上游到下游依次為353 kg/m3、375 kg/m3、73.0 kg/m3、55.1 kg/m3。此次泥沙粒徑大,沿途淤積,沙峰沿程消減快。流量在傳播期間區間入流少的情況下流量出現增值,由3600 m3/s增長為4980 m3/s。

第二次7 月16 日～23 日的涇渭河流域洪水,泥沙粒徑小,含沙量沿程消減程度小。最大含沙量由上游到下游依次為119 kg/m3、88.6 kg/m3、60.8 kg/m3、48.7 kg/m3。洪峰流量由2440 m3/s 增加為2940 m3/s。

4 沙峰監測情況

4.1 小浪底水文站

該站測沙儀今年更換為柱體安裝的方式,儀器安裝的起點距與人工單樣取樣接近,但施工后未及時清理柱體附近的圍堰,造成柱體附近的水深小,探頭位置高,測得含沙量略小于人工單樣。整個監測過程吻合度高,兩沙峰之間因水位低測沙儀無法監測。

圖2 小浪底水文站7 月沙峰過程線圖

4.2 西霞院水文站

該站儀器在基本斷面下游80 m 處柱體上安裝,上游導流壩會形成回流且范圍隨著流量增大而增大,儀器接近回流邊緣且水深小。第一次沙峰人工與儀器監測過程基本吻合,低水位時儀器監測偏小。第二次沙峰段儀器監測遠大于人工監測。第二次沙峰在大于50 kg/m3、中值粒徑0.010 mm 時,儀器監測含沙量開始異常。見圖3。

圖3 西霞院水文站7 月沙峰過程線圖

圖4 花園口水文站7 月沙峰過程線圖

圖5 夾河灘水文站7 月沙峰過程線圖

4.3 花園口水文站

該站儀器安裝在單樣取樣斷面的上游5 km 處的柱體下游,兩者監測的含沙量時間上有一定的錯后。沙峰段測沙儀監測值大于人工值,低水位時儀器無法正常監測。第二次沙峰檢測沙峰段儀器監測值異常偏大。從過程線上分析,在含沙量大于40 kg/m3～50 kg/m3、中值粒徑0.010 mm 時,儀器監測含沙量開始異常。

該站在水庫不排沙時,泥沙來自河床的沖刷,粒徑明顯大于排沙期。水庫排沙期因含沙量大,水流挾帶泥沙的能力下降,粒徑大的顆粒沿程沉降淤積。

4.4 夾河灘水文站

該站儀器安裝在基本斷面上游400 m 處的柱體下游。第一次沙峰段儀器監測值大于人工值,與花園口水文站類似,但偏大的幅度更大。第二次沙峰段儀器監測比人工值大近3倍。兩次沙峰的起漲、落平段儀器監測值與人工值高度吻合。

從過程線分析,第一次沙峰含沙量大于40 kg/m3～50 kg/m3、中值粒徑不大于0.010 mm 時,儀器監測含沙量開始異常；第二次沙峰含沙量大于30 kg/m3、中值粒徑不大于0.008 mm 時儀器監測值開始異常。

5 比測情況

小浪底水文站已于2020 年、2021 年完成比測,比測時承載儀器的平臺為鉛魚,比測效果好,滿足規范要求,已經批復使用。花園口水文站儀器監測作為測站測驗的參考,未比測,一直采用實驗室的轉換參數。

西霞院水文站6 月中旬完成儀器安裝,洪水期調儀器未調試完畢,儀器的升降控制系統存在問題,儀器的探頭準確位置不好確定。取樣深度、取樣方式、測驗人員的操作水平不一致,造成比測效果不佳。但其測點分布趨勢隨著含沙量的變化有明顯的不一致,以含沙量40 kg/m3、70 kg/m3為界線,轉換系數有明顯的不同。見圖6。

圖6 西霞院水文站光電測沙儀率定圖

圖7 夾河灘水文站光電測沙儀率定圖

夾河灘水文站的比測的含沙量在45.0 kg/m3以下,測點分布呈帶狀,但是離散程度較大。該站每個比測點用橫式采樣器取樣四次,前兩次與后兩次各合并為一個樣進行沙樣處理。經統計,前后兩次處理的沙樣含沙量誤差較大,中低水（中低沙）誤差一般在3%～5%,大沙期間誤差大于10%,甚至超過20%。這是該站轉換系數率定失敗主因。

柱體一般處于主流附近,流速大。測船難以靠近且無法固定,比測取樣點深度不好控制。這是率定轉換系數失敗的另一個原因。

6 影響分析

6.1 泥沙粒徑的影響

第一次沙峰,小浪底、西霞院水文站泥沙中數粒徑基本大于0.010 mm,儀器記錄正常。花園口水文站沙峰段中數粒徑處于0.010 mm～0.015 mm,儀器記錄略大于人工值。夾河灘水文站沙峰段中數粒徑不大于0.010 mm,沙峰前含沙量45.0 kg/m3以上時儀器記錄出現異常,含沙量落至45.0 kg/m3以下儀器記錄恢復正常。

第二次沙峰,小浪底水文站泥沙中數粒徑基本大于0.010 mm,儀器記錄正常。下游的西霞院、花園口兩水文站在中數粒徑基本不大于0.010 mm,當含沙量大于40 kg/m3～50 kg/m3儀器記錄異常偏大,當含沙量小于40 kg/m3～50 kg/m3儀器記錄恢復正常。夾河灘水文站中數粒徑在0.008 mm、含沙量達到30 kg/m3時出現記錄異常。

8 月份的沙峰來自黃河河龍區間,是黃河粗泥沙主要來源區域,其泥沙顆粒級配與小浪底排沙相似,儀器記錄的含沙量正常。泥沙來自細沙來源區時,需要另外分析率定轉換系數。

6.2 儀器安裝位置的影響

水文站單沙取樣位置與儀器的位置在順水流方向不能太遠,否則造成沙峰出現時間有不同。兩者的位置在橫斷面上要基本一致,否則因含沙量在斷面上的分布不均勻造成記錄的沙峰同步但存在差值。兩者的位置水深要接近,否則造成水淺位置測得含沙量偏小。兩者的位置應在水流順暢的區域,不應受回流、死水的影響。

6.3 儀器承載方式的影響

測沙儀有鉛魚、柱體、浮標承載三種方式,各有利弊。

1）鉛魚、浮標承載方式

特點：對水流影響小、比測精度高,適合漂浮物較少的河流,率定工作任務小,比測率定的精度高。

小浪底水文站的儀器比測用鉛魚承載完成,比測精度高,滿足規范要求,已經批復應用。淮河息縣水文站采用浮標承載,達到了同樣的比測精度,滿足規范要求,見圖8。

圖8 淮河息縣水文站光電測沙儀率定圖

2）柱體承載影響大

特點：對水流干擾大,適合漂浮物多的河流；影響因素多,率定結果難以把控。目前柱體承載方式一般把探頭安裝在柱體的下游。受柱體的影響,其附近的水流復雜,已不是自然的水流狀態,建議儀器探頭安裝在柱體的迎水面1.5～2 倍柱體直徑的位置。

據有關文獻,柱體或橋墩周圍的流場結構主要包括墩前水面涌波、橋墩迎水面向下水流和尺度很大的漩渦。漩渦是一個復雜的綜合水流結構,它包括橋墩迎水面向下水流、兩側繞流在床面附近形成的馬蹄渦和橋墩兩側邊界層分離形成的尾流漩渦在墩兩側和墩臺后由床面附近釋放的小漩渦。漩渦中心負壓將吸起,床面泥沙帶往下游,伴隨漩渦的產生,床面靜止的泥沙表現出陣發性隨機運動狀態,并在橋墩下游兩側漩渦相匯[2]。

橋墩兩側附近繞流流速最大,對河床作用最強,這里的流速達到泥沙起動速度時,泥沙就開始向下移動,致橋墩兩側沖刷。

橋墩后附近是上升水流,挾帶橋墩前方、側方河床的泥沙及水底下層的泥沙上升,改變了泥沙在垂線上的分布規律,使墩后測點含沙量增加。墩后渦流會使流速減小,在一定距離內沉降淤積,含沙量逐步減小并在下游淤積很長的沙脊。

測沙儀監測值是6 分鐘內的含沙量的均值,并過濾掉異常值,所以含沙量過程數據平穩,不會出現含沙量值頻繁的脈動。

比測時人工使用采樣器為橫式采樣器,其取得的含沙量是瞬時值,不能消除泥沙脈動的影響,所以即使是間隔很短時間內取樣,所測含沙量仍然偏差很大,特別是柱體的下游含沙量脈動更大。

綜上所述,洪峰段的流速大,柱體下游水流挾帶床面及水底下部的泥沙向水面運動（細顆粒的泥沙更容易移動）,使測沙儀監測的泥沙增大。花園口、夾河灘水文站沙峰段含沙量會大于人工值即是上述原因。疊加泥沙中數粒徑的影響,下游的夾河灘站水文站受到影響更大。小浪底、西霞院水文站為卵石河床,且儀器安裝位置靠近岸邊,流速小,受到的影響相對較小。

如果測沙儀安裝在柱體下游側,泥沙脈動大,使比測結果滿足不了規范要求。

6.4 其它因素的影響

1）探頭維護不周的影響。儀器探頭提出水面后要用清水沖洗,泥沙粘附在鏡頭上會造成監測的含沙量偏大。儀器自動刷清洗鏡頭時會劃傷玻璃,影響透光性,造成監測不準。

水生生物多的河流,要經常檢查探頭。防止水藻、貝類植物生長在鏡頭上,造成監測含沙量偏大。

2）水深淺、探頭受波浪影響露出水面時會造成記錄值異常偏大。

3）避免日光直曬。水位變化大的河流,夏季高溫水位低時易造成儀器露出水面。高溫暴曬會使探頭溫度升高,要及時關閉儀器電源,防止內部溫度過高及散熱不良造成元器件燒毀。

4）避免冰凍。結冰河流避免儀器冰凍在冰層中。冰凍會造成鏡頭玻璃損毀或密封下降,儀器進水后會造成電路短路。冬季儀器不使用時盡量回收到室內。

5）升降系統等附屬部件運轉不良同樣會影響儀器的監測。

6）儀器內部要有存儲器,避免網絡中斷時數據丟失。

7 結語

HHSW·NUG-1 型光電測沙儀是一種新型的在線含沙量監測設備,監測的精度高,含沙量監測范圍大,能滿足高含沙河流及現行規范的要求。其功能有擴展空間,如垂線監測方法、輸沙率測驗等。其野外承載方式、比測方法、注意事項需要我們不斷的探索,從而保證精測的精度,為其大范圍推廣應用做好基礎工作。