光電測沙儀在農村渠道測驗中的應用研究

摘 要：黃河具有含沙量高、流速大等特性。含沙量是黃河水文測驗的重要組成部分及綜合治理關鍵部分。近年來，隨著黃河水文測報能力提升的推進，對懸移質含沙量實時在線監測提出了更高要求。HHSW·NUG-1型光電測沙儀的研發應用，更能快速、實時、準確地反映水流的含沙量情況。但我國廣大農村地區分布著較多渠道，其懸移質含沙量測驗還采用傳統的人工測驗模式，亟須在保障測驗精度的前提下實現實時在線監測，從而節省人力、物力，提高測驗安全性。選取當下先進的HHSW·NUG-1型光電測沙儀，以河南省三門峽市盧氏縣城關鎮大橋頭村洛北渠為例，探索光電測沙儀在農村渠道測驗中的應用。

關鍵詞：光電測沙儀；農村渠道測驗；應用研究

中圖分類號：P335 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）14-148-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.14.033

0 引言

近年來，隨著水文行業測報能力提升工作的推進，對懸移質含沙量實時在線監測提出了更高要求。HHSW·NUG-1型光電測沙儀的研發應用，更能快速、實時、準確地反映水流的含沙情況。但在我國廣大農村，分布著較多渠道，其懸移質含沙量測驗還采用傳統的人工測驗模式，亟須在保障測驗精度的前提下實現實時在線監測，從而節省人力、物力，提高測驗安全性。選取當下先進的HHSW·NUG-1型光電測沙儀，以河南省三門峽市盧氏縣城關鎮大橋頭村洛北渠為例，探索光電測沙儀在農村渠道測驗中的應用。

1 HHSW·NUG-1型光電測沙儀概況

1.1 研究背景

HHSW·NUG-1型光電測沙儀由黃河水利委員會河南水文水資源局研發，采用光學散射的原理，與傳統的光學采用消光定律不同。該測沙儀就含沙量高、流速大的情況，設計了特殊硬件，分析了算法，突破了傳統意義上的光學測沙的適應流速、測沙量程應用范圍，實驗室中測試量程為0～730 kg/m3，應用范圍滿足水文測驗及在線監測的需求。該儀器在黃河花園口、夾河灘、小浪底等水文站已經批復應用，儀器工作穩定，未出現故障。

我國廣大農村地區分布著較多渠道，其懸移質含沙量測驗還采用傳統的人工測驗模式，亟須在保障測驗精度的前提下引進實時在線監測測沙儀，從而節省人力、物力，提高測驗安全性。

1.2 工作原理

HHSW·NUG-1型光電測沙儀采用散射光式測量法，利用固體顆粒阻攔光線通過數量的差異，通過檢測與入射光多個角度的散射光強度，利用光強度與含沙量之間的相關關系，建立核心算法模型，由此計算得到含沙量數據。該儀器采用散射光（前向散射+背向散射）+透射光組合檢測的方式對國內部分流域河流泥沙特性進行了研究分析，重點對黃河泥沙的水樣做了多年的試驗應用研究，并進行了標定；特別針對高含沙量、大流速的應用環境特性，對核心光電組件、采樣控制模組等硬件上進行了特殊研制，采用高速脈沖式多檢測器相互校驗的采樣機制，在核心算法模型上進行重點研究，突破了傳統意義上的光學測沙對流速、量程要求的局限性，可以實現常年在線連續監測，監測數據穩定且精度高。

1.3 儀器組成

1.3.1 主機

HHSW·NUG-1型光電測沙儀主機外觀如圖1所示。該主機外殼采用304不銹鋼防護，具備耐腐蝕性、高可靠性、高抗干擾性。

1.3.2 數據采集及通信終端

HHSW·NUG-1型光電測沙儀包括數據采集及通信終端。數據采集及通信終端可以定時采集、備份數據，具備數據直連、4G/5G網絡、北斗衛星、數傳電臺等多種傳輸方式［1］。

1.4 儀器參數

儀器供電：DC12V，太陽能板、市電均可供電；探頭使用溫度：0～50 ℃；工作水深：20 m，超范圍可根據水深定制；測沙范圍：0.001～730 kg/m3；系統誤差lt;±1%；隨機誤差lt;±10%；標準差lt;5%；隨機不確定度lt;10%；信號饋線長度：100 m；采樣周期：市電供電設置為1～3 s，太陽能供電設置≥10 s；記錄周期：自定義設置，洪水期建議6 min；傳感器外部材質：不銹鋼；推薦轉換系數：1.563 4，應用時可根據需要調整；功耗：整機≤150 mA；預熱時間：10 s。

1.5 承載平臺

承載平臺分3種。第一種是柱體安裝類型，這種平臺主要安裝在橋梁等入水柱體上，通過自動升降系統，能夠隨著水位的變化實現自動升降，特別適用在水位變化幅度較大的水體上。第二種是鉛魚承載類型，這種平臺安裝在棧橋、纜道的鉛魚上。第三種是浮標式安裝類型，這種類型選用專用浮標進行安裝，適宜流速小、漂浮物少的水流環境，能夠隨著水位的漲落自動升降，且投資較少。在農村渠道中，第三種浮標式安裝類型更為常用，因為其方便簡潔，如圖2所示。

2 洛北渠概況

2.1 洛北渠基本情況

洛北渠位于河南省三門峽市盧氏縣城關鎮大橋頭村，處于東經111°04′，北緯34°03′，矗于黃河支流洛河上。該觀測斷面在盧氏縣龍山路與迎賓路交叉口，距離渠首約12 km，距離渠尾約9 km。

洛北渠建于1976年1月，為洛河兩岸34 000 hm2農田灌溉、火電站發電供水和其他公益性用水提供服務，對當地的農業增收和地方經濟發展做出巨大貢獻。

2.2 氣候特征

洛北渠屬伊洛河流域，位于暖溫帶山地季風氣候帶，低空盛行風向和相應的盛行氣團會因季節的轉換，導致冬天干燥寒冷，夏天多雨炎熱。每年6月之后夏季風逐漸活動，同時南方的暖濕空氣不斷北上，與冷空氣匯合，于是每年6月至9月此處會出現暴雨、大暴雨等情況。每年9月之后夏季風逐漸南散，加上受來自西北冷高壓控制，降雨較少，步入枯水期。

2.3 河道及水沙特性

洛北渠為梯形渠道，渠道寬11.9 m，深2.42 m，渠底寬7.2 m。渠底、渠壁為混凝土。試驗點來沙主要取決于上游，水流速度大，渠內不會發生泥沙淤積現象，由于測驗斷面地處縣城城區，渠道常年有生活垃圾，造成斷面沖淤變化大。洛河上游來水部分水量經洛北渠道排向下游。

3 測驗方案

3.1 技術要求

根據《河流懸移質泥沙測驗規范》（GB/T 50159—2015）第2.3.7第1款的規定，在采用測沙儀進行測驗時，應遵循以下步驟：使用儀器前，應對其進行精確率定，并建立工作模型，確保符合相關技術要求［2］。

3.2 野外試驗

在野外試驗中，專業人員在室內試驗提供的轉換系數參考值基礎上，率定出一個更符合觀測站實際且精度更高的轉換系數，從而形成一個穩定可靠的工作模型。

儀器安裝：將光電測沙儀安裝在洛北渠距離渠首約12 km的觀測斷面上。試驗時，采用浮標安裝光電測沙儀，在有沙時段，要求儀器能夠連續工作。

人工取樣：采用1 000 mL橫式采樣器，懸桿懸掛，在光電測沙儀探頭入水位置取樣，為減小泥沙脈動的影響，每次取樣不少于2次，取樣容積誤差不超過10%。

標準值：以1 000 mL橫式采樣器測得的含沙量作為標準值。

人工取樣泥沙處理：根據含沙量的大小及泥沙凈重，選擇置換法或烘干法處理，此次比測全部采用置換法。所用儀器主要為0.001 g感量的電子天平、不同容積的比重瓶等［3］。

4 試驗及分析

4.1 試驗情況

2024年7月至8月進行試驗，將光電測沙儀安裝在洛北渠斷面，3臺儀器測得含沙量為1.00～4.90 kg/m3。在試驗過程中，每次均按照要求進行5次人工取樣，隨后采用置換法對這些樣本進行含沙量的分析計算，并將所得結果與測沙儀提供的數據進行對比分析。

考慮到人工取樣與光電測沙儀取樣在時間點上會存在微小差異，這可能會導致兩者所測得的含沙量數據存在較大的偏差。在含沙量變化相對平緩的時間段內，取樣的分布點相對較多；而在含沙量變化劇烈的時間段內，取樣的分布點則相對較少。

4.2 分析方法

點—點相關分析，即利用光電測沙儀工作位置點的測量成果，以及在同一點位處的人工取樣測量成果，建立二者之間的相關關系，擬合出最優相關關系式，以率定光電測沙儀的轉化系數［4］。

以光電測沙儀測得含沙量（原始值）為橫坐標（x軸），以人工取樣測得含沙量為縱坐標（y軸），繪制關系圖。添加趨勢線，類型選擇“線性”或“多項式”，截距設為0.0，顯示公式和R2。

R2是趨勢線擬合程度的指標，也是相關系數，其數值大小可反映趨勢線的估計值與對應的實際數據之間的擬合程度，擬合程度越高，趨勢線的可靠性就越高。R2的取值范圍為0～1，當趨勢線的R2等于1時，其相關性最高，如圖3所示。

4.3 關系線檢驗及誤差統計指標

《水文資料整編規范》（SL/T 247—2020）規定，對率定的關系線應通過3項檢驗（符號檢驗、適線檢驗、偏離數值檢驗）。系統誤差、標準差、隨機不確定度要符合《水文資料整編規范》的規定［5］，如表1所示。

5 結論與建議

5.1 結論

此次試驗研究HHSW·NUG-1型光電測沙儀的范圍為1.00～4.90 kg/m3，經比測，標準值含沙量在1.00～4.90 kg/m3時，洛北渠其內置轉換系數為1.586 4，可滿足在該范圍內的測驗及在線監測的需求。

經統計分析，該儀器系統誤差小于±3%，符合《水文儀器基本參數及通用技術條件》（GB∕T 15966—2017）和《河流懸移質泥沙測驗規范》的要求；隨機不確定度小于20%，滿足《水文資料整編規范》中單～斷沙關系線定線的相關規定，并通過適線檢驗、符號檢驗、偏離數值檢驗。

HHSW·NUG-1型光電測沙儀在觀測精度、穩定性、在線監測、校測方法、數據存儲、連續作業時長等方面滿足《河流懸移質泥沙測驗規范》的規定，通過對HHSW·NUG-1型光電測沙儀情況、洛北渠概況、測驗方案、相關分析等進行綜合分析，探索了洛北渠應用HHSW·NUG-1型光電測沙儀實時在線監測含沙量的情況，認為其可以在洛北渠應用［6］。

5.2 建議

此次比測含沙量范圍為1.00～4.90 kg/m3，洛北渠往年含沙量較小，未來汛期來沙時，應利用大沙機會進行延伸比測分析。

光電測沙儀安裝應用后，要時常關注測沙儀運行情況及水草等漂浮物對儀器的不良影響。

此次比測采用點對點的方法率定測沙儀和人工取樣含沙量的相關系數，對于單樣采用垂線混合法取樣的渠道觀測站，先分析相對水深0.0、0.2或0.6處與垂線平均含沙量的轉化系數，然后將儀器探頭放置到相應位置。測沙儀內部可直接預置綜合系數K，見式（1）。

K=k*K1 " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式（1）中，k為光電測沙儀轉換系數；K1為觀測點轉換垂線平均含沙量系數。

在評價測沙儀的精度時，技術人員必須采用相同深度點的人工取樣含沙量來進行對比分析，不能將測點相對于斷面平均含沙量的代表性混淆在一起。如果這樣做，就無法準確判斷是因儀器精度不夠，還是因測點不具備代表性而導致的問題。這種混淆可能會妨礙對儀器性能的準確評估，進而導致儀器遲遲不能投入生產應用［7］。

參考文獻：

［1］李澤鵬，李懿琪.光電測沙儀的應用研究［C/OL］//中國水利學會減災專業委員會.第十四屆防汛抗旱信息化論壇論文集（2024-03-01）［2024-03-15］.https：//read.cnki.net/web/Conference/Article/SJZW202403001049.html.

［2］中華人民共和國水利部.河流懸移質泥沙測驗規范GB/T 50159—2015［S］.北京：中國計劃出版社.

［3］王志勇，孫建民.HHSW·NUG-1型光電測沙儀的應用研究［J］.甘肅水利水電技術，2021，57（10）：9-13.

［4］李楠.托克遜站HHSW-NUG-1型自動在線光電測沙儀比測分析［J］.陜西水利，2024（4）：63-64，70.

［5］中華人民共和國水利部.水文資料整編規范SL/T 247—2020［S/OL］.（2020-11-04）［2024-03-21］.http：//www.mwr.gov.cn/xw/sjzs/202011/t20201104_1462263.html.

［6］孫建民，李浩浩，孫世寧.HHSW·NUG-1型光電測沙儀監測精度影響因素探析［J］.陜西水利，2023（10）：46-48，51.

［7］張建鋒.引黃灌區灌溉渠道激光測沙研究［J］.中國高新科技，2020（16）：146-148.