張堅(jiān)樑，劉冬雪

（浙江省河海測(cè)繪院，浙江 杭州 310008）

OBS-3A濁度計(jì)在錢塘江涌潮觀測(cè)中的應(yīng)用研究

張堅(jiān)樑，劉冬雪

（浙江省河海測(cè)繪院，浙江 杭州 310008）

主要介紹在錢塘江涌潮連續(xù)觀測(cè)中，首次采用新型OBS-3A濁度計(jì)進(jìn)行該水域的懸沙濃度測(cè)量，并對(duì)懸浮泥沙的變化規(guī)律與涌潮的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)分析與研究。通過采集鹽官站待測(cè)水域的泥沙進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)定，將標(biāo)定曲線分為三段的數(shù)理方法處理，分別擬合得到相應(yīng)曲線方程，然后將涌潮觀測(cè)中OBS采集到的濁度數(shù)據(jù)，經(jīng)標(biāo)定曲線轉(zhuǎn)化為泥沙含量。通過含沙量變化過程線的分析，得到了反映涌潮特征與含沙量等要素的相關(guān)關(guān)系的結(jié)論。實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)錢塘江涌潮期間泥沙沉降規(guī)律的研究提供了有益的幫助。

濁度計(jì)；室內(nèi)標(biāo)定；懸沙濃度；涌潮

在江河湖海的水域環(huán)境中，懸浮泥沙含量是一個(gè)極其重要的環(huán)境參數(shù)。它的分布及時(shí)間變化，對(duì)于水域岸灘沖淤演變、水化學(xué)要素分布以及污染物搬運(yùn)過程等，均有重要的作用和影響。OBS(Optical Back Scattering)濁度計(jì)是通過接收紅外輻射光散射量來觀測(cè)懸浮顆粒的，利用建立水體濁度與實(shí)測(cè)懸沙濃度之間的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)行濁度轉(zhuǎn)化，從而得到OBS觀測(cè)的懸沙濃度[1]。用OBS來測(cè)量水體泥沙含量，其最主要的優(yōu)點(diǎn)就是操作簡(jiǎn)單，能夠快速、實(shí)時(shí)、連續(xù)測(cè)量，且基本不受天氣條件的制約[2]。目前，這種方法已廣泛應(yīng)用于懸沙濃度變化觀測(cè)的研究工作中。主要用來確定水體濁度的變化因素、陸架及河口汊道的泥沙輸運(yùn)通量、泥沙的沉積速率等與水體含沙量相關(guān)的研究[3-6]。

錢塘江河口是舉世聞名的強(qiáng)潮河口，水域開闊、流態(tài)復(fù)雜、河床多變。從1950年開始進(jìn)行了較為系統(tǒng)的涌潮觀測(cè)，包括涌潮高度、涌潮傳播速度和方向、涌潮形態(tài)、涌潮壓力等內(nèi)容。以往錢塘江懸浮泥沙濃度的測(cè)定一直采用傳統(tǒng)方法，即現(xiàn)場(chǎng)采集水樣，然后對(duì)水樣進(jìn)行過濾、稱重計(jì)算水體泥沙濃度，這種方法是原始，也是最準(zhǔn)確的方法。但錢塘江涌潮觀測(cè)期間，由于潮流強(qiáng)勁，給水上作業(yè)帶來很大的難度，江中取樣危險(xiǎn)性極高，故只能在岸邊進(jìn)行取樣測(cè)量，因此，錢塘江涌潮觀測(cè)中懸浮泥沙濃度的連續(xù)測(cè)量資料并不完整和準(zhǔn)確。為解決此難題，我們引進(jìn)使用了OBS-3A濁度計(jì)，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量之前反復(fù)進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。試驗(yàn)證明了OBS-3A濁度計(jì)在懸沙濃度測(cè)定中的可行性，此次錢塘江涌潮觀測(cè)首次采用OBS-3A濁度計(jì)進(jìn)行懸沙濃度測(cè)定。另外，由于OBS-3A濁度計(jì)另配有CTD傳感器，所以在測(cè)泥沙濃度的同時(shí)也采集到該點(diǎn)的溫度、鹽度和深度的實(shí)時(shí)同步測(cè)量數(shù)據(jù)[7]，這就大大簡(jiǎn)化了有關(guān)水文觀測(cè)工作的測(cè)量步驟，提高了測(cè)量效率，降低了測(cè)量成本。

1 測(cè)量模式

OBS-3A濁度計(jì)有兩種工作模式，實(shí)時(shí)測(cè)量和自容式測(cè)量。在實(shí)時(shí)測(cè)量(Survey)工作模式中，可以通過軟件直接監(jiān)測(cè)到即時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)；而在自容記錄 (Log)模式中，OBS-3A將所測(cè)數(shù)據(jù)存入儀器內(nèi)存中，適用于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)性測(cè)量。在本次涌潮觀測(cè)過程中懸沙濃度的測(cè)定采用了自容模式；而在泥沙標(biāo)定試驗(yàn)中，我們將儀器直接與計(jì)算機(jī)端口連接，采用實(shí)時(shí)測(cè)量模式采集數(shù)據(jù)。

2 泥沙標(biāo)定

2.1 標(biāo)定方法

在實(shí)測(cè)工作中OBS測(cè)得到的數(shù)值是水體濁度值(NTU)，需要經(jīng)過精確的標(biāo)定才能得到水體實(shí)際懸沙濃度值(kg/m3)，因此，儀器標(biāo)定是準(zhǔn)確研究懸沙濃度變化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。泥沙標(biāo)定通常采用現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定和室內(nèi)標(biāo)定兩種方法。

現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，是采取垂線測(cè)量取樣的方法，即用OBS測(cè)量不同水層水體濁度值，在同一水層與OBS同步取水樣，過濾稱重得到相對(duì)應(yīng)的泥沙實(shí)際含量，然后用回歸法對(duì)測(cè)得濁度值進(jìn)行標(biāo)定。

室內(nèi)標(biāo)定，是在實(shí)測(cè)水域采集水樣，水樣經(jīng)過放置，待懸沙沉淀后取上層清水放入標(biāo)定槽中，再將OBS濁度計(jì)固定于水槽內(nèi)，然后分多次加入沉淀后的泥沙，使槽中懸沙濃度由小變大，整個(gè)過程不停攪動(dòng)。從清水開始，觀測(cè)OBS測(cè)得的濁度值，每次加入泥沙，待OBS讀數(shù)相對(duì)穩(wěn)定后記錄10個(gè)濁度值進(jìn)行算數(shù)平均，同步取探頭附近水樣1 L，過濾稱重得到實(shí)際泥沙含量。這樣最終可以得到多組不同泥沙含量和濁度對(duì)應(yīng)值，再用回歸法進(jìn)行相關(guān)處理，得到泥沙標(biāo)定值的目的。

由于涌潮期間漲落潮流速很大，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)難度增加，故采用室內(nèi)比測(cè)的方法得到濁度和懸浮泥沙含量的關(guān)系曲線。

2.2 泥沙粒徑對(duì)室內(nèi)標(biāo)定的影響

實(shí)測(cè)時(shí)分別采集蒼南海域和錢塘江澉浦站的泥沙樣品進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)定，將標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，如圖1所示。

由圖可見，不同粒徑的泥沙對(duì)紅外光的散射強(qiáng)度明顯不同。蒼南海域懸浮泥沙中值粒徑為2.3 μm，而錢塘江流域，由于漲落潮流速很大，粗粒徑泥沙受潮流的作用容易掀起，現(xiàn)場(chǎng)采樣分析其中值粒徑為23.2 μm，因此其散射強(qiáng)度變小。由此可見，粒徑小的懸浮泥沙對(duì)紅外光的散射強(qiáng)度大，而粒徑大的懸浮泥沙散射強(qiáng)度要小。因此我們每次標(biāo)定都必須用現(xiàn)場(chǎng)同步采集的泥沙。

圖1 泥沙粒徑對(duì)散射強(qiáng)度的影響

2.3 標(biāo)定曲線分析

研究表明，懸浮顆粒物濃度與OBS輸出值 (Voltage或NTU)之間存在3個(gè)轉(zhuǎn)換區(qū)：線性區(qū)、OBS飽和區(qū)、顆粒屏蔽區(qū)，見圖2[8]所示。圖3為筆者在錢塘江鹽官段得到的泥沙室內(nèi)標(biāo)定曲線，其中線性區(qū)懸沙濃度范圍為0～0.5 kg/m3；當(dāng)達(dá)到40 kg/m3時(shí)，OBS輸出達(dá)到飽和，輸出值也達(dá)到最大值；懸沙濃度高于40 kg/m3時(shí)，開始出現(xiàn)顆粒屏蔽效應(yīng)，由于散射光部分被懸浮泥沙吸收，呈現(xiàn)出濁度值反而下降的現(xiàn)象。

在本次室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)中，OBS輸出值的變化趨勢(shì)與前人的研究結(jié)果（圖2）相吻合，但標(biāo)定曲線拐點(diǎn)以及三個(gè)轉(zhuǎn)換區(qū)的范圍明顯不同，這是由泥沙粒徑的差異造成的。

圖2 懸浮顆粒物濃度與OBS輸出值的關(guān)系

圖3 實(shí)測(cè)區(qū)域含沙量與OBS輸出值的關(guān)系

2.4 標(biāo)定曲線分段擬合

由圖3可以看出，隨著懸沙濃度的增大，標(biāo)定曲線由線性變成非線性，因此，在實(shí)測(cè)水域，當(dāng)實(shí)際懸浮泥沙含量較大，超出線性范圍時(shí)，需要采用分段標(biāo)定，以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。由于本次涌潮觀測(cè)鹽官站的最大含沙量在20 kg/m3以下，故將標(biāo)定曲線分為三段，分別進(jìn)行擬合，如圖4～圖6所示，其中含沙量范圍為0～0.5 kg/m3，曲線為線性y=1.637x-6.572 3；含沙量范圍為 0.5～3 kg/m3，曲線為 y=0.001 8x2.1971；含沙量范圍為 3～20 kg/m3，曲線為y=1 058.9e0.0015x，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。

圖4 含沙量在0～0.5 kg/m3范圍內(nèi)標(biāo)定曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與分析

涌潮現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)工作始于2010年10月9日18:00至10月17日10:00期間，在錢塘江實(shí)施，共設(shè)置5個(gè)水文站位，連續(xù)觀測(cè)8 d。我們?cè)邴}官站用OBS進(jìn)行表層濁度、溫度和鹽度測(cè)量。

3.1 潮位觀測(cè)

漲潮期間0.5 h觀測(cè)1次水位，涌潮到達(dá)后30 min內(nèi)每隔1 min記錄1次潮位，30～60 min內(nèi)每隔5 min記錄1次潮位。落潮期間每小時(shí)正點(diǎn)觀測(cè)1次水位，高、低平潮附近加密。

圖5 含沙量在0.5～3 kg/m3范圍內(nèi)標(biāo)定曲線

圖6 含沙量在3～20 kg/m3范圍內(nèi)標(biāo)定曲線

3.2 濁度觀測(cè)

本次濁度測(cè)量采用了美國(guó)D&A公司生產(chǎn)的OBS-3A型濁度計(jì)儀器，OBS入水深度1 m，采樣間隔1 min，同時(shí)用ADCP流速儀進(jìn)行流速、流向同步測(cè)量。測(cè)量完畢后，根據(jù)室內(nèi)標(biāo)定曲線將現(xiàn)場(chǎng)采集到的濁度值轉(zhuǎn)化為含沙量。涌潮觀測(cè)流速、流向、潮位及含沙量過程曲線如圖7～圖9所示。

3.3 結(jié)果分析

涌潮（潮頭）高度是衡量涌潮強(qiáng)弱的指標(biāo)，從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看，鹽官站最高潮位5.62 m，最低潮位0.51 m。由圖可知，含沙量在涌潮前相對(duì)較低，且變化平緩，含沙量在涌潮抵達(dá)前為最低，而涌潮抵達(dá)后，流速迅速增加，由于水流紊動(dòng)強(qiáng)度大，泥沙快速上揚(yáng)，含沙量也隨之迅速增大，最多可增至10倍以上。其中大、中潮含沙量過程線與流速過程線并不存在滯后現(xiàn)象，即含沙量變化與流速變化基本同步，當(dāng)流速最大時(shí)，含沙量達(dá)到峰值。但小潮中二者并不同步，當(dāng)含沙量達(dá)到最大時(shí)，流速并未立刻達(dá)到最大，而是經(jīng)過一段時(shí)間才達(dá)到最大。大、中、小潮漲潮含沙量均大于落潮含沙量，但中潮落潮過程中含沙量有一明顯的峰值，中潮汛落潮含沙量明顯增大。另外，含沙量脈動(dòng)現(xiàn)象漲潮均大于落潮，這正反映出涌潮的特性：涌潮漲潮流歷時(shí)短、數(shù)值大、變化急?。欢涑绷鳉v時(shí)長(zhǎng)、數(shù)值小、變化較緩。

圖7 大潮流速、流向、潮位及含沙量變化過程線（2010-10-10）

圖8 中潮流速、流向、潮位及含沙量變化過程線（2010-10-13）

4 結(jié)論

通過我們本次在錢塘江涌潮連續(xù)觀測(cè)，實(shí)驗(yàn)表明，使用OBS-3A進(jìn)行懸沙濃度測(cè)量是可行的，有效的。由于OBS對(duì)水體測(cè)量環(huán)境的變化比較敏感，故影響其輸出值的因素也很多，包括鹽度、泥沙粒徑、泥沙顏色和泥沙含量等。其中泥砂粒徑通常是最主要的因素，因此，我們?cè)谑覂?nèi)標(biāo)定過程中要用待測(cè)水域采集的水樣和泥沙，并采用將標(biāo)定曲線進(jìn)行分段擬合的方法，以減少標(biāo)定誤差，最終得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。本次室內(nèi)標(biāo)定工作，經(jīng)過科學(xué)分析將曲線分為三段，分別進(jìn)行擬合得到了相應(yīng)的曲線方程，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.99以上，相關(guān)性很好，這對(duì)該方面深入研究提供了有益的參考。

通過涌潮觀測(cè)過程，將OBS在鹽官站采集到的濁度數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)定曲線轉(zhuǎn)化為泥沙含量，并對(duì)涌潮期間鹽官站含沙量的變化進(jìn)行分析。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，從流速、流向、潮位及含沙量變化過程線能很好地反映出涌潮特點(diǎn)，對(duì)錢塘江涌潮期間泥沙沉降規(guī)律的研究提供了有益的幫助和啟發(fā)。實(shí)測(cè)表明OBS-3A濁度計(jì)完全適用于錢塘江涌潮連續(xù)觀測(cè)，但由于泥沙運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，我們會(huì)在以后的工作中反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)和實(shí)測(cè)，深入了解待測(cè)水域的泥沙特性及其對(duì)OBS測(cè)量結(jié)果的影響，為OBS在強(qiáng)潮河口的應(yīng)用積累更多資料，為今后豐富錢塘江涌潮觀測(cè)中含沙量測(cè)量資料和懸浮泥沙的輸運(yùn)動(dòng)態(tài)研究打下良好的基礎(chǔ)。

圖9 小潮流速、流向、潮位及含沙量變化過程線（2010-10-15）

[1]張文祥，楊世倫.OBS濁度標(biāo)定與懸沙濃度誤差分析[J].海洋技術(shù)，2008,27(4):5-8.

[2]劉紅，何青，王元葉，等.長(zhǎng)江口渾濁帶海域OBS標(biāo)定的實(shí)驗(yàn)研究[J].泥沙研究，2006,(5):52-58.

[3]徐劍秋，吳良冰，王濤，等.OBS-3A在線監(jiān)測(cè)的方法與實(shí)踐研究[J].泥沙研究，2008,25(2):28-31.

[4]周良勇，劉健，孔祥淮，等.江蘇廢黃河口后向散射濁度計(jì)的沉積物標(biāo)定[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2009,29(4):123-128.

[5]Lynch J F,Irish J D,Sherwood C R,et al.Determining suspended sediment particle size information from acoustical and optical backscatter measurements[J].Continental Shelf Research，1994，14:1139-1165.

[6]Wright L D,Xu J P,Madsen O S.Across-shelf benthic transport on the inner shelf of the Middle Atlantic Bight during the “Halloween Storm”of 1991[J].Marine Geology，1994，118:61-77.

[7]薛元忠，何青，王元葉.OBS濁度計(jì)測(cè)量泥沙濃度的方法與實(shí)踐研究[J].泥沙研究，2004,(4):56-60.

[8]Kineke G C,Sternberg R W.Measurements of high concentration suspended sediments using the optical backscatterance sensor[J].Marine Geology，1992，108:253-258.

Application of OBS-3A Nephelometer in Observation of Tidal Bore in Qiantang River

ZHANG Jian-liang,LIU Dong-xue
（Zhejiang Surveying Institute of Estuary and Coast,Hangzhou Zhejiang 310008,China）

Observation of suspended sediment concentration was carried out using an OBS-3A in tidal bore in Qiantang River for the first time.The relationship between the change of suspended sediment and tidal bore is researched.Sediments of Yanguan station were collected for laboratory calibration.The calibration curve was divided into three sections to be processed.The OBS counts were then converted to sediment concentration.Process curve about sediment concentration reflected the characteristics of tidal bore,which is a useful inspiration to study the law of sedimentation of tidal bore in Qiantang River.

nephelometer;laboratory calibration;suspended sediment concentration;tidal bore

P332.5，P716

B

1003-2029（2011）02-0076-04

2011-01-10

張堅(jiān)樑（1966-），男，高級(jí)工程師，浙江省河海測(cè)繪院副院長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事河海水下工程設(shè)計(jì)，測(cè)繪勘察等技術(shù)開發(fā)及研究工作。