趙立鋒
(寧波市水文站,浙江 寧波 315012)
姚江大閘水文站所在地姚江屬浙閩臺(tái)流域甬江水系,發(fā)源于四明山夏家?guī)X東北眠崗山,自源頭向西北流經(jīng)四明湖水庫,出四明湖水庫后流經(jīng)余姚城區(qū),出城區(qū)后姚江兩側(cè)先后有多條溪流匯入,至寧波三江口匯入甬江。姚江大閘水文站集水面積1 918 km2,距離河口3.6 km,基本斷面上游44.0 km 處建有蜀山大閘,下游330 m 處建有姚江大閘,水位的變化主要受這2 座閘門啟閉的影響。姚江大閘水文站為國(guó)家重要水文站,測(cè)驗(yàn)河段順直,系人工河道,河寬211 m,河床為淤泥。主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有降水量、水位、流量、蒸發(fā)、水溫等。
傳統(tǒng)懸移質(zhì)分析采用人工取樣進(jìn)行分析,工作量大,時(shí)效性不高,難以滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。自動(dòng)化、實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)泥沙觀測(cè)是現(xiàn)代水文觀測(cè)的發(fā)展方向。周波等[1]對(duì)三峽入庫泥沙長(zhǎng)期采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),觀測(cè)時(shí)效性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高;王海申[2]采用OBS-3+濁度儀構(gòu)建了海上懸沙在線測(cè)量系統(tǒng),凌佳等[3]采用OBS-3+濁度儀構(gòu)建了河道在線含沙量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。趙軍等[4]利用TES-71 進(jìn)行懸沙在線監(jiān)測(cè),該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)含沙量與人工實(shí)測(cè)吻合非常好。為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)姚江懸移質(zhì)泥沙時(shí)空分布、探求懸沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律,姚江大閘水文站采用TES-91 泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)含沙量在線監(jiān)測(cè)。
姚江大閘水文站泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由TES-91 泥沙監(jiān)測(cè)儀、泥沙分析模塊,數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)(含 RTU)、供電系統(tǒng)和安裝支架等組成(見圖1)。TES-91 泥沙監(jiān)測(cè)儀連續(xù)精確測(cè)定水體中的懸移質(zhì)泥沙含量,通過RS485 總纜與遙測(cè)終端(RTU)相連,采集數(shù)據(jù)由遙測(cè)終端通過4G 發(fā)送到中心站,采集和傳輸采用太陽能供電,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。TES-91 泥沙監(jiān)測(cè)儀安裝在單沙點(diǎn)或者具有斷沙代表性的點(diǎn),通過建立單沙點(diǎn)與斷面平均含沙量的關(guān)系,經(jīng)比測(cè)得到斷面平均含沙量,適用于測(cè)量天然河道、渠道、水庫等懸移質(zhì)泥沙含量不超過120 kg/m3的水體。
圖1 TES-91 泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖
TES-91 泥沙監(jiān)測(cè)儀是基于組合紅外吸收散射光線法,通過逆投影成像技術(shù),測(cè)定水體中的懸移質(zhì)泥沙含量并直接輸出數(shù)據(jù)。TES-91 泥沙監(jiān)測(cè)儀采用840 nm±5 nm 波長(zhǎng)的近紅外光,對(duì)水體中的顆粒物敏感度更高。通過2 個(gè)感光器接收強(qiáng)度,計(jì)算出水體中懸移質(zhì)的占比濃度,通過設(shè)定的密度值計(jì)算出泥沙含量。根據(jù)不同流域?qū)鞲衅鬟M(jìn)行分大類來標(biāo)定分析,并將逆投影成像技術(shù)計(jì)算方法寫進(jìn)傳感器軟件,提高了不同泥沙的測(cè)量精確度。
姚江大閘水文站TES-91 泥沙監(jiān)測(cè)儀(見圖2)安裝在水位臺(tái)外側(cè),通過制作不銹鋼安裝支架依托水位臺(tái)基礎(chǔ)進(jìn)行固定安裝,入水深度約1 m(見圖3)。當(dāng)采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?;騻鞲衅餍枰S護(hù)時(shí),泥沙監(jiān)測(cè)儀可通過不銹鋼支架上的導(dǎo)軌提出水面。
圖2 TES-91 泥沙監(jiān)測(cè)儀
圖3 姚江大閘水文站泥沙監(jiān)測(cè)儀安裝圖
通過同位置同時(shí)間人工采集與TES-91 泥沙監(jiān)測(cè)儀的單點(diǎn)含沙量進(jìn)行相關(guān)分析,檢驗(yàn)TES-91 泥沙監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)的單點(diǎn)含沙量穩(wěn)定性。通過人工采集計(jì)算得到的斷面平均含沙量與TES-91 泥沙監(jiān)測(cè)儀的單點(diǎn)含沙量進(jìn)行率定分析,建立單點(diǎn)含沙量與斷面平均含沙量率定關(guān)系。
含沙量水樣的人工采集采用 XCL 橫式取樣器進(jìn)行,室內(nèi)測(cè)定采用重量法。單點(diǎn)含沙量水樣人工采集在儀器安裝位置附近進(jìn)行;垂線采樣采用層次積點(diǎn)法,每條垂線含沙量人工取樣起訖時(shí)間和流量監(jiān)測(cè)同步,流量監(jiān)測(cè)采用走航式ADCP[5],由垂線平均含沙量和分塊流量計(jì)算得到斷面平均含沙量。人工取樣分別安排在 2022 年 4 月2 日、5 月29 日、5 月 31 日、6 月 1 日、6 月 3 日、6 月 6 日開閘放水期間進(jìn)行。
通過資料整編和化驗(yàn)分析,共獲取人工采集單點(diǎn)含沙量與同步的TES-91 泥沙監(jiān)測(cè)儀的單點(diǎn)含沙量共31 組數(shù)據(jù),建立人工采集單點(diǎn)含沙量與在線監(jiān)測(cè)單點(diǎn)含沙量關(guān)系曲線,見圖4。
圖4 姚江大閘水文站單點(diǎn)含沙量人工采集與在線監(jiān)測(cè)關(guān)系曲線圖
根據(jù) SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》要求,對(duì)上述回歸方程進(jìn)行定線精度分析與關(guān)系曲線三線檢驗(yàn),得出實(shí)測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差Se=5.08%,隨機(jī)不確定度 2Se=10.16% ≤18%,系統(tǒng)誤差|0.062%|≤2%,符合規(guī)范中規(guī)定的一類精度水文站定線精度要求。因此,姚江大閘水文站單點(diǎn)含沙量在線監(jiān)測(cè)設(shè)備較為穩(wěn)定可靠。
姚江大閘水文站斷面共布設(shè) 5 條垂線進(jìn)行含沙量水樣人工采集。
經(jīng)資料整編和化驗(yàn)分析后共獲取60 組有效測(cè)次數(shù)據(jù),其中斷面平均含沙量變幅為 0.025~0.060 kg/m3,單點(diǎn)含沙量變幅為 0.025~0.058 kg/m3,水位變幅為 0.77~1.43 m,流量變幅為 32~547 m3/s。
通過數(shù)據(jù)資料整編獲得的斷面平均含沙量與同步的TES-91 泥沙監(jiān)測(cè)儀的單點(diǎn)含沙量共60 組數(shù)據(jù),建立斷面平均含沙量與單點(diǎn)含沙量的關(guān)系曲線,見圖5。
圖5 姚江大閘水文站斷面平均含沙量與單點(diǎn)含沙量關(guān)系曲線圖
根據(jù)SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范 》要求,對(duì)上述回歸方程進(jìn)行定線精度分析與關(guān)系曲線三線檢驗(yàn),得出實(shí)測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差Se=6.11%,隨機(jī)不確定度 2Se=12.22% ≤18%,系統(tǒng)誤差|0.349%|≤2%,符合規(guī)范中規(guī)定的一類精度水文站定線精度要求。
1)符號(hào)檢驗(yàn):n=60,k=29(k為正號(hào)個(gè)數(shù)),u=0.13<1.15(顯著性水平α=0.25),符號(hào)檢驗(yàn)通過。
2)適線檢驗(yàn):n=60,不變換符號(hào)“0”次數(shù)為25,變換符號(hào)“1”次數(shù)k為34,k>0.5(n-1),不做此檢驗(yàn)。
3)偏離數(shù)值檢驗(yàn):n= 60,平均相對(duì)偏離值ΔP=0.349%,ΔP的 標(biāo) 準(zhǔn) 差SΔP=0.78%,統(tǒng) 計(jì) 量t=0.446,|t|=0.446<1.30(顯著性水平α=0.20),認(rèn)為合理,偏離數(shù)值檢驗(yàn)通過。
上述3 種方法對(duì)斷面平均含沙量與單點(diǎn)含沙量關(guān)系曲線的三線檢驗(yàn),全部達(dá)到 SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》要求,認(rèn)為定線正確。
1)姚江大閘水文站懸移質(zhì)泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,在線監(jiān)測(cè)單點(diǎn)含沙量與斷面平均含沙量相關(guān)關(guān)系較好,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的單點(diǎn)含沙量經(jīng)換算得到的斷面平均含沙量數(shù)據(jù)可供有關(guān)部門參考使用。
2)根據(jù)SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》,實(shí)測(cè)輸沙率最大相應(yīng)單沙為最大實(shí)測(cè)單沙的 50%以上時(shí),可做高沙延長(zhǎng),單沙關(guān)系為曲線時(shí),延長(zhǎng)幅度不應(yīng)超過實(shí)測(cè)最大單沙的 30%,因此本斷面與單點(diǎn)含沙量關(guān)系曲線的適用范圍為0.025~0.076 kg/m3。
3)每年對(duì)率定關(guān)系線進(jìn)行5 次以上校測(cè),根據(jù)SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》規(guī)定,若未通過t檢驗(yàn)或者泥沙監(jiān)測(cè)儀安裝位置發(fā)生變動(dòng)時(shí),需要重新比測(cè)率定,獲取新的關(guān)系線。
4)姚江大閘水文站所處姚江出口受姚江大閘控制,大閘未排水時(shí)所處斷面水體基本靜止,泥沙監(jiān)測(cè)儀易受生物附著影響實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)精度,需對(duì)泥沙監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行定期清洗維護(hù)。