楊魯斌

（廣東省水文局茂名水文分局，廣東茂名，525000）

河流懸移質(zhì)泥沙含沙量是重要的水文參數(shù)之一，河流含沙量監(jiān)測(cè)對(duì)于水利水電工程建設(shè)、水資源開(kāi)發(fā)利用、水土流失治理、工農(nóng)業(yè)取水用水、水文預(yù)報(bào)等意義重大。當(dāng)前主要依靠人工進(jìn)行含沙量的測(cè)驗(yàn)，此方法耗時(shí)長(zhǎng)，且處理過(guò)程中易出錯(cuò)，很難對(duì)含沙量進(jìn)行快捷的監(jiān)測(cè)。為了解決傳統(tǒng)泥沙測(cè)量周期長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)快捷、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)河流含沙量變化的缺點(diǎn)，提升水文測(cè)報(bào)的智能化、自動(dòng)化水平，在大量調(diào)研基礎(chǔ)上，廣東省水文局茂名水文分局決定開(kāi)展TES-71 泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的比測(cè)工作，探索其在轄區(qū)站點(diǎn)推廣使用可行性，以實(shí)現(xiàn)含沙量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，減少人力、物力和時(shí)間投入，加速推進(jìn)水文現(xiàn)代化的進(jìn)程。

1 TES-71 泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

國(guó)際上常用的泥沙監(jiān)測(cè)方法有：同位素放射法、光學(xué)測(cè)沙法、聲學(xué)測(cè)沙法、振動(dòng)儀測(cè)沙法、電容式測(cè)沙法等，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)的泥沙測(cè)驗(yàn)技術(shù)水平取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，監(jiān)測(cè)設(shè)備在技術(shù)上完全媲美國(guó)外品牌。

1.1 TES 系列泥沙監(jiān)測(cè)儀的應(yīng)用情況

TES 系列泥沙監(jiān)測(cè)儀由天宇利水信息技術(shù)成都有限公司研發(fā)生產(chǎn)，泥沙監(jiān)測(cè)儀是該公司的王牌產(chǎn)品之一。全國(guó)已有100 多套TES 系列泥沙監(jiān)測(cè)儀在水文站、水電站、高校野外臺(tái)站等應(yīng)用。針對(duì)國(guó)內(nèi)河道具有適用性更強(qiáng)更廣的特點(diǎn)，技術(shù)上有明顯優(yōu)勢(shì)，實(shí)時(shí)輸出含沙量，滿足水文現(xiàn)代化發(fā)展的需求。

1.2 泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

TES-71 泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由水文纜道、泥沙監(jiān)測(cè)儀、泥沙監(jiān)測(cè)管理軟件、岸上數(shù)據(jù)接收模塊、電腦、瓶式采樣器、XUZ-DC-2 型多倉(cāng)遙控采樣器等組成。

1.3 TES 系列泥沙監(jiān)測(cè)儀測(cè)量原理

TES 系列泥沙監(jiān)測(cè)儀基于組合紅外吸收散射光線法，根據(jù)算法能夠輸出含沙量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)快捷的監(jiān)測(cè)。

TES 泥沙監(jiān)測(cè)儀主要核心部件是：一個(gè)紅外發(fā)射光源和兩個(gè)不同角度（90°和135°）紅外接收傳感器構(gòu)成[1]。通過(guò)兩個(gè)紅外接收傳感器的電阻變化來(lái)判斷懸移質(zhì)反射強(qiáng)度，從而得出懸移質(zhì)在水體中的密度。通過(guò)在不同角度接收反射紅外光來(lái)判斷懸移質(zhì)的縱向密度與橫向密度，利用兩個(gè)密度值的線性重合最終得出懸移質(zhì)在水中的真實(shí)密度。對(duì)于不同懸移質(zhì)的本身密度和顏色的不同，如要提高儀器精度則需要同人工實(shí)測(cè)含沙量數(shù)值進(jìn)行關(guān)系率定。TES-71 泥沙監(jiān)測(cè)儀工作原理見(jiàn)圖1，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 TES-71 工作原理示意圖

表1 TES-71 泥沙監(jiān)測(cè)儀主要技術(shù)參數(shù)

2 測(cè)驗(yàn)河段概況

2.1 測(cè)站基本情況

高州水文站建站于1946 年9 月，為鑒江干流中上游控制站，屬國(guó)家級(jí)水文站網(wǎng)規(guī)劃，是國(guó)家重要水文站，為國(guó)家長(zhǎng)期收集鑒江干流水道的水文基礎(chǔ)信息、分析水文特性、河道演變等規(guī)律而設(shè)，為鑒江水旱災(zāi)害防御、供水安全、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)與保護(hù)、河道治理等服務(wù)。集水面積2 905km2，距河口123km。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有：水位、流量、懸移質(zhì)泥沙、降水、水質(zhì)。

該站上游約5km 處有秧地坡攔河壩一座，下游約2km 處有紅荔電站攔河壩一座，其對(duì)測(cè)驗(yàn)影響較大。

2.2 測(cè)驗(yàn)斷面情況與河流特性

高州水文站測(cè)驗(yàn)河段比較順直，為沙質(zhì)河床，泥沙測(cè)驗(yàn)為二類(lèi)精度?；舅邤嗝嫔嫌渭s400m 處有彎道且有沙洲，下游2～3km 較為順直，其中下游約55m 處有大橋一座。主槽靠左岸，左岸上游為風(fēng)化岸土，不易沖刷。受上下游攔河壩閘門(mén)啟閉及發(fā)電影響，測(cè)驗(yàn)河段水位、流量變化頻繁、急劇。

該站實(shí)測(cè)最高水位32.46 m，實(shí)測(cè)最低水位22.05 m；實(shí)測(cè)最大流量3 290 m3/s，最小流量2.77m3/s；最大含沙量7.00 kg/m3，最小含沙量0.001 kg/m3。

2.3 大斷面變化分析

2013 年以前河床形態(tài)為“U”型，同年高州站下游約100m 處修建新橋，對(duì)河床影響較大，河床形態(tài)由“U”型變?yōu)槠癡”型，從2017 年開(kāi)始測(cè)驗(yàn)斷面形態(tài)已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

泥沙測(cè)驗(yàn)斷面左岸為步行棧道，右岸為混凝土河堤。收集高州水文站2010-2022 年汛前實(shí)測(cè)大斷面成果資料，繪制多年大斷面圖（見(jiàn)圖2）。

圖2 高州水文站歷年大斷面圖

2.4 高州水文站單沙測(cè)驗(yàn)現(xiàn)狀

單沙取樣位置位于基本水尺斷面起點(diǎn)距40.0m，采用瓶式采樣器，積深法取樣；或取樣位置位于基本水尺斷面起點(diǎn)距40.0m，采用橫式采樣器取樣，相對(duì)水深0.6處一點(diǎn)法取樣。

洪水期，單沙測(cè)次大于等于3 次，當(dāng)含沙量變化大時(shí)，加密測(cè)次。汛期平水期2～5 天測(cè)驗(yàn)一次，非汛期平水期5～10 天測(cè)驗(yàn)一次。

3 儀器驗(yàn)證階段

2019 年高州水文站引進(jìn)TES-71 泥沙監(jiān)測(cè)儀，正式比測(cè)之前，為檢驗(yàn)儀器穩(wěn)定性，于2019 年6 月20日至2019 年11 月31 日進(jìn)行試驗(yàn)性比測(cè)。

3.1 儀器穩(wěn)定性分析思路

（1）垂線平均含沙量（瓶式采樣器采樣，烘干法）與TES-71 纜道測(cè)沙同步比測(cè)，通過(guò)TES-71 儀器示值和同位置垂線含沙量樣本建立模型。

（2）控制變量對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將儀器置于清水和空氣中，通過(guò)數(shù)值變化，判斷儀器的穩(wěn)定性。

3.2 儀器數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析

收集含沙量樣本21 份（2019 年6 月20 日到9 月12 日）。將TES-71 示值與垂線實(shí)測(cè)含沙量建立相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)圖3。結(jié)果顯示兩者相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)為0.994 1，符號(hào)檢驗(yàn)u=0.22，適線檢驗(yàn)U=0.22，=0.55，三項(xiàng)檢驗(yàn)合格；隨機(jī)不確定度為33.8%，系統(tǒng)誤差為2.0%，隨機(jī)不確定度未滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）[2]5.3.5 中的規(guī)定。但考慮到相關(guān)性明顯，趨勢(shì)較好，可繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試。

圖3 泥沙監(jiān)測(cè)儀示值與垂線實(shí)測(cè)含沙量關(guān)系

3.3 儀器置于空氣中清水中穩(wěn)定性分析

為進(jìn)一步對(duì)儀器的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷分別將TES-71 探頭放置于空氣中和清水中進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)采集，繪制時(shí)間與TES-71 示值變化關(guān)系圖，見(jiàn)圖4、圖5。數(shù)據(jù)穩(wěn)定，可以開(kāi)展正式比測(cè)。

圖4 空氣中泥沙監(jiān)測(cè)儀示值與時(shí)間變化關(guān)系

圖5 清水中泥沙監(jiān)測(cè)儀示值與時(shí)間變化關(guān)系

4 正式比測(cè)階段

TES-71 泥沙監(jiān)測(cè)儀傳感器在相對(duì)水深0.6 處，采用一點(diǎn)法，橫式采樣器取水樣。

4.1 含沙量率定方法

（1）同位置點(diǎn)含沙量人工方法（在儀器旁采用橫式采樣器單獨(dú)取樣，利用烘干法所測(cè)取的含沙量）與TES-71 泥沙監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)同步比測(cè)，通過(guò)TES-71泥沙監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)和同位置點(diǎn)人工含沙量樣本建立模型。

（2）采用TES-71 泥沙監(jiān)測(cè)儀經(jīng)率定后的數(shù)據(jù)與同位置點(diǎn)人工含沙量樣本進(jìn)行誤差分析，驗(yàn)證相關(guān)關(guān)系模型的準(zhǔn)確性[3]。

4.2 比測(cè)率定資料選取

2020 年含沙量小，比測(cè)時(shí)機(jī)差；且儀器設(shè)備處于升級(jí)階段，并未開(kāi)展比測(cè)工作。2021 年7 月至2022 年7月開(kāi)展同步比測(cè)工作期間共搜集到比測(cè)數(shù)據(jù)129 組。人工實(shí)測(cè)含沙量變化范圍為0.017～3.98kg/m3，2022 年有兩場(chǎng)較大洪水。收集數(shù)據(jù)其變化范圍可以代表高州水文站的單沙數(shù)據(jù)。比測(cè)期間泥沙監(jiān)測(cè)儀示值最小0.029kg/m3，最大3.94kg/m3。

4.3 率定分析

建立泥沙監(jiān)測(cè)儀示值與實(shí)測(cè)含沙量關(guān)系曲線圖，見(jiàn)圖6，可見(jiàn)兩者之間相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)R2=0.983 3，進(jìn)行曲線檢驗(yàn)未滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）[2]5.3.5 中規(guī)定。主要是低含沙量段數(shù)據(jù)散亂造成。

圖6 測(cè)沙儀示值與實(shí)測(cè)含沙量總體關(guān)系

建立泥沙監(jiān)測(cè)儀含沙量與實(shí)測(cè)含沙量關(guān)系曲線圖，發(fā)現(xiàn)關(guān)系曲線在泥沙監(jiān)測(cè)儀示值0.600kg/m3附近存在突變，分別繪制高低含沙量?jī)啥侮P(guān)系線發(fā)現(xiàn)分界較為明顯。 在關(guān)系線上找出此特征點(diǎn)，為測(cè)點(diǎn)（0.611，0.167）?？紤]到儀器特性，不同級(jí)別實(shí)測(cè)含沙量與泥沙監(jiān)測(cè)儀代表性不同問(wèn)題，本站采用分段率定的方式進(jìn)行分析。將關(guān)系曲線分為兩段，以泥沙監(jiān)測(cè)儀含沙量0.611kg/m3為節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖7）。

圖7 測(cè)沙儀示值與實(shí)測(cè)含沙量分段關(guān)系

2019 年與2021-2022 年相比泥沙采樣設(shè)備由瓶式采樣器變更為多倉(cāng)橫式采樣器，橫式采樣器由多組遙控標(biāo)準(zhǔn)橫式采樣器、無(wú)線遙控控制器、供電電源組成，可以完成多點(diǎn)多次采樣，提高了采樣效率；泥沙監(jiān)測(cè)儀也進(jìn)行過(guò)相應(yīng)升級(jí)，整體結(jié)構(gòu)有較大改變。因此上述兩個(gè)時(shí)段關(guān)系曲線并不完全一致。

4.3.1 泥沙監(jiān)測(cè)儀示值≥0.611kg/m3的率定分析

建立TES-71 泥沙監(jiān)測(cè)儀含沙量與垂線實(shí)測(cè)含沙量的相關(guān)關(guān)系模型，得出關(guān)系曲線1，可見(jiàn)兩者之間相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)R2=0.993 7，見(jiàn)圖8。

圖8 中高含沙量時(shí)測(cè)沙儀示值與實(shí)測(cè)含沙量率定關(guān)系

統(tǒng)計(jì)分析泥沙監(jiān)測(cè)儀含沙量與實(shí)測(cè)含沙量?jī)烧咧g變化趨勢(shì)一致，吻合程度非常高。

對(duì)泥沙監(jiān)測(cè)儀含沙量≥0.611 kg/m3的40 組比測(cè)樣本進(jìn)行關(guān)系曲線檢驗(yàn)，樣本容量N=40，三項(xiàng)檢驗(yàn)均為合格。隨機(jī)不確定度為17.4%，系統(tǒng)誤差為-1.2%，滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）[2]5.3.5 中規(guī)定隨機(jī)不確定度與系統(tǒng)誤差分別不超過(guò)20.0%、3%的要求（見(jiàn)表2）。

表2 關(guān)系曲線檢驗(yàn)表

4.3.2 泥沙監(jiān)測(cè)儀示值＜0.611kg/m3的率定分析

繪制TES-71 泥沙監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)含沙量的關(guān)系，得出曲線2，兩者之間相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)R2=0.814 4，見(jiàn)圖9。對(duì)泥沙監(jiān)測(cè)儀含沙量示值＜0.611kg/m3的89組比測(cè)樣本進(jìn)行關(guān)系曲線檢驗(yàn)，樣本容量N=89，隨機(jī)不確定度為81.0%，系統(tǒng)誤差為18.7%，檢驗(yàn)結(jié)果不滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）[2]5.3.5中規(guī)定。

統(tǒng)計(jì)分析泥沙監(jiān)測(cè)儀含沙量與實(shí)測(cè)含沙量?jī)烧咧g變化趨勢(shì)基本一致，吻合程度較高，此區(qū)間實(shí)測(cè)含沙量跳動(dòng)較大，認(rèn)為是測(cè)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理誤差和儀器算法未能適應(yīng)低含沙量環(huán)境所造成。

4.4 年輸沙量分析

4.4.1 含沙量時(shí)段特征

低含沙量時(shí)，含沙量受河流自身?xiàng)l件影響較大，且人工采樣、處理水樣等過(guò)程步驟繁多，每一步都存在誤差問(wèn)題。并且低含沙量時(shí)，泥沙監(jiān)測(cè)儀受自身性能限制及環(huán)境影響，誤差相對(duì)較高，導(dǎo)致最終比測(cè)誤差較大?？紤]到低含沙量期間的輸沙量對(duì)年輸沙量影響較小，認(rèn)為有必要計(jì)算低含沙量數(shù)據(jù)占全年輸沙量的比重。

在整編軟件中對(duì)實(shí)測(cè)含沙量大于0.167kg/m3（0.167kg/m3為中高含沙量時(shí)段關(guān)系曲線1 與低含沙量時(shí)段關(guān)系曲線2 在y 軸交點(diǎn)） 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)剔除做零處理，得出2013-2022 年各年的低含沙量時(shí)段輸沙量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。收集1980-2022 年43 年年輸沙量數(shù)據(jù)，計(jì)算得到高州水文站多年平均輸沙量為43.5×104t。

表3 低含沙量期間的輸沙量占全年輸沙量占比

2013-2022 年低含沙量時(shí)段的輸沙量占年輸沙量的占比平均值為22.3%（由于2020 年和2021 年的年輸沙量遠(yuǎn)低于多年平均輸沙量，故2020 年-2021 年數(shù)據(jù)不參與平均值統(tǒng)計(jì)），占比較低，對(duì)全年輸沙量影響不大。

4.4.2 低含沙量時(shí)段關(guān)系線反推輸沙量分析

通過(guò)低含沙量時(shí)段關(guān)系曲線2 公式計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的線上含沙量。建立線上含沙量與實(shí)測(cè)含沙量關(guān)系曲線，見(jiàn)圖10。根據(jù)關(guān)系曲線利用往年實(shí)測(cè)含沙量轉(zhuǎn)換推求線上含沙量，使用線上含沙量代替實(shí)測(cè)含沙量對(duì)2013-2022 年十年間低含沙量時(shí)段的輸沙量進(jìn)行計(jì)算，得出一個(gè)轉(zhuǎn)換年輸沙量，進(jìn)而對(duì)十年間各年輸沙量誤差進(jìn)行分析。

圖10 實(shí)測(cè)含沙量與線上含沙量關(guān)系

對(duì)2013 年—2022 年十年間輸沙量進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，見(jiàn)表4。由表可得：10 年數(shù)據(jù)平均相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)，可見(jiàn)利用關(guān)系曲線2 進(jìn)行輸沙量推求造成的誤差較小。可認(rèn)為雖然低含沙量時(shí)段關(guān)系曲線2 不滿足相關(guān)規(guī)范精度要求，但用于推求年輸沙量滿足使用要求。

表4 轉(zhuǎn)換年輸沙量與實(shí)測(cè)輸沙量誤差表

5 結(jié) 論

（1）同傳統(tǒng)泥沙測(cè)驗(yàn)與整編方法相比，TES-71 泥沙監(jiān)測(cè)儀具有安裝簡(jiǎn)便，日常運(yùn)行成本低、快捷、實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了泥沙測(cè)驗(yàn)步驟，解放了生產(chǎn)力。

（2）泥沙監(jiān)測(cè)儀示值≥0.611kg/m3時(shí)比測(cè)效果較好可以滿足規(guī)范要求；泥沙監(jiān)測(cè)儀示值＜0.611kg/m3時(shí)雖然未滿足規(guī)范要求但關(guān)系較為清晰，低含沙量時(shí)段的輸沙量占年輸沙量的比重較低，利用關(guān)系曲線2反推輸沙量造成的誤差較小?？梢赃M(jìn)一步比測(cè)探究，進(jìn)行儀器算法的更新，嘗試改進(jìn)比測(cè)方法，尋找兩者關(guān)系。

（3）泥沙監(jiān)測(cè)儀示值≥0.611kg/m3時(shí)高州水文站采用TES-71 泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行單樣含沙量監(jiān)測(cè)是可行的，懸移質(zhì)含沙量處于0.170～3.98kg/m3之間時(shí)，可以使用泥沙檢測(cè)儀進(jìn)行單沙測(cè)驗(yàn)，當(dāng)懸移質(zhì)含沙量大于3.98kg/m3，需要及時(shí)收集樣本，恢復(fù)比測(cè)分析工作，調(diào)整優(yōu)化推算模型。