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        基于光學(xué)濁度儀的感潮河段泥沙在線監(jiān)測

        2024-12-04 00:00:00曾瑞韋立新萬思成蔡磊
        水利水電快報 2024年14期

        摘要:為了提高感潮河段泥沙監(jiān)測水平,利用光學(xué)濁度儀在南京水文實驗站開展了含沙量施測精度、穩(wěn)定性、可靠性的比測試驗,在監(jiān)測系統(tǒng)兩個浮標(biāo)位置安裝在線測沙儀,分析了濁度與測點含沙量及斷面平均含沙量的關(guān)系。結(jié)果表明:2023年3~8月南京水文實驗站在室外利用光學(xué)濁度儀采集數(shù)據(jù)確立的點濁度-斷面平均含沙量關(guān)系,通過了水文規(guī)范要求的定線精度檢驗,隨機不確定度為16.4%,系統(tǒng)誤差0.4%,滿足一類精度站要求,實現(xiàn)了實時含沙量、輸沙率的推求。采用光學(xué)濁度儀測驗懸移質(zhì)含沙量可大幅度提高泥沙測驗的時效性,在線測沙系統(tǒng)可以實時反映出感潮河段泥沙特性規(guī)律。

        關(guān)鍵詞:泥沙在線監(jiān)測; 懸移質(zhì)含沙量; 斷面平均含沙量; 感潮河段; 光學(xué)濁度儀

        中圖法分類號:P335.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼:ADOI:10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S2.002

        文章編號:1006-0081(2024)S2-0004-05

        0引言

        河流懸移質(zhì)泥沙含量是重要的水文參數(shù)之一,河流含沙量監(jiān)測對于水利水電工程建設(shè)、水資源開發(fā)利用、水土流失治理、工農(nóng)業(yè)取水用水和水文預(yù)報等意義重大。目前水文測量河流含沙量的主要方法是人工取樣,使用烘干稱重法計算含沙量,該方法從樣品的采集到分析,均需要大量人力、物力和時間的投入,而且測量周期長、操作過程繁瑣、勞動強度大,不能實時監(jiān)測河流含沙量的變化,泥沙測驗成了制約水文全要素在線監(jiān)測的瓶頸[1-2]。

        隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,部分測站流量已實現(xiàn)了在線監(jiān)測[3-4]。在線測沙研究取得一些成果,朱文祥等[5]在紅河流域元江站、梁如心等[6]在黃河流域三門峽站、鄧才等[7]在洞庭湖水系自治局(三)站、王玨等[8]在長江口徐六涇站等運用光學(xué)法和同位素法開展了多次嘗試;吳堯等[9]在深圳河口站進(jìn)行了短期輸沙率的推算。為突破泥沙監(jiān)測瓶頸,提高現(xiàn)代化水平,本文以感潮河段為研究對象,利用光學(xué)測沙法開展泥沙在線監(jiān)測,并對含沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行整編。具體通過濁度傳感器比選、室內(nèi)試驗率定、室外安裝測試等,利用光學(xué)濁度儀對含沙量精度、穩(wěn)定性、可靠性進(jìn)行比測,建立濁度與測點含沙量及斷面平均含沙量的關(guān)系。

        1測沙原理及儀器結(jié)構(gòu)

        1.1測沙原理

        濁度測量的原理主要包括朗伯-比爾定律以及水樣對光的散射作用,其中散射作用主要是瑞利散射和米氏散射[10-11]。當(dāng)一束單色的平行光垂直通過一均勻吸光物質(zhì)時,其吸收光強度與物質(zhì)濃度和光線通過厚度成正比,而透射光強度與物質(zhì)濃度和光線通過厚度成反比;在不考慮液體中顆粒大小的情況下,散射光的強度和液體濃度都是成正比[12]。

        濁度的散射強度對泥沙粒徑較為敏感[13-14],長江下游感潮河段泥沙顆粒分布相對集中。從2018~2022年斷面平均含沙量(圖1)看出,南京水文實驗站斷面平均含沙量大部分低于0.100 kg/m3,占全部測次的87.3%,最大斷面實測含沙量為0.240 kg/m3。2018~2022年懸移質(zhì)斷面中值粒徑范圍為0.007~0.020 mm(圖2),其中小于0.015 mm的測次占93.8%。

        1.2儀器結(jié)構(gòu)

        在線測沙系統(tǒng)由在線測沙儀(主機、電源及4G傳輸)、數(shù)據(jù)接收服務(wù)器、手機APP軟件及外置太陽能充電模塊等組成。其中,在線測沙儀主機包含光學(xué)濁度傳感器、數(shù)據(jù)采集傳輸控制模塊、傳感器清洗刷頭、防水外殼等。

        2室內(nèi)外比測實驗及合理性分析

        2.1泥沙脈動

        天然河流中泥沙脈動情況普遍存在[15]。圖3為泥沙脈動現(xiàn)象,圖中顯示了在南京水文實驗站測流斷面落潮期約1 h內(nèi),同一點持續(xù)30次取樣用烘干法測得的點含沙量數(shù)據(jù),點含沙量范圍為0.089~0.250 kg/m3,采用的橫式采樣器為瞬時采樣器,無法避免脈動。

        2.2室內(nèi)比測

        選擇一個能盛裝懸移質(zhì)水樣的不透光容器,底部安裝磁力攪拌器,從而達(dá)到攪拌液體的目的。在線測沙儀入水樣深度可調(diào)節(jié),要求濁度儀發(fā)射和接收信號的傳感器在懸移質(zhì)水樣的水深中部,讀取濁度值,通過回歸分析得到濁度和含沙量之間的對應(yīng)關(guān)系。

        曾瑞 等基于光學(xué)濁度儀的感潮河段泥沙在線監(jiān)測圖4為室內(nèi)31個樣本點濁度與點含沙量建立的相關(guān)關(guān)系,復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.982 8,相關(guān)性較好。采樣區(qū)域為南京水文實驗站中泓兩條垂線,為了擴大樣本范圍,橫式采樣器連續(xù)取樣約200 L,靜止沉淀一周后對水樣進(jìn)行濃縮,利用分樣器連續(xù)分樣并編號,分別記錄相應(yīng)點含沙量與點濁度值。實測點含沙量范圍為0.011~1.108 kg/m3,點濁度范圍為16.2~856.0 NTU。

        2.3室外比測

        2022年起,南京水文實驗站開始收集兩個在線測流浮標(biāo)船[16]水下2 m位置水樣并計算點含沙量,與同測次斷面含沙量建立相關(guān)關(guān)系,共分析28測次。相關(guān)關(guān)系如圖5~7所示。

        分析起點距1 595 m和1 115 m垂線平均含沙量-斷面平均含沙量相關(guān)性,以及兩垂線測點含沙量(水下2 m)-垂線平均含沙量相關(guān)性,研究垂線代表性和模型可行性。起點距1 595 m(在線測流/沙系統(tǒng)浮標(biāo)1)測點含沙量-垂線平均含沙量相關(guān)性較好,復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.924 3。起點距1 595,1 115 m(在線測流/沙系統(tǒng)浮標(biāo)2)垂線平均含沙量-斷面平均含沙量相關(guān)性較好,復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.974 3,0.938 9。

        2023年2月完成在線測沙系統(tǒng)浮標(biāo)船(起點距1 115,1 595 m)的安裝,測沙儀正式開始在室外收集數(shù)據(jù)。結(jié)合南京水文實驗站原取水方案,選取每次穩(wěn)定時段,在測沙儀位置連續(xù)取水3次,每次2 000 mL,并記錄準(zhǔn)確時間,收集對應(yīng)時間測沙儀濁度數(shù)據(jù),同時段測流按照7線21點選點法取水樣,計算全斷面平均含沙量。

        結(jié)合室外的點濁度-點含沙量關(guān)系(圖8),與室內(nèi)數(shù)據(jù)合并建立點濁度-點含沙量綜合定線公式如下。點含沙量=0.0011·點濁度+0.008(1)在在線測沙儀的水深位置進(jìn)行取樣,用烘干稱重法計算點含沙量,分別建立點濁度與斷面平均含沙量的關(guān)系這種方法(精度優(yōu)于原有方法)。原有方法為通過濁度計算點含沙量,再建立點含沙量與斷面平均含沙量的關(guān)系(圖9~10)的方法。濁度①(在線測沙1號)數(shù)據(jù)范圍為5.9~62.2 NTU,斷面平均含沙量范圍為0.015~0.086 kg/m3,點含沙量范圍為0.017~0.087 kg/m3。

        3斷面含沙量分析計算

        3.1相關(guān)性分析

        圖11為測沙儀計算斷面平均含沙量與實測值對比。統(tǒng)計2023年3~8月浮標(biāo)點濁度與斷面平均含沙量相關(guān)關(guān)系,采集數(shù)據(jù)共18組,建立浮標(biāo)點濁度-斷面平均含沙量關(guān)系如下:斷面平均含沙量=0.000062·濁度②

        +0.00116·濁度①+0.00756,

        R2=0.9490 (2)

        斷面平均含沙量=0.0012濁度①+0.0075,

        R2=0.9480 (3)

        斷面平均含沙量=0.0008濁度②+0.0179,

        R2=0.7575 (4)

        式中:濁度①和濁度②分別為起點距1 595,1 115 m測得的濁度。

        根據(jù)SL/T 247-2020《水文資料整編規(guī)范》,計算流量輸沙率關(guān)系曲線的標(biāo)準(zhǔn)差和隨機不確定度[17],三項檢驗均通過,隨機不確定度為16.4%,系統(tǒng)誤差0.4%,滿足一類精度站要求。

        3.2數(shù)據(jù)處理及方案應(yīng)用

        結(jié)合儀器設(shè)備運行實際情況,剔除因漂浮物導(dǎo)致的短期數(shù)據(jù)跳變,對兩臺測沙儀濁度數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理(6組數(shù)據(jù)滑動平均),并根據(jù)相關(guān)性優(yōu)先級,優(yōu)先選擇濁度①+濁度②,見式(2);其次為濁度①,見式(3);再次為濁度2,見式(4)。傳感器收到5 min斷面數(shù)據(jù)后按照以上規(guī)則處理數(shù)據(jù)。感潮河段懸移質(zhì)泥沙規(guī)律:含沙量周期特點明顯,且準(zhǔn)周期內(nèi)的最大含沙量出現(xiàn)時刻為水流由落潮向漲潮轉(zhuǎn)換后,最小含沙量出現(xiàn)時刻是在漲潮向落潮轉(zhuǎn)換時[18]。

        4上下游合理性分析

        根據(jù)公式(2)~(4),由測沙儀數(shù)據(jù)計算出每5 min 斷面平均含沙量,采用算術(shù)平均值計算逐日斷面平均含沙量,日斷面平均含沙量與在線測流系統(tǒng)推求的日平均流量相乘,得到日平均輸沙率。南京水文實驗站2023年7~9月斷面水文要素見圖12~14。

        大通水文站位于南京水文實驗站上游約200 km,是長江下游干流最后一個徑流控制站,長江入海徑流量以該站斷面流量為準(zhǔn)。大通至南京來水量主要指區(qū)間入江水量扣除引江水量以及跨流域調(diào)水量后的來水量。區(qū)間入流主要有西河、永安河、裕溪河;青通河;漳河、青弋江、水陽江;秦淮河;滁河等,這些河流多年匯入長江的水量平均約為210億m3,年平均流量約為665.9 m3/s。

        將計算的南京水文實驗站平均含沙量、輸沙率與大通水文站對比,趨勢基本一致,統(tǒng)計值見表1。2023年7~9月南京水文實驗站由測沙儀計算月平均含沙量值分別為0.073,0.056,0.057 kg/m3,略小于大通水文站整編數(shù)據(jù)(根據(jù)單斷關(guān)系線計算)的0.086,0.059,0.061 kg/m3。

        5結(jié)論

        采用光學(xué)濁度儀法測驗懸移質(zhì)含沙量可大幅度提高泥沙測驗的時效性,在線測沙系統(tǒng)可以實時反映出感潮河段泥沙特性規(guī)律,為科研和生產(chǎn)提供依據(jù)。南京水文實驗站室外2023年3~8月采集數(shù)據(jù)確立的點濁度-斷面平均含沙量關(guān)系,通過了水文規(guī)范要求的定線精度檢驗,滿足一類精度站要求,實現(xiàn)了實時推求含沙量、輸沙率。同時,因該區(qū)域總體含沙量較小,絕大多數(shù)小于0.100 kg/m3,加之泥沙本身的脈動及現(xiàn)行采用的橫式采樣器的瞬時誤差,使得個別測次推算含沙量與實測值相對偏差較大。實際應(yīng)用中,可采用邊比測邊投產(chǎn)方式,對于超出比測范圍的沙量級,繼續(xù)在穩(wěn)定測驗期間同步取水樣并記錄對應(yīng)時間濁度值,同時增加大含沙量全潮測驗期對照取水。綜上,光學(xué)法泥沙在線監(jiān)測可適用于感潮河段水文測站及一定范圍內(nèi)的固定河道斷面,目前采用單一線定線法,后續(xù)可根據(jù)數(shù)據(jù)收集情況視需要分段定線。

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        (編輯:江文)

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