OBS-3A浊度计在钱塘江涌潮观测中的应用研究

张坚樑，刘冬雪

（浙江省河海测绘院，浙江 杭州 310008）

OBS-3A浊度计在钱塘江涌潮观测中的应用研究

张坚樑，刘冬雪

（浙江省河海测绘院，浙江 杭州 310008）

主要介绍在钱塘江涌潮连续观测中，首次采用新型OBS-3A浊度计进行该水域的悬沙浓度测量，并对悬浮泥沙的变化规律与涌潮的关系进行了试验分析与研究。通过采集盐官站待测水域的泥沙进行室内标定，将标定曲线分为三段的数理方法处理，分别拟合得到相应曲线方程，然后将涌潮观测中OBS采集到的浊度数据，经标定曲线转化为泥沙含量。通过含沙量变化过程线的分析，得到了反映涌潮特征与含沙量等要素的相关关系的结论。实测结果对钱塘江涌潮期间泥沙沉降规律的研究提供了有益的帮助。

浊度计；室内标定；悬沙浓度；涌潮

在江河湖海的水域环境中，悬浮泥沙含量是一个极其重要的环境参数。它的分布及时间变化，对于水域岸滩冲淤演变、水化学要素分布以及污染物搬运过程等，均有重要的作用和影响。OBS(Optical Back Scattering)浊度计是通过接收红外辐射光散射量来观测悬浮颗粒的，利用建立水体浊度与实测悬沙浓度之间的相关关系，进行浊度转化，从而得到OBS观测的悬沙浓度[1]。用OBS来测量水体泥沙含量，其最主要的优点就是操作简单，能够快速、实时、连续测量，且基本不受天气条件的制约[2]。目前，这种方法已广泛应用于悬沙浓度变化观测的研究工作中。主要用来确定水体浊度的变化因素、陆架及河口汊道的泥沙输运通量、泥沙的沉积速率等与水体含沙量相关的研究[3-6]。

钱塘江河口是举世闻名的强潮河口，水域开阔、流态复杂、河床多变。从1950年开始进行了较为系统的涌潮观测，包括涌潮高度、涌潮传播速度和方向、涌潮形态、涌潮压力等内容。以往钱塘江悬浮泥沙浓度的测定一直采用传统方法，即现场采集水样，然后对水样进行过滤、称重计算水体泥沙浓度，这种方法是原始，也是最准确的方法。但钱塘江涌潮观测期间，由于潮流强劲，给水上作业带来很大的难度，江中取样危险性极高，故只能在岸边进行取样测量，因此，钱塘江涌潮观测中悬浮泥沙浓度的连续测量资料并不完整和准确。为解决此难题，我们引进使用了OBS-3A浊度计，并在现场实际测量之前反复进行了应用试验。试验证明了OBS-3A浊度计在悬沙浓度测定中的可行性，此次钱塘江涌潮观测首次采用OBS-3A浊度计进行悬沙浓度测定。另外，由于OBS-3A浊度计另配有CTD传感器，所以在测泥沙浓度的同时也采集到该点的温度、盐度和深度的实时同步测量数据[7]，这就大大简化了有关水文观测工作的测量步骤，提高了测量效率，降低了测量成本。

1 测量模式

OBS-3A浊度计有两种工作模式，实时测量和自容式测量。在实时测量(Survey)工作模式中，可以通过软件直接监测到即时测量数据；而在自容记录 (Log)模式中，OBS-3A将所测数据存入仪器内存中，适用于长时间连续性测量。在本次涌潮观测过程中悬沙浓度的测定采用了自容模式；而在泥沙标定试验中，我们将仪器直接与计算机端口连接，采用实时测量模式采集数据。

2 泥沙标定

2.1 标定方法

在实测工作中OBS测得到的数值是水体浊度值(NTU)，需要经过精确的标定才能得到水体实际悬沙浓度值(kg/m3)，因此，仪器标定是准确研究悬沙浓度变化的关键环节。泥沙标定通常采用现场标定和室内标定两种方法。

现场标定，是采取垂线测量取样的方法，即用OBS测量不同水层水体浊度值，在同一水层与OBS同步取水样，过滤称重得到相对应的泥沙实际含量，然后用回归法对测得浊度值进行标定。

室内标定，是在实测水域采集水样，水样经过放置，待悬沙沉淀后取上层清水放入标定槽中，再将OBS浊度计固定于水槽内，然后分多次加入沉淀后的泥沙，使槽中悬沙浓度由小变大，整个过程不停搅动。从清水开始，观测OBS测得的浊度值，每次加入泥沙，待OBS读数相对稳定后记录10个浊度值进行算数平均，同步取探头附近水样1 L，过滤称重得到实际泥沙含量。这样最终可以得到多组不同泥沙含量和浊度对应值，再用回归法进行相关处理，得到泥沙标定值的目的。

由于涌潮期间涨落潮流速很大，导致现场比测难度增加，故采用室内比测的方法得到浊度和悬浮泥沙含量的关系曲线。

2.2 泥沙粒径对室内标定的影响

实测时分别采集苍南海域和钱塘江澉浦站的泥沙样品进行室内标定，将标定结果进行比对，如图1所示。

由图可见，不同粒径的泥沙对红外光的散射强度明显不同。苍南海域悬浮泥沙中值粒径为2.3 μm，而钱塘江流域，由于涨落潮流速很大，粗粒径泥沙受潮流的作用容易掀起，现场采样分析其中值粒径为23.2 μm，因此其散射强度变小。由此可见，粒径小的悬浮泥沙对红外光的散射强度大，而粒径大的悬浮泥沙散射强度要小。因此我们每次标定都必须用现场同步采集的泥沙。

图1 泥沙粒径对散射强度的影响

2.3 标定曲线分析

研究表明，悬浮颗粒物浓度与OBS输出值 (Voltage或NTU)之间存在3个转换区：线性区、OBS饱和区、颗粒屏蔽区，见图2[8]所示。图3为笔者在钱塘江盐官段得到的泥沙室内标定曲线，其中线性区悬沙浓度范围为0～0.5 kg/m3；当达到40 kg/m3时，OBS输出达到饱和，输出值也达到最大值；悬沙浓度高于40 kg/m3时，开始出现颗粒屏蔽效应，由于散射光部分被悬浮泥沙吸收，呈现出浊度值反而下降的现象。

在本次室内标定试验中，OBS输出值的变化趋势与前人的研究结果（图2）相吻合，但标定曲线拐点以及三个转换区的范围明显不同，这是由泥沙粒径的差异造成的。

图2 悬浮颗粒物浓度与OBS输出值的关系

图3 实测区域含沙量与OBS输出值的关系

2.4 标定曲线分段拟合

由图3可以看出，随着悬沙浓度的增大，标定曲线由线性变成非线性，因此，在实测水域，当实际悬浮泥沙含量较大，超出线性范围时，需要采用分段标定，以得到更准确的结果。由于本次涌潮观测盐官站的最大含沙量在20 kg/m3以下，故将标定曲线分为三段，分别进行拟合，如图4～图6所示，其中含沙量范围为0～0.5 kg/m3，曲线为线性y=1.637x-6.572 3；含沙量范围为 0.5～3 kg/m3，曲线为 y=0.001 8x2.1971；含沙量范围为 3～20 kg/m3，曲线为y=1 058.9e0.0015x，相关系数均在0.9以上。

图4 含沙量在0～0.5 kg/m3范围内标定曲线

3 现场测量与分析

涌潮现场观测工作始于2010年10月9日18:00至10月17日10:00期间，在钱塘江实施，共设置5个水文站位，连续观测8 d。我们在盐官站用OBS进行表层浊度、温度和盐度测量。

3.1 潮位观测

涨潮期间0.5 h观测1次水位，涌潮到达后30 min内每隔1 min记录1次潮位，30～60 min内每隔5 min记录1次潮位。落潮期间每小时正点观测1次水位，高、低平潮附近加密。

图5 含沙量在0.5～3 kg/m3范围内标定曲线

图6 含沙量在3～20 kg/m3范围内标定曲线

3.2 浊度观测

本次浊度测量采用了美国D&A公司生产的OBS-3A型浊度计仪器，OBS入水深度1 m，采样间隔1 min，同时用ADCP流速仪进行流速、流向同步测量。测量完毕后，根据室内标定曲线将现场采集到的浊度值转化为含沙量。涌潮观测流速、流向、潮位及含沙量过程曲线如图7～图9所示。

3.3 结果分析

涌潮（潮头）高度是衡量涌潮强弱的指标，从实测数据看，盐官站最高潮位5.62 m，最低潮位0.51 m。由图可知，含沙量在涌潮前相对较低，且变化平缓，含沙量在涌潮抵达前为最低，而涌潮抵达后，流速迅速增加，由于水流紊动强度大，泥沙快速上扬，含沙量也随之迅速增大，最多可增至10倍以上。其中大、中潮含沙量过程线与流速过程线并不存在滞后现象，即含沙量变化与流速变化基本同步，当流速最大时，含沙量达到峰值。但小潮中二者并不同步，当含沙量达到最大时，流速并未立刻达到最大，而是经过一段时间才达到最大。大、中、小潮涨潮含沙量均大于落潮含沙量，但中潮落潮过程中含沙量有一明显的峰值，中潮汛落潮含沙量明显增大。另外，含沙量脉动现象涨潮均大于落潮，这正反映出涌潮的特性：涌潮涨潮流历时短、数值大、变化急剧；而落潮流历时长、数值小、变化较缓。

图7 大潮流速、流向、潮位及含沙量变化过程线（2010-10-10）

图8 中潮流速、流向、潮位及含沙量变化过程线（2010-10-13）

4 结论

通过我们本次在钱塘江涌潮连续观测，实验表明，使用OBS-3A进行悬沙浓度测量是可行的，有效的。由于OBS对水体测量环境的变化比较敏感，故影响其输出值的因素也很多，包括盐度、泥沙粒径、泥沙颜色和泥沙含量等。其中泥砂粒径通常是最主要的因素，因此，我们在室内标定过程中要用待测水域采集的水样和泥沙，并采用将标定曲线进行分段拟合的方法，以减少标定误差，最终得到更加准确的结果。本次室内标定工作，经过科学分析将曲线分为三段，分别进行拟合得到了相应的曲线方程，相关系数均达到0.99以上，相关性很好，这对该方面深入研究提供了有益的参考。

通过涌潮观测过程，将OBS在盐官站采集到的浊度数据经标定曲线转化为泥沙含量，并对涌潮期间盐官站含沙量的变化进行分析。实测结果表明，从流速、流向、潮位及含沙量变化过程线能很好地反映出涌潮特点，对钱塘江涌潮期间泥沙沉降规律的研究提供了有益的帮助和启发。实测表明OBS-3A浊度计完全适用于钱塘江涌潮连续观测，但由于泥沙运动的复杂性，我们会在以后的工作中反复进行试验和实测，深入了解待测水域的泥沙特性及其对OBS测量结果的影响，为OBS在强潮河口的应用积累更多资料，为今后丰富钱塘江涌潮观测中含沙量测量资料和悬浮泥沙的输运动态研究打下良好的基础。

图9 小潮流速、流向、潮位及含沙量变化过程线（2010-10-15）

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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

张坚樑（1966-），男，高级工程师，浙江省河海测绘院副院长，长期从事河海水下工程设计，测绘勘察等技术开发及研究工作。