自动化走航式全断面积宽法悬移质输沙率测验关键技术的研究

韦广龙，黄福培，陈玉蕉，黎协锐

(1.南宁市水文水资源局南宁水文站，广西 南宁 530008;2.广州拓泰环境监测技术有限公司，广东 广州 510660；3.广西财经学院，广西 南宁 530003)

长期以来，泥沙监测站悬移质输沙率测验采用传统测验方式，即在测船上用横式采样器采集水样，每次输沙率测验需要6人，用时3～4 h[1]。运回室内后经烘干、称重、计算才能得到一份完整的输沙率结果。这种低效率的传统测验方法已不能适应信息时代的发展需要。为解决测沙难题，国内外对悬移质泥沙测验[2]进行各种研究，有同位素法测沙仪[3]、激光测沙仪[4]和OBS测沙仪[5]。前两种仪器因受多种因素影响，没能得到应用。OBS测沙仪根据浊度与悬移质泥沙的关系模型来实现悬移质泥沙测验自动化，并得以认可和应用。本文以悬移质输沙率测验自动化为研究课题，以新技术、新方法作应用要求，达到悬移质泥沙测验方式改革的目的，具有悬移质泥沙监测跨时代的现实意义。开展自动化走航式全断面积宽法悬移质输沙率测验的研究，采用新仪器、新技术、新方法一体化整合研究，悬移质输沙率测验由传统式转变为自动化式，移质输沙率测验自动化标志着监测能力和质量得到跨越提升[6]。本研究以南宁水文站(以下简称南宁站)为例通过实例论证，阐述自动化走航式全断面积宽法悬移质输沙率测验的原理和方法。

2016年，南宁站开展了自动化走航式全断面积宽法悬移质输沙率测验方式的应用研究，采用新仪器OBS501浊度传感器，加入原创测沙控制器组合成自动化走航式悬移质输沙率监测仪。新技术是走航式ADCP测速[7]和OBS501浊度仪测浊度的数据同步无线传递，通过原创走航式悬移质输沙率测验软件运行计算，实时得出自动化走航式悬移质输沙率测验结果。新方法是全断面积宽法，从水面至水深0.3 m扫射浊度，与走航式ADCP同步自左岸至右岸全断面往返2个测回，由电动缆道匀速前行测取流量和输沙率。

进行自动化走航式全断面积宽法悬移质输沙率测验与传统的人工悬移质输沙率测验比测，一是通过对浊度传感器悬移质断面平均含沙量(简称断沙)的比测，建立新的断沙关系模型[8]；二是对浊度传感器悬移质单样含沙量(简称单沙)的比测，建立新的单沙与断沙关系模型[9]。通过确定这2个模型实现人工测验到自动监测转化，达到悬移质输沙率测验自动化的目的，实现悬移质输沙测验技术新突破。

1 概况

1.1 河段情况

南宁站位于郁江上游，是左、右江控制站，集水面积72 656 km2。河段上游分别建设有左江水利枢纽、山秀水利枢纽、右江百色水利枢纽、金鸡滩水利枢纽。左、右江汇合处建有老口水利枢纽。南宁站河段顺直、河床稳定，由于水库拦截，大量泥沙沉降于库区中，平水期断面悬移质含沙量较少。洪水期间，含沙量相对较大，时有出现团状，但总体含沙量在断面分布较均匀。

1.2 测验情况

南宁站从1973年1月起开展悬移质泥沙测验工作，随着经济建设不断发展，受上游水工程蓄水影响，含沙量逐渐较少，河段断面各垂线含沙量基本均匀。多年平均含沙量为0.228 kg/m3(1983—2014年，下同)，多年平均最大含沙量为1.59 kg/m3，含沙量变化过程基本与洪水变化过程相对应。南宁站历年悬移质输沙率测验常测法如下：1973—2007年，为横式10/20选点法，相应单沙为固定一线两点混合；2008—2010年，为横式10/20全断面混合法，相应单沙为固定一线两点混合；2011—2014年，为横式5/10全断面混合法，相应单沙为固定一线两点混合，其中固定一线为测流断面起点距100 m的垂线，两点为垂线相对水深0.2、0.8 m；2015年至今，为横式5/10全断面混合法，相应单沙为固定一线测流断面起点距60 m垂线0.5 m水深起止浊度的平均值，建立起点距60 m相应浊度Rs和断面平均含沙量Cz关系线，取代原单沙断沙关系线。

2 仪器原理及功能

自动化走航式全断面积宽法悬移质输沙率测验的仪器设备有OBS501浊度传感器和在线泥沙监测系统。

2.1 OBS501浊度传感器

光束通过浑浊的液体时，光线经过一段距离后光强度会有一定程度的减弱。减弱的主要原因是光线被浑浊液体内的介质吸收、反射、散射偏离原来方向[10]。测量散射回来的光强度，可计算出液体浊度。天然水体中泥沙含量是影响水浊度最重要因素，在很多情况，泥沙含量是决定浊度的唯一因素。系统采用后散射探头和侧散射探头来测量浊度，从而测得悬移质含沙量[11]。要具备宽带模式与脉冲相干法2种以上工作模式，工作时可自动调整采样频率和测流模式，可自动连续跟踪流速和水深，具有较强的深水、浅水测量适应性。

2.2 在线泥沙监测系统

在线泥沙监测系统由四大部分构成：监测中心(数据中心)、通信网络、数据采集控制传输系统(RTU)、监测仪器。其中，监测仪器采用OBS501入水式浊度传感器，采用无线传输数据，经泥沙监测系统将浊度转换为含沙量，利用现场监测、数据采集控制设备的数据远传通讯功能和泥沙监测软件功能实现数据的远程采集和监测，进而实现河流悬移质泥沙在线、自动、实时监测[12]。该系统可接入在线流量数据，实现输沙率的实时输出、在线测量。在统计分析方面，可生成符合水文资料整编规范多种报表，同时接驳南方片整编软件，实现批量自动处理数据整编。

3 比测

3.1 比测要求

南宁站自动化走航式全断面悬移质输沙率比测工作，根据GB/T 50159—2015《河流悬移质泥沙测验规范》技术要求[13]，与人工测验悬移质输沙率的断沙、单沙进行比测，在一年内的高、中、低沙的水流过程布设30次以上的测次。

3.2 比测方法

自动化走航式全断面悬移质输沙率同步比测方式：①在缆道测流断面，首先将安装好的OBS501入水式浊度传感器(入水深0.3 m)及无线传输接收系统、走航式ADCP安装在无动力三体船，与手提电脑运行测沙系统进行测前调试，各项信息传输接收正常[14]，然后利用缆道牵引三体船运行2个测回(每一测回为往、返测次)，取其平均值为断面平均浊度Rv，与测输沙率软件预先设置的参考系数0.001×Rv得自动断面平均含沙量Cv(参考系数0.001是根据2015年已有的浊度与单沙关系系数来设置)；②同步开展机动测船进行的人工悬移质输沙率和单沙测验，得到人工断面平均含沙量Cz和人工相应单沙Cs，其中人工相应单沙Cs是在起点距100 m分别取开始和结束时的单沙，取其平均值；③同步开展走航式ADCP流量监测，测得断面流量Qz用于人工悬移质输沙率Wz和自动悬移质输沙率Wv的计算[15]；④同步在距缆道测流断面40 m原流速仪测流断面处，将另一台OBS501入水式浊度传感器安装在固定起点距60 m垂线处(入水深0.5 m)，取其开始和结束时对应浊度平均值为输沙率测验的自动相应浊度值Rr，以输沙率测验时开始和结束时的浊度值Rt与开始和结束时的人工单沙Cs建立关系模型，关系系数为0.001，以0.001×Rt得自动单沙Ct, 以0.001×Rr得自动相应单沙Cr。

3.3 比测资料

南宁站从2016年5月31日至8月30日共比测31次(表1)，比测期间，断沙变幅0.012～0.303 kg/m3，单沙变幅0.013～0.302 kg/m3，水位变幅61.72～70.22 m，输沙率变幅7.50～1 430 kg/s，流量变幅593～5 980 m3/s,比测符合规范的技术要求。

4 关键技术

4.1 建立自动断沙与人工断沙关系模型

通过自动化走航式全断面积宽法悬移质输沙率与人工全断面混合法悬移质输沙率比测资料，建立南宁站自动断沙与人工断沙模型关系式：

Cz=Kv·Cv

(1)

式中Cz——人工断沙，kg/m3；Cv——自动断沙，kg/m3；Kv——相关系数。

依据31次比测资料，计算得南宁站自动断沙Cv与人工断沙Cz关系线相关系数Kv为1.079 5，建立南宁站自动断沙Cv与人工断沙Cz关系式：Cz=1.0795Cv，见图1。

4.2 建立相应浊度与自动断沙关系模型

由比测资料建立南宁站60 m相应浊度Rr与自动断沙Cv模型关系式：

Cv=Kr·Rr

(2)

式中Cv——自动断沙，kg/m3；Rr——相应浊度，NTU；Kr——相关系数。

依据31次比测资料，计算得南宁站相应浊度Rr与自动断沙Cv关系线相关系数Kr为0.001 0，建立南宁站60 m相应浊度Rr与自动断沙Cv关系式：Cv= 0.0010Rr，见图2。

表1 南宁站自动化走航式全断面积宽法悬移质输沙率比测

图1 南宁站Cv～Cz关系

图2 南宁站Rr～Cv关系

4.3 建立浊度与人工单沙关系模型

由比测资料建立南宁站60 m浊度Rs与人工单沙Cs关系模型式。

Cs=Ks·Rs

(3)

式中Cs——人工单沙，kg/m3；Rs——60 m浊度,NTU；Ks——相关系数。

根据31次比测资料，计算得南宁站60 m浊度Rs与人工单沙Cs关系线相关系数Ks为0.001 0，建立南宁站60 m浊度Rs与人工单沙Cs关系式：Cs= 0.0010Rs，见图3。

图3 南宁站Rs～Cs关系

5 误差分析

5.1 精度统计

根据2016年南宁站自动化走航式全断面悬移质断沙比测31次数据，建立南宁站自动断沙Cv与人工断沙Cz模型关系Cz= 1.0795Cv；建立南宁站相应浊度Rr与自动断沙Cv模型关系Cv= 0.0010Rr；建立南宁站60 m浊度Rs与人工单沙Cs模型关系Cs= 0.0010Rs，这3个关系模型精度高、关系较好(表2、3)。

表2 南宁站自动断沙Cv与人工断沙Cz关系线误差

表3 南宁站60 m浊度单沙与人工单沙关系线检验计算

5.2 误差评估

5.2.1单沙误差

南宁站采用OBS501浊度仪监测的含沙量是悬移质泥沙，泥沙粒径很小，在同一环境(污染水体除外)、同一水深、同一时间监测的含沙量与人工测验的含沙量误差较小，因为OBS501浊度仪监测的浊度与人工测验的含沙量关系相对稳定，要求在1 kg/m3以下范围监测。从表3可知，南宁站60 m浊度单沙与人工单沙关系线随机不确定度17%≤±18%(规范要求)，标准差8.5%≤±9.0%，系统误差0.4%≤1.0%，平均相对误差7.2%≤±9.0%，最大误差15.38%，比测结果精度达到规范要求。

5.2.2断沙误差

南宁站采用OBS501浊度仪和走航式ADCP同步进行监测的含沙量、流量，为走航式全断面积宽法悬移质输沙率测OBS501浊度仪从水面至水深0.3 m扫射浊度，自左岸至右岸全断面往返2个测回，由电动缆道匀速前行测取含沙量、流量，断面平均含沙量为走航式全断面积宽法(2个测回平均值)，与采用测船人工测验断面平均含沙量比测，断面平均含沙量为全断面混合法。断面含沙量要求在1 kg/m3以下范围监测。从表4可知，南宁站60 m相应浊度单沙与人工断沙关系线随机不确定度13%≤±18%(规范要求)，标准差6.5%±9.0%，系统误差-1.4%≤-2.0%，平均相对误差5.7%≤±9.0%，最大误差-11.76%，比测成果精度达到规范要求。

表4 南宁站60 m相应浊度单沙与人工断沙关系线检验计算

5.2.3误差分析

从图4、5和表4、5可知，南宁站60 m浊度单沙和人工单沙关系线呈单一线，相关系数R2为0.991 2，平均相对误差7.2%，标准差8.5%(方差参数)；南宁站60 m相应浊度单沙和人工断沙关系线呈单一线，相关系数R2为0.994 7，平均相对误差5.7%，标准差6.5%(方差参数)。由此可见，南宁站60 m浊度单沙与人工单沙关系模型、南宁站60 m相应浊度单沙与人工断沙关系模型的单沙、断沙监测精度符合规范要求(表5)。

表5 南宁站自动化走航式全断面悬移质单断沙比测精度统计

图4 南宁站Rr与Cz关系

图5 南宁站Rr与Cv关系

5.3 对比分析

南宁站60 m相应浊度Rr与人工断沙Cz关系模型Cz= 0.00105Rr，南宁站60 m相应浊度Rr与自动断沙Cv关系模型Cv= 0.0010Rr(图4、5)。

由表6可知，南宁站60 m相应浊度Rr与自动、人工断沙Cz关系模型基本相似，相关性较好。

表6 南宁站60 m相应浊度Rr与自动Cv、人工断沙Cz关系模型误差对比

6 结论

南宁站自动化走航式全断面悬移质输沙率比测结果达到GB/T 50159—2015《河流悬移质泥沙测验规范》的技术要求，合格率100%。关键技术：南宁站自动断沙Cv与人工断沙Cz模型关系Cz= 1.0795Cv；南宁站相应浊度Rr与自动断沙Cv模型关系Cv=0.0010Rr；南宁站起点距60 m浊度Rs与人工单沙Cs模型关系Cs= 0.0010Rs。该成果可直接用于自动化走航式全断面悬移质输沙率测验工作中，并可作为常规测验方式。自动化走航式全断面悬移质输沙率比测试验取得了成功，标志着南宁站在悬移质输沙率测验的研究工作取得了新突破，改变传统测法要经过取水样、处理、烘干、称重4个环节工序，解决了南宁站悬移质输沙率测验难、用人多、效率低的问题。