鞍山地区含沙量比测定线研究

郭 峰

(辽宁省鞍山水文局，辽宁 鞍山 114000)

1 概述

含沙量在线自动监测是当前水文现代化监测的主要方向[1]。近些年来，一些含沙量自动在线监测系统逐步在国内许多水文站点得到具体应用[2- 6]，但应用效果总体不佳，主要是因为其主要通过单沙关系来确定含沙量测定的参数，而大都数河流其断面单沙关系较差，使得其自动监测的精度较低。从2010年以来，一种用于测定水体中固体物质的浊度仪[7- 11]逐步在水文站点含沙量自动在线监测中得到应用，由于其可以通过比测定线的方式对河道断面单沙关系进行分析，拟合断面单沙关系后，利用该断面单沙关系推求断面含沙量，从而实现断面含沙量的自动监测。为实现鞍山地区河流断面含沙量的自动推求，本文结合比测定线方式，对鞍山地区河流断面单沙关系，通过断面单沙关系，率定当前在其他流域应用较为成熟的OBS- 3A浊度仪[12- 15]的参数，研究成果对于辽宁其他地区含沙量自动监测具有重要的参考价值。

2 比测定线精度评价方法

在比测定线分析时，首先需要对比测定线的精度进行评价，本文主要对其系统误差、标准差以及随机不确定度进行分析，各评价指标的计算方程分别为：

(1)系统误差

ΔN=∑[(Csi-Csci)/Csi]/(n-2)

(1)

(2)标准差

(2)

(3)随机不确定度

X′Cs=2se

(3)

XCs=X′Cs/2*1.15

(4)

式中，ΔN—定线系统误差；Csi—第i次计算含沙量，g/m3；Csci—第i次实测含沙量，g/m3；n—测点总数，个；Se—实测点标准差；X′Cs—置信水平为95%的随机不确定度；XCs—置信水平为75%的随机不确定度。

3 比测定线结果

3.1 测验断面布置

在试验断面上布设7条取沙垂线，取沙垂线的具体位置见表1—2。

表1 各断面起点距范围

3.2 OBS浊度值与含沙量关系的率定

将浮标上的OBS取下并与横式采样器捆绑在一起，在采集水样的同时记录OBS浊度值，以水样的室内分析成果作为标准值(或称真值)，将其

图1 各垂线组合下浮标水样含沙量与OBS浊度值率定关系图

表2 断面取沙垂线位置表

与OBS浊度值建立一一对应的相关关系，并删除标准化残差在(-2，2)区间之外的测点如图1所示。由此得出OBS浊度值与含沙量关系的率定公式，结果见表3。

从各垂线组合分析结果可看出，各浮标水样含沙量与OBS浊度值均具有一定的相关性，各垂线组合下其相关系数总体在0.63～0.72，表明各标水样含沙量与OBS浊度值具有一定的相关性，通过其拟合关系可以建立各浮标水样垂线组合下的含沙

表3 各垂线含沙量率定公式

量率定关系，结合该率定关系可以推算不同断面的含沙量，并建立其和OBS- 3A浊度仪之间的参数关系，通过该参数关系方程可以实现断面含沙量和OBS浊度值之间的转换关系，利用该转换关系可以结合OBS- 3A浊度仪测定的断面浊度值来推求断面的含沙量。

3.3 浮标垂线平均含沙量计算

根据以上推导出的各浮标率定公式，将OBS浊度值计算出测点含沙量，然后用连时序法在PDT模块中将ADCP声散射强度计算成垂线平均含沙量。在计算时，以2小时分段，如计算12∶00的成果，采用11∶00、11∶30、12∶00、12∶30、13∶00的同层单点含沙量数据进行计算。利用浮标垂线平均含沙量和实测断面平均含沙量计算出组合含沙量，在定线过程中，对标准化残差在(-2，2)区间之外的测点进行了删除。相关分析结果如图2所示。

从图中可以看出，利用前面导出的各浮标率定公式，将OBS浊度值计算出测点含沙量，并建立各垂线组合下含沙量与比测断面平均含沙量的相关图，从图中可以看出，各垂线组合下其应用OBS浊度值计算的含沙量和实际测定的断面平均含沙量的相关度较为集中，表明各比测断面的单断沙关系较好，这主要因为鞍山地区位于辽宁的南部地区，其河道水沙关系较好，区域水土流失量较低，使得其断面单沙关系较好，从另一个层面也可以看出，其河道OBS浊度值也较低，使得其对固体泥沙颗粒的反射较好，因此OBS- 3A浊度仪在鞍山地区河流自动测定具有一定的前景。

3.4 单断沙比测定线精度分析结果

在其断面含沙量和计算含沙量分析的基础上，结合各垂线组合下单断沙的测定结果，对其含沙量率定公式进行精度的比对，精度比对分析结果见表4。

参照SL 247—2012《水文资料整编规范》中关于悬移质泥沙关系曲线法定线精度指标规定，各垂线组合与断面含沙量关系曲线的系统误差均达到了一类精度水文站的要求，其中，1浮+2浮+3浮+4浮组合的系统误差最小，为0；95%随机不确定度在9.0%～21.1%的范围内，均达到了三类精

图2 各垂线组合含沙量与断面平均含沙量线性相关图

表4 各种垂线组合与实测断面含沙量关系曲线精度及曲线检验

图3 各垂线组合含沙量与实测断面含沙量过程线

度的水文站要求，其中，S1组合等11个垂线组合达到了一类精度的水文站要求。各组合的偏差在-26.6%～23.7%的范围内。各组合下的相关关系线均通过了偏离数值检验和线性相关关系检验，实测断面含沙量与组合含沙量的相关关系较为密切，相关系数R均在0.82以上，其中绝大部分相关系数R在0.90以上；除S2组合外，其余组合均通过了符号检验；组合通过了适线检验，其余各组合未通过适线检验，存在着系统误差。

3.5 比测期间含沙量变化过程

点绘比测期间各垂线组合含沙量与实测断面含沙量过程线，如图3所示。

在比测期间，对各垂线组合下的含沙量和实测断面含沙量的过程进行的比测分析，从比测分析结果可看出，计算的各垂线组合含沙量和实测断面含沙量在测定过程中吻合度较高，采用拟合系数对各垂线组合下的利用OBS浊度值计算的含沙量和实测断面含沙量的拟合系数均在0.6以上，过程吻合度较高，这主要和鞍山地区河流特性有关，鞍山地区河流断面单沙关系总体相关性较高，使得其OBS浊度值推算的含沙量值和断面实测含沙量的吻合度较高，因此可以通过率定的OBS浊度值与含沙量关系方程来推求断面的含沙量，实现含沙量的自动在线监测。

4 比测结论

(1)从比测定线分析结果可看出，只要布设的断面位置，垂线组合方式以及OBS- 3A浊度仪频率设置合理，可以得到较好精度的断面单沙关系，一般推荐距起点距范围在45～75m之间，布设4条取沙垂线组合，频率设置为5MHz。

(2)本文给出了不同垂线组合下OBS浊度值与含沙量关系的率定方程，可为其他地区河流采用OBS浊度值反推断面含沙量提高重要的参考价值，具有一定的应用前景。

(3)本文只针对高浊度下河流断面含沙量单沙关系进行分析，但对其他低浊度下河流单沙关系的适用性还未进行相关探讨，在以后研究中还需要囊括这类型河流进行分析。