长江枝城水文站TES-91泥沙在线监测系统比测试验分析

胡友荠　樊铭哲　杨成　包小鹏　朱爱

摘要：为了论证在线光学测试仪器在长江上荆江河段的适用性，进行了TES-91泥沙在线监测系统的比测试验分析。介绍了长江枝城水文站TES-91泥沙在线监测系统的系统组成、工作原理，并对其设备稳定性、仪器示值与实测断面平均含沙量分别进行比测率定试验。结果表明：仪器性能稳定，在线监测泥沙与实测断面平均含沙量具有良好的相关关系。将TES-91测得的含沙量与实测断面平均含沙量建立模型，计算得到的断面含沙量精度较高，适用于枝城水文站泥沙在线监测和报汛。

关键词：泥沙监测;含沙量率定;误差分析;TES-91泥沙在线监测系统;枝城水文站

中图法分类号：TV149 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2O20.07.005

河流悬移质泥沙含量（即含沙量）是重要的水文参数之一，河流含沙量监测对于水利水电工程建设水资源开发利用水土流失治理、工农业取水用水和水文预报等意义重大。目前，水文测量河流含沙量的主要方法是人工取样，采用烘千和称重计算含沙量，从样品的采集到分析，不仅需要投入大量人力、物力和时间，且测量周期长，操作过程繁琐，劳动强度大，难以实时监测河流含沙量的变化。因此，泥沙测验成为了制约水文全要素在线监测的瓶颈。

长江枝城水文站开展了浊度仪比测试验，并成功投产用于泥沙快速监测报汛，初步探索了光学法在泥沙测验中的应用。近年来，国内外开展了红外光在线测沙研究，李勇涛等在研究不同泥沙特征对散射光强度的影响时发现，泥沙颗粒的散射光强度不仅受泥沙含量影响，还随着泥沙粒径和泥沙亮度的变化而变化”，并且在基于940nm普通红外光源的反射式泥沙测量传感器测沙研究中发现，当水流含沙量低于207.39kg/m时，测量精度高于90%[2]。为了论证在线光学测沙仪器在上荆江河段的适用性，探索破除泥沙监测瓶颈之策，进一步提高水文测验的现代化水平，2019年4月，枝城水文站通过在枝城水文趸船尾部固定位置处安装TES-91泥沙在线监测系统，开展了仪器精度、稳定性、可靠性比测试验了，寻求建立监测结果与断面平均含沙量之间的相关关系。

TES-91泥沙在线监测系统

1.1系统组成

TES-91泥沙在线监测系统由红外光泥沙传感器、数据采集与传输系统（含RTU）、太阳能供电系统、数据遥测系统、现场显示屏及中心站软件组成，见图1。

1.2测量原理

TES-91泥沙在线监测系统主要通过红外吸收散射光纤法进行测沙4，应用ISO07027水质浊度测定方法，可以连续精确测定悬浮物浓度。按照ISO07027红外吸收散射光线技术，不受色度影响测定悬浮物浓度值，通过建立悬浮物浓度值与泥沙含沙量的相关关系，即可直接输出泥沙含沙量数据，实现实时在线监测，见图2。

1.3主要参数

TES-91泥沙在线监测系统主要技术参数见表1。

2测验河段概况

2.1测站基本情况

长江枝城水文站为国家基本水文站，也是长江荆江人口重要控制站。该站为荆江河段及洞庭湖防汛抗旱、水资源合理调配、河道整治提供水文资料。该测站设立于1925年，位于长江宜都市枝城河段，集水面积102.41万km'，监测项目包括降水量、水位、流量、悬沙、悬移质颗分、沙质推移质、卵石推移质、床沙等。

2.2河流特性

枝城站测验河段在两弯道之间的顺直过渡段上，顺直段长度约3km，略显上窄下宽状，见图3。断面上游700m处有石矶，高水影响主泓摆动，河槽中高水位河宽1200～1400m，属于宽浅型河流。测流断面河床组成为沙质和礁岩，冲淤变化不大，河床较为稳定。枝城站径流量来自上游长江千流和清江。

2.3测站断面含沙量横向分布

搜集近5a来所有选点法含沙量测验资料，共计16次，分析近些年枝城水文测验断面的含沙量横向分布变化规律。通过计算垂线平均含沙量与多条垂线平均含沙量之和的比值，同时加入常数予以区分，绘制出含沙量橫向分布图，见图4。

由图4可见，含沙量在枝城測验断面上的横向分布接近均匀分布，并保持稳定，为TES-91泥沙在线监测系统在枝城水文站比测试验提供了良好条件。

3比测率定

3.1仪器安装

TES-91在线测沙传感器安装在枝城水文趸船尾部固定位置（3353041.936，548917.382，1954年北京坐标系），传感器入水深1.85m。应对仪器在线监测，定期检查，在采集数据出现异常或水中有缠绕物时，应及时排障。

3.2含沙量率定方法

（1）仪器稳定性率定分析。人工测验含沙量（在仪器旁采用横式采样器单独取样，利用烘干法所测取的含沙量）与TES-91在线测沙同步比测，将在线测沙仪器示值和人工测验含沙量样本建立模型。

（2）在线测沙仪器示值与断面平均含沙量率定分析，仪器示值同步与断面平均含沙量样本建立模型。

3.3比测率定资料选取

选取2019年7月10日至2019年8月26日人工测验含沙量样本50份，断面平均含沙量样本46份，见表2。

此次比测结果为：仪器示值最大0.518kg/m'，最小0.045kg/m';人工测验含沙量最大0.188kg/m'，最小0.019kg/m？;断面平均含沙量最大0.216kg/m'，最小0.016kg/m'。

3.4率定分析及误差分析结果

将在线测沙仪器示值与人工测验含沙量建立相关关系（见图5），回归方程式为y=0.3781x-0.002。分析结果显示两者相关性显著，相关系数0.98。对关系曲线进行检验，样本容量N=50，符号检验统计值u=0.14<1.15（显著性水平a=0.25），适线检验统计值U=0.86<1.64（显著性水平a=0.05），偏离数值检验值lt＼=0.97<1.67（显著性水平a=0.10），3项检验均为合格。随机不确定度为23.4%，系统误差为1.6%，满足SL195-2015《水文巡测规范》54.5.9中规定随机不确定度与系统误差分别不超过24.0%，2%的要求。从仪器示值与人工测验含沙量建立的模型可知，仪器性能稳定，未出现数据采集异常现象。

仪器示值与断面平均含沙量建立相关关系（见图6），回归方程式为y=0.4271x-0.0064。分析结果显示两者相关性显著，相关系数0.98。对关系曲线进行检验，样本容量N=46，符号检验统计值u=0.44<1.15（显著性水平a=0.25），适线检验统计值U=0.00<1.64（显著性水平a=0.05），偏离数值检验值ltl=1.10<1.67（显著性水平a=0.10），3项检验均为合格。随机不确定度为24.0%，系统误差为1.9%，满足SL195-2015《水文巡测规范》要求。通过建立的模型，在线断面平均含沙量可由仪器示值推算得到。

3.5仪器示值与实测含沙量整编成果分析

为了验证TES-91泥沙在线监测系统测沙代表性，通过率定的公式，由仪器示值计算在线断面含沙量，并进行整编，生成在线逐日平均含沙量和在线逐日平均输沙率成果，与实测含沙量整编成果进行对照分析，见图7。

由图7可知，在线逐日平均含沙量、输沙率与实测逐日平均含沙量、输沙率关系较好，吻合程度高。枝城站水文测验断面平均含沙量与枝城水文趸船处仪器示值满足以下关系：

y=0.4271x-0.0064  （1）

3.6仪器示值与实测含沙量洪水泥沙过程对比

2019年为平水年份，泥沙含量较小。为进一步分析泥沙在线监测系统泥沙传感器的稳定性，选取2019年最大含沙量（洪水）变化过程实测数据（7月30日08：29至8月17日08：20），进行仪器示值、在线断面平均含沙量和实测断面平均含沙量洪水泥沙过程对比分析，见图8。

通过对比分析，仪器示值与在线断面平均含沙量平沙、沙峰和沙谷变化趋势均吻合，两者之间相关性良好。在线断面平均含沙量与实测断面平均含沙量，两组数值十分接近。结果表明，在枝城测验河段，在线断面平均含沙量能准确代替实测断面平均含沙量进行实时监测和报汛。

4结论

（1）比测试验分析了TES-91在线测沙仪器示值与传统人工测验含沙量的相关性。两者显著相关，模型3项检验、误差分析均满足要求，表明TES-91在线测沙仪器用于枝城水文站测验点的性能稳定。

（2）2019年含沙量较小，比测TES-91在线测沙仪器示值不超过0.518kg/m'，实測断面平均含沙量不超过0.216kg/m'。在较低含沙量下建立的仪器示值与枝城水文测验断面平均含沙量模型相关性良好，通过了3项检验和误差分析，满足规范要求。在实测断面平均含沙量不超过0.216kg/m'情况下，可由TES-91在线测沙仪器示值按式（1）推求断面平均含沙量，实现泥沙在线监测。

（3）试验中含沙量比测范围有待于进一步扩大，应优化安装方式及位置，为实现泥沙实时在线监测工作奠定基础。

参考文献：

[1]李勇涛，陈英智，李立新，等.红外泥沙测量中的多种影响因素对比分析[J].水土保持应用技术，2017（5）：19-21.

[2]李勇涛，陈英智，李立新，等.基于940nm普通红外光源的，反射式泥沙测量传感器研究[J].水土保持应用技术，2015（6）：10-12.

[3]GB/T50159-2015河流悬移质泥沙测验规范[S].

[4]郑庆涛，曾淳灏，常博，等.基于红外光技术的悬移质泥沙在线监测系统及应用[J].人民珠江，2017，38（11）：94-98.

[5]SL195-2015水文巡测规范[S].

（编辑：李晓潆）