甬江含沙量在线监测研究

凌 佳，曹公平，郑 汲，周 斌

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.宁波市河道管理中心，浙江 宁波 315020）

1 问题的提出

甬江干流指姚江、奉化江汇合于宁波市区三江口后至镇海游山外出口段，全长25.6 km，流域面积361 km2，为宁波市主要航道及姚江、奉化江主要出海通道，属典型的感潮河流。甬江悬沙浓度变化是径流、潮流等因素相互作用的结果，泥沙来源由陆域来沙和海域来沙组成，河道水动力不仅受上游径流影响，还受外海潮汐作用，影响水沙运动的因素多，河床冲淤演变情况复杂。河流含沙量的大小及变化直接影响悬沙的聚集与输运，影响河道淤积、工程设计与防护、污染物扩散和聚集等。而传统监测含沙量的方法是现场采样，然后对水样进行过滤、称重，这种方法耗时耗力，且仅能得到个别时段、离散的含沙量，掌握的资料极其有限。

近年来随着OBS浊度仪不断的发展、推广与应用，使得含沙量数据获取越来越便捷，且精度较高。研究表明，利用OBS技术来测量水体中的含沙量是一种行之有效而可靠方法[1-4]，为含沙量在线监测提供理论与实践依据。本文从Campbell OBS - 3+浊度仪工作原理出发，分别对站址选择与仪器安装，数据获取与标定，精度影响因素等几个方面进行研究，论证甬江含沙量在线监测可行，结果可信，尤其适用于其他河口、海湾地区。

2 在线监测方法

2.1 浊度仪工作原理

OBS浊度仪工作原理是通过传感器发射近红外光，监测经过悬浮颗粒物反射回来的部分近红外光来测量沉积物浓度和浊度。从概念上，浊度是基于光学特性浊度单位（NTU）的一种数值表达，水由于光散射和悬浮物吸收的结果出现朦胧或阴云状。操作上，NTU值是从邻近的Formazin，StablCal试液和SDVB的校准标准液光散射测量值的内插值。浊度是由悬浮和溶解物质，如泥沙、浮游生物、细菌、病毒、有机和无机染料造成的。在一般情况下，随着水中悬浮物的浓度增加，其浊度也增大，作为光吸收物质的溶解物浓度的增加，浊度将减少。OBS -3+浊度仪利用光学后向散射原理，使用创新的OBS技术监测悬浮沉积物和浊度，量程达4 000 NTU（见表1）。如果近红外光发射范围内有障碍物的话，会造成读数误差过大。为避免此类问题，OBS - 3+的光学器件在传感器顶端侧面，有效避免传感器上下部位的障碍物影响。凭借其独特的光学设计，OBS - 3+传感器比大多数传感器尺寸更小，功耗更低，具有高线性响应，测量精确，坚固耐用，对气泡和有机物质不敏感，环境光抑制和低温度系数等优点。

表1 Campbell OBS - 3+浊度仪主要技术参数表

2.2 在线监测方法

由于OBS - 3+浊度仪测得的是一个浊度值，需要经过室内标定或现场泥沙标定后获取对应的含沙量，为提高标定的准确率，本文采用室内标定法[4]，并用回归法确定浊沙关系。OBS - 3+浊度仪有2种工作模式，分别为实时测量（Surveg）和自容记录（Log）工作模式。为了实现在线监测，需采用OBS - 3+进行实时测量，通过装载在线监测系统建立站点浊度数据库，最终根据浊沙关系式由系统自动计算得出实时含沙量数据。

3 甬江含沙量监测中的应用

3.1 选址设站

含沙量实时监测站点的选择十分重要。因甬江航运发达，通航环境复杂，为不影响船舶通航安全，保障仪器设备安全，确保监测数据的连续性、有效性。经实地查勘，澄浪堰水文站控制奉化江入甬江径流量，为奉化江流域控制站，断面以上集雨面积1 965 km2，测站设立于1978年，为国家基本水文站，澄浪堰站位于奉化江出口上游2 370 m处；2014年澄浪堰水文站水位台重建，由奉化江左岸迁移至右岸。红联站为甬江入海径流站，位于甬江口上游约5 140 m处，其下游4 000 m处有支流小浃江汇入；2013年已建成并投入使用流量自动监测站，位于甬江右岸。综上所述，澄浪堰、红联站水文站（见图1）是有效控制甬江干流水沙运动的关键位置，据站址潮位及水深实测资料，站址前沿具备水深条件，为甬江OBS监测设站最佳站址。

图1 澄浪堰（左）、红联站（右）水文站江道剖面图

为保障站点OBS监测数据的完整性和代表性，OBS -3+传感器在安装时按垂线分5层分布，以确保半潮位4个传感器在水面以下，低平潮至少3个传感器处于水面以下。任务实施时，澄浪堰监测站利用站址固定装置以高程0.91，-0.59，-1.59，-2.59，-4.09 m（1985国家高程基准，下同）采用垂线固定点位模式进行设站，红联站监测站利用站址浮动装置以水面以下高程0.70，1.50，2.50，4.00，5.50 m采用垂线固定水深模式进行设站。

3.2 数据获取与标定

为了获取含沙量在线监测数据，OBS - 3+实时测量数据通过DataStar数据采集器（自带SD卡和显示器，外接蓄电池+太阳能直流电）收集，由DTU GPRS终端通过4G网络将实时数据上传至云平台，并建立数据库，用户可根据需求输出站点的实时浊度数据，亦可根据浊沙关系式通过系统自动计算得出实时的含沙量数据。

根据监测的浊度值获取对应的含沙量，现场采集同等水深同步水样样品经室内标定后得到含沙量数据，再结合OBS在线监测浊度数据，建立浊沙关系。以澄浪堰监测站3#探头（1985国家高程-1.59 m）为例，浊沙关系式为：

y=（1.107 3x）1.2892×0.000 3

式中：x为OBS - 3+浊度值；y为对应的含沙量（kg/m3）。

为了进一步呈现澄浪堰3#探头含沙量数据的有效性，选用站点同岸并距离下游150 m处全潮水文测验断面9#点位0.6H层、垂线平均含沙量的同步观测数据进行比较（见图3）。从图3可以直观地看出，澄浪堰站3#探头含沙量数据与9#点位同步观测数据虽存在差值，但同步观测数据的曲线波动规律较接近，能够反映甬江特征站位的泥沙变化情况。

图3 澄浪堰含沙量变化过程曲线图

3.3 精度影响因素

影响浊度监测精度的主要因素包括：泥沙粒径大小、含沙量与颜色、水色、气泡、生物和化学污垢。据实测资料显示，甬江干流年度内悬沙多呈现黄灰色，粒径基本相似，中值粒径互差不大，季节性平均中值粒径变化为0.007 6 ～0.009 4 mm；大潮悬沙中值粒径略粗于小潮，大潮断面平均中值粒径为0.006 9 ～ 0.014 7 mm；垂线在同一潮期的不同潮流特征时段，悬沙粒径级配基本相似，如曲线线型较为相似，相互聚集。各站址实测最大含沙量均小于5 kg/m3，含沙量的垂向分布相当一致，均以表层低、底层高为特征。相关研究表明，水色、气泡对OBS测量的影响很小，不会产生实质性影响[3-4]。总体上甬江干流的泥沙指标、特性变化不大，含沙量平均相对误差较小，基本满足OBS测量精度的控制要求。但在大风或风暴潮天气条件下，悬沙粒径变化较大，其相对误差还有待于进一步测量及研究分析。

4 结 语

利用Campbell OBS - 3+浊度仪测量能快速、实时采集含沙量数据，是一种行之有效的方法，尤其适用于甬江干流地区。这些资料都是水文水资源信息的重要组成部分，可用于水文数据中心、水情信息及水资源、水环境信息服务，可为工程建设、泥沙淤积治理等提供重要参考依据，值得推广应用。