OBS-3A浊度仪在阜新地区多沙河流含沙量测验的应用分析

王丹丹

(辽宁省盘锦水文局，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

传统含沙量测验为进行水样采集后，进行室内烘干称重得到含沙值，在于当时的水量进行相除得到断面平均含沙量[1]。这种方式需要人工通过布设断面测沙垂线进行采样后进行测定，很难实现含沙量的自动测定[2]。近些年来，OBS-3A浊度仪逐步在一些河流中得到应用[3-7]，长江委水文局作为全国第一批使用OBS-3A浊度仪进行含沙量测验，在具有应用过程中取得了许多宝贵经验[8]。通过对比观测，建立OBS-3A浊度仪观测的浊度值和含沙量的线性方程，将浊度值转换成对应的断面含沙量，从而实现断面含沙量的自动观测[9]。如何确定该线性方程，以及河流含沙量范围内OBS-3A浊度仪适用性较高一直是水文测验工作者分析的重点和难点，在我国其他区域河流含沙量测验中均进行过同步观测试验[10-15]，在不同区域对比观测试验结果表明，在不同河流OBS-3A浊度仪的相关方程没有通用性，需要结合河流含沙量实际变化特点，建立河流水流浊度和含水量线性方程，并探讨其含沙量的适用范围。阜新地区属于辽宁省河流含沙量较多的区域，为此各河流含沙量测验任务较重，在当前水文现代化建设背景下，需要结合先进的含沙量观测仪器实现区域含沙量的自动观测，从而减少含沙量观测的劳动强度，提高含沙量测验效率。

1 测站概况

文章以阜新地区的彰武水文站为研究实例，彰武水文站为阜新地区多少河流柳河的重要控制水文站，彰武水文站水面宽度约为400m，河段断面冲淤变化较大，柳河素有“小黄河”的称号，年平均含沙量为18.2kg/m3，含沙量高值主要集中在6-9月份，平均含沙量介于11.9-16.4kg/m3之间，含沙量最低值一般为2月份，平均含沙量<0.15kg/m3。

2 比测及精度评价方法

2.1 比测方法

OBS-3A浊度仪基于光学测定原理，通过红外辐射光的接收对悬浮物质进行监测。建立泥沙浓度和水体浊度的相关关系，对含沙量进行推求。在进行对比观测时，将横式采样器和OBS-3A浊度仪在水文缆道在同一水平线上进行安装，采样U型比测架进行平衡和固定。OBS-3A浊度仪对横式采样器进行同步取样和数据采集。采样仪器在水中停留3min后对数据采集的时间进行记录。连续测量20次作为采样点浊度的平均值，横式采样器在开启数据采集的同时进行水样的采集，各采样点依次位于垂线各测点，在每个垂线监测点至少保持80s的观测时间，保证数据采集的时效性和准确性。从2016年7月至8月下旬，进行对比观测试验60次，试验观测含沙量在0.03-0.15kg/m3之间，对整个年份义县水文站断面含沙量进行基本涵盖。比测试验代表性较高，分布较为均匀。

2.2 精度评价指标

对比观测主要是分析采用OBS-3A浊度仪推算的含沙量和同一观测断面实测含沙量之间精度，主要采用系统误差、随机不确定度以及标准差3个指标作为比测试验的精度评价指标，各指标计算方程分别为：

1)系统误差

△N=∑[(Csi-Csci)/Csi]/(n-2)

(1)

2)标准差

(2)

3)随机不确定度

(3)

(4)

3 比测定线结果

3.1 测验断面布置

在彰武水文站测验断面上、中、下各布设3个观测断面，各观测断面起点距见表1，并在各观测断面同一位置布设6条测沙垂线，对比观测断面起点距范围，见表1；测沙垂线分布情况，见表2。

表1 对比观测断面起点距范围

表2 测沙垂线分布情况

3.2 OBS浊度值与含沙量相关方程的建立

将横式采样器河OBS-3A浊度仪进行捆绑后，同步观测采集水样的浊度值，建立布设的6条测沙垂线的含沙量和浊度值之间的线性回归方程，各测沙垂线含沙量与浊度值之间的线性回归方程，见表3。

表3 各测沙垂线含沙量与浊度值之间的线性回归方程

在各测沙垂线位置进行同步观测，在彰武水文站缆道上同时挂OBS-3A浊度仪和传统含沙量采样器，进行同步观测和采样，记录OBS-3A浊度仪观测的同一位置的水流浊度值，后期试验称重测定的含沙量进行相关方程的建立，从各测沙垂线相关方程可看出，测定的浊度值和含沙量总体呈现线性变化关系，通过对比观测时间，这一阶段彰武水文站测验断面平均含沙量在11.5-15.0kg/m3之间，相关系数总体可保持在0.5以上，表明在彰武水文站测验断面具体应用时，当断面含沙量<15.0kg/m3，河流水流浊度和含水量具有较好的线性关系。

3.3 比测精度分析结果

基于上述线性关系可推算断面含沙量，结合实测含沙量进行精度对比分析，检验推算的含沙量是否满足测验精度要求。对6条测沙垂线的的含沙量推求精度进行评定，彰武水文站各测沙垂线的含沙量比测精度分析结果，见表4。

表4 彰武水文站各测沙垂线的含沙量比测精度分析结果

从精度评定结果可看出，彰武水文站各测沙垂线精度评定指标总体可达到合格要求，从符号检验科看出，6条测沙垂线均可达到合格水平，符号检验中要求高于0.2即表明测沙垂线未有明显的偏离程度。从适线检验可看出，在6条测沙垂线有3条垂线达到免检水平，其他均为合格水平，表明采用的各测沙垂线的浊度和含沙量的相关方程满足含沙量测验的适线检验要求。随机不确定度主要是评定各条测沙垂线是否有系统偏差，从随机不确定度评定结果可看出，各测沙垂线的随机不确定度局<2.0，基本可达到90%的检验水平，随机不确定度均达到合格要求。随机不确定度和系统误差均有一定程度的相似性，从系统误差可看出，各测沙垂线采用OBS-3A浊度仪转换的含沙量值和同步观测的含沙量系统误差在±10%以内，满足河流泥沙测验的规范要求，此外标准差也在10%以内，表明同步观测测定的含沙量数据样本系列具有较好的代表性。

4 比测结论

1)通过对含沙量测验次数进行合理布设，OBS-3A浊度仪可以监测断面的沙峰变化，对实现含沙量自动测定具有重要的意义。

2)在使用OBS-3A浊度仪进行含沙量测验时，水流携沙能力影响悬沙粒径的垂向分布，因此对于上下层水样泥沙颗粒具有分层效应的水文站点，可依据不同水深分层建立浊度与含沙量的线性方程。

3)在阜新地区，当含沙量低于20kg/m3时，水流浊度和含水量具有较好的线性关系，含沙量的测验精度总体可满足测验精度要求。