TES-71缆道泥沙监测系统在略阳水文站的应用

赵 军，夏群超

（汉中水文水资源勘测中心,陕西 汉中 723000）

1 基本情况

1.1 测站概况

1.1.1 测验河段概况

嘉陵江流域属于北亚热带湿润气候区,夏无酷署,冬无严寒,是长江上游的支流,发源于陕西省凤县西北凉水泉沟,因流经凤县东北嘉陵谷而得名。干流全长1345 km,流域面积15.98 万km2。流域年平均气温13.2℃,雨量丰沛,植被较好,降水主要受季风影响,时空分布不均,全年降水多集中于7 月~9 月,平均占全年降水量的50%以上,受上游疏松土质及风化影响,水土的严重流失,成为流域内泥沙产生的主要来源,是长江流域主要支流中挟带泥沙最多的河流。

略阳水文站建站于1939 年8 月,是长江流域嘉陵江干流的主要控制站,国家重要水文站、大河控制站,现址位于陕西省汉中市略阳县城关镇,海拔高程639.028 m,集水面积19206 km2,控制河长205 km。主要测验项目有水位、流量、含沙量、降水、蒸发、泥颗等。略阳水文站测验河段主流随水位变化在测流断面起点距90 m～135 m之间摆动。在基上500m处有嘉陵江大桥,基下500 m处为高洪断面。测站断面为基本水尺断面兼浮标测流断面；上浮标断面兼上比降断面,下比降断面兼下浮标断面,流速仪测流断面位于基下5 m。略阳水文站上游42 km处的嘉陵江支流西汉水干流上建有葫芦头水电站,坝址位于西淮坝乡下游11 km处,于2001 年12 月30 日竣工投产发电,建成后对中低水有影响,测验河段河床由砂卵石和砂砾石组成,左右两岸为混凝土防洪堤护坡,稳定性较好。略阳水文以上水系位置图见图1。

图1 略阳站位置图

1.1.2 水文特征

略阳水文站自建站以来实测最高水位644.96 m（1981.8.22）；实测最大流量5190 m3/s（1990 年7 月6 日）；建站以来最大流量8630 m3/s（1981 年8 月22 日,施测方法为推求）;实测最大断面流速4.76 m3/s（1972 年 7 月9 日）,2.0 m3/s实测最大含沙量538 kg/m3（1972 年8 月 27 日）,最小0.001 kg/m3。

1.2 测验断面情况

略阳水文站测验河段顺直,上下断面长度200 m,设置基本水尺断面兼浮标测流断面；上浮标断面兼上比降断面,下比降断面兼下浮标断面,流速仪测流断面位于基下5 m,基本断面共设6 支水尺,P1、P2、P5、P6为直立式无缝钢管加搪瓷尺板水尺,P3、P4为斜坡水尺。断面测流采用江西赣州全自动缆道一套和手持式电波流速仪一台相结合的方式；泥沙采用器皿和瓶式采样器两种方法相结合；断面右岸观测楼前,场地长8 m,宽6 m,高程为639 m。场地内安装有一套徐州伟思公司FFZ-01 Z型数字式水面蒸发自动站一套,人工雨量计一台。

图2 略阳水文站泥沙监测传感器安装位置

1.3 泥沙测验方案

缆道泥沙监测装置,包括测沙软件、铅鱼、泥沙传感器、监测盒,铅鱼设于缆道上,泥沙传感器通过抱箍固定在监测盒上,监测盒通过铁笼固定在铅鱼上,监测盒盒体顶部设有航空插头,监测盒内设有数据处理模块、无线通信模块、蓄电池,泥沙传感器、航空插头的通信部、数据处理模块和无线通信模块按照信息传输线路依次连接,航空插头的充电部、蓄电池和数据处理模块按照供电线路依次连接。泥沙测验断面与流速仪测流断面重合,位于基本水尺断面100 m处,铅鱼重量150 kg。

1.3.1 单沙测验

采样位置在流速仪测流断面起点距100 m处,采用固定一点积深法取样（相应水深0.6 m）（2021 年汛前测量,起点距100 m河底高程627.00 m）。

汛期每日8 时取样1 次,当出现超警戒洪水636.55 m（流量3000 m3/s）时,按8 段或24 段取样,洪峰水位及峰前、峰后增加取样次数,力求测到沙峰,及较完整的含沙量变化过程。

1.3.2 缆道泥沙监测系统测验

本站输沙率测验实行间测,今年属停测年份,采用历年综合单断沙关系曲线推求断面平均含沙量,单断沙关系为45°直线,系数为1.000。本次实验过程采用检测设备和人工采沙同时进行,自2021 年6 月1 起至2021 年7 月31 日已取得两个月的实验数据,数据见表1。

表1 略阳水文站缆道泥沙监测系统比对数据

2 TES-71泥沙在线监测系统介绍

2.1 系统概述

TES-71 缆道式泥沙监测系统是将泥沙监测仪安装在铅鱼上可实现单沙点测沙、缆道多点测沙,有积时法或积深法两种测量方法,也可便携式测量,实现多站共用。泥沙监测仪带自动清洗功能,清洗时间和清洗频率可设定。泥沙监测仪符合《水文仪器基本参数及通用技术条件》（GB/T 15966-2017）的要求。

2.2 缆道式泥沙监测系统组成

TES-71 缆道式泥沙监测系统主要泥沙监测仪﹑水下全防水控制系统（含供电、无线传输、数据存储处理主机等）、笔记本电脑、数据管理软件和缆道固定装置等组成。

2.3 TES-71泥沙监测仪的工作原理

TES-71 泥沙监测仪是基于组合红外吸收散射光线法,通过逆投影成像技术,连续精确测定水体中的悬移质泥沙含量并直接输出泥沙含量数据。

2.4 TES-71泥沙监测仪的技术特点

TES-71 泥沙监测仪采用840 nm±5 nm波长的近红外光,对水体中的颗粒物敏感度更高。使用红外发光二极管LED产生红外光,原理是通过半导体的电子与空穴复合来产生红外光。

通过2 个感光器接收强度,结合米氏散射原理通过调频计算出米氏散射强度,通过总接收光强减去米氏散射强度得到几何光学反射强度。标定模型计算出水体中产生散射的泥沙含量与产生几何光学的泥沙含量；同时采用分布式感光强度通过逆投影算法计算出被测水体中悬移质分布情况,2 个感光系统同时进行,计算出水体中悬移质的占比浓度,通过设定的密度值计算出泥沙含量。

在泥沙自动测量中最重要的是悬移质（悬浮颗粒物）的同质性,泥沙可以分为很多种,如：青沙、黄沙、棕沙等,它们的质量不同、颜色不同,对光的反射率也完全不同,所以如果采用同一种方式去测同质性完全不同的泥沙,得出的结果可能相差甚远。TES-71 泥沙监测仪会根据不同流域对传感器进行分类来标定分析,并将逆投影成像技术计算方法写进传感器软件,这样得出最终结果的绝对误差会减小甚多。

2.5 系统的功能特点

多种应用方式：单沙点测沙、缆道多点测沙（积时法/积深法）、便携式测沙。

自动采集及处理泥沙数据,实现水下数据采集和存储,可存储5 年以上的数据,保证系统入水后数据采集的准确性和完整性。

携带方便,一个人可以完成测量。

测量时间短,随意选择测量点。

可充电锂电池供电,工作时间持续测量12小时以上。

可输入水位和流量,自动计算出输沙率。

便携式设计,可实现多站共用。

生成水文规范报表,可直接参与资料整编,软件功能可定制。

3 适用技术规范

《水文测验实用手册》（2013年版）

《水文测量规范》(SL 58-2014）

《水文资料整编规范》（SL 247-2012）

《水文自动测报系统规范》（SL 61-2015）

《河流悬移质泥沙测验规范》（GB/T 50159-2015）

《河流泥沙颗粒分析规程》（SL 42-2010）

4 仪器的安装

TES-71缆道式泥沙监测系统安装在流量测验断面起点距约100 m的测验位置,传感器在入水深度0.60 m。采集数据出现异常或传感器有附着物时,可以升起缆道将设备提出水面排障,泥沙监测仪安装位置见图3。

图3 略阳水文站泥沙监测传感器安装位置

5 比测率定分析

为不断提高水文测报的自动化水平,积极开展水文新仪器新设备的引进、推广和应用。2021 年06 月01 日起,将TES-71 缆道式泥沙监测仪安装在略阳水文站并开展正式比测率定工作。

5.1 含沙量率定方法

同位置点含沙量人工方法（在仪器旁采用瓶式采样器单独取样,利用烘干法所测取的含沙量）与TES-71 缆道式泥沙数据同步比测,通过TES-71 缆道式泥沙数据和同位置点人工含沙量样本建立模型。

采用TES-71 缆道式泥沙监测仪经率定后的数据与同位置点人工含沙量样本分进行误差分析,验证相关关系模型的准确性。

5.2 比测率定资料选取

略阳水文站缆道式泥沙监测仪自2021 年06 月安装以来,开展同步比测工作,人工实测含沙量变化范围为0.015 kg/m3~33.6 kg/m3,截止2021 年07 月31 日共搜集到比测数据90 组样本数据（去粗差个别设备样本数据,经分析主要原因是含沙量大,监测过程中没有及时维护设备而造成数据偏大）,其中实测含沙量大于1.00 kg/m3的数据26 组,实测数据含沙量变化范围可以代表略阳水文站的单沙数据。

此次TES-71 缆道式泥沙监测仪器示值最大34.23 kg/m3,最小0.009 kg/m3,同位置点实测含沙量最大33.6 kg/m3,最小0.02 kg/m3。

5.3 率定分析及误差分析结果

5.3.1 稳定性分析

统计分析2021 年06 月~2021 年07 月人工实测含沙量与缆道式泥沙数据两者之间变化趋势一致,吻合程度非常高。泥沙过程线对比见图4。

图4 人工实测含沙量与缆道式泥沙过程线对比图

5.3.2 水位变化对泥沙含量的影响分析

将水位、缆道式泥沙数据进行分析,结果显示泥沙数据变化随水位涨落变化趋势一致,符合略阳站的水位泥沙变化规律。水位泥沙过程线见图5。

图5 略阳水文站水位泥沙过程线图

5.3.3 相关关系模型分析

建立同位置点人工实测含沙量与缆道式泥沙监测仪数据的相关关系模型,从仪器示值与同位置点含沙量建立的模型可以看到仪器性能稳定,采用同位置点人工实测含沙量与缆道式泥沙监测仪数据进行率定分析,关系见图6,结果显示两者相关性显著,R2=0.9995,表明该仪器在略阳水文站测验性能稳定。

图6 略阳水文站同位置点实测含沙量与在线泥沙数据率定关系

选取泥沙含量稍大的样本数据进行检验,样本容量N=35,三项检验均为合格；随机不确定度为14.12%,系统误差为-1.9%,满足《水文资料整编规范》（SL 247-2012）3.3.4 中规定随机不确定度与系统误差分别不超过18.0%±2%的要求。曲线检验表见表2。

表2 TES-71缆道式泥沙数据与同位置点实测含沙量关系曲线检验表

续表2

5.4 验证相关性模型

为验证TES-71 缆道式泥沙数据的代表性,将2021 年6 月～2021 年7 月缆道式泥沙数据通过率定的关系模型计算出线上含沙量,与人工实测含沙量进行对照分析,见图7。

图7 率定后线上含沙量与人工实测含沙量的相关关系

从图7 可以看出,缆道式泥沙数据经率定模型计算后,同人工实测含沙量关系较好,吻合程度非常高。

5.5 特殊情况影响与处理办法

在比测期间会遇到树根、薄膜漂浮物缠绕水下传感器,影响正常数据采集。针对以上问题解决办法是在仪器数据采集期间,定期检查仪器设备,查看探头有无漂浮物缠绕,检查固定装置是否牢固等。若遇仪器受特殊情况影响应及时针对其原因,进行打捞漂浮物等维护管理、排除故障,保证测验仪器数据的连续性。

为保证垂线间数据互相不干扰,在进行每条垂线测量前应启动清洁刷自动清洁或用棉签、软抹布轻轻擦拭干净传感器表面的玻璃光源,再进行测量,注意不要刮花或者损伤玻璃光源。

6 结论

本次比测分析了TES-71 缆道式泥沙数据与同位置点含沙量相关性。两者显著相关,相关系数R2=0.9995,设备性能稳定。选取泥沙含量稍大的样本数据进行检验,样本容量N=35,三项检验均为合格；随机不确定度为14.12%,系统误差为-1.9%,满足《水文资料整编规范》（SL 247-2012）3.3.4中规定随机不确定度与系统误差分别不超过18.0%±2%的要求。故可以得出通过建立率定模型,TES-71 缆道式泥沙监测设备的数据可以取代人工实测含沙量数据在略阳水文站投产使用。

TES-71缆道式泥沙监测系统解决了传统泥沙测验需要大量人力、物力和时间的投入,测量周期长,操作过程繁琐的技术问题,实现了安全高效,测量时间短（最短5 s即可得出含沙量数据）的泥沙监测手段,解放了生产力,实现了对泥沙含量的实时监测,掌握悬移质泥沙的实时动态变化。TES-71 缆道式泥沙监测设备是一种全新测量手段,如能得以推广使用将是水文系统泥沙监测的突破性创新。今后应加强比测期间设备的维护工作,同时对比仪器不同安装位置的数据、对比垂线泥沙分布的数据以及仪器参数设定等,进一步优化比测方案,提高比测精度,争取早日投产使用。