基于红外光传感器的泥沙在线监测方法应用研究

伍先锋 ，胡兴艺 ，李广源 ，谭云辉

（1．湖南省邵阳水文水资源勘测中心，湖南 邵阳 422300；2．湖南省水文水资源勘测中心，湖南 长沙 410006； 3．湖南省水文仪器设备检测中心，湖南 长沙 410007）

0 引言

悬移质泥沙是在径流、波浪和潮流等因素相互作用产生的，悬移质泥沙大小变化直接影响河流中的泥沙集聚与输运。悬移质泥沙测验工作是近岸工程和沉积动力学研究的关键问题，一直以来是水文监测工作中的重点和难点[1]。泥沙测验方法中主要有过滤法、烘干法和置换法[2]。上述方法虽然精度高，但测验方法繁琐，需取样和做实验的时间跨度很长，并且采用的样品为瞬时样品，受水体脉动影响较大[3-5]。在沙峰来临时，传统方法很难反映水体中悬移质泥沙值的实时变化，也难以获得沙峰的数据。而采取悬移质泥沙在线监测的方式，可大大减少泥沙测验工作的强度，提高生产效率，及时反映河流中泥沙的变化规律，有利于掌握流域内泥沙运动规律，有效推动泥沙测验方式的改革，实现水文现代化。

在悬移质泥沙在线监测方法中，目前国内外主要包括声学法、同位素放射法、光学法与振动式法[6-7]，它们在技术成熟度、使用方式及建设成本等方面都存在一些差异。近年来，通过河道整治与水利工程修复等措施，我国华南地区河流的悬移质泥沙含量普遍下降[8]，在上述方法中，光学类测量法在该类水域中取得了较高的测量精度。但是，受泥沙浓度、粒径、颜色、气泡等因素影响，光学法仍有自身的局限性和缺陷[9]。因此，在特定的水体中，必须对光学法仪器测量和实测数据进行分析，建立相关关系曲线，才能将仪器测量数据作为悬移质泥沙的数据。

黄桥水文站位于湖南邵阳市境内，其泥沙测验一直采用传统方式，即通过人工取水样，在经过一定时间的沉淀后，再通过过滤、烘干、称重的方式，取得测验结果。这种方式虽然精度高，但分析时间长，工作量大，不能实现泥沙在线监测。为了改变传统泥沙测验方式，验证光学法悬移质泥沙在线监测方式，设计泥沙在线监测系统，通过对该站横向含沙量进行分析，确定光学传感器安装位置的代表性，获得在线监测系统在低含沙量下的泥沙数据。

1 泥沙在线监测系统设计

1.1 系统测量原理及组成

泥沙在线监测系统（以下简称系统）主要由光学传感器、无线传输系统、泥沙数据处理系统、在线监测智能管理平台 4 个部分组成。系统的核心是一个红外光学传感器，该传感器是利用介质对光的吸收和散射原理进行测量的。当光在水体中传输时，依据散射信号接收角度的不同，将光分为前向、90° 和后向散射及透射。悬移质泥沙在线监测使用的光学电传感器主要接收散射角为 120°～175° 之间的红外光散射信号，在这之间的散射信号比较稳定。该光学传感器通过测量上述角度范围的后散射和垂直 90° 的侧面散射的光强度测量水中的悬浮物质。由于红外光在水体中衰减率较高，而太阳光的红外部分比较弱，在仪器安装位置基本上被水体吸收，因此，光学传感器的发射光束不会受到外界干扰。光学传感器工作原理示意图如图1 所示。

图1 光学传感器工作原理示意图

本站光学传感器采用 OBS501，测量时间为10 s，发射波长为 850 nm，可实现单沙和断沙的实时数据采集。测量总次数为 100 次，测量结束可以输出测量的最小值、最大值、平均值和标准偏差，这些数据有利于直接判断测量期间悬移质泥沙含量的脉动情况；也可以计算出每次测量的高质量数据，如果测出的标准偏差太大，则丢弃该条数据重新进行测量。光学传感器实时测量水体的浊度数据，通过无线方式传输到在线监测智能管理平台，利用数学建模建立水体的浊度与泥沙含量的相关关系，经过平台处理后，进行展示输出泥沙测验成果。

1.2 安装位置选择

安装位置选择是泥沙在线监测设备得以率定成功的关键，是重中之重，要慎之又慎。黄桥水文站的水位变幅为 3 m 左右，统计 2018 年水位数，2018 年度最高水位为 266.16 m，最低水位为 263.35 m，平均水位为 263.90 m。水位变幅适中，可采用固定安装方式进行泥沙在线监测设备的安装，安装位置尽量靠近本站点单沙取样点。

使用黄桥水文站 2018 年输沙率测量的垂线平均含沙量C's和对应的断面含沙量Cs，通过C's/Cs比值的变化，可判断该断面含沙量横向分布是否均匀，以及相应测沙垂线的代表性，即C's/Cs比值接近 1 的垂线或区间，则是理想的单沙取样垂线或区间位置。通过对该站含沙量分析，各测沙垂线之间的C's/Cs变幅相差不大，且本站断面规整，泥沙大部分来源于细颗粒的冲泄质，经冲刷，混合及水流的紊动后，含沙量在断面上的横向分布接近均匀分布。结合对黄桥水文站河段附近取沙位置、水下地形、岸上人类活动情况、规划情况和安全等情况进行的详细查勘，最终选择将光学传感器安装在断面 25 m 的位置。针对本站的特性及现场勘测情况，确定通过打桩固定的方式实现悬移质泥沙在线监测。

由于该站洪水期时流速较大，漂浮物较多，河床主要由砂石构成，人工打桩的强度难以保证，因此选择机械钻桩。

机械钻桩的数量为 2 根，下游的桩为仪器桩，用于安装支架和仪器；上游桩为防护桩，用于阻挡漂浮物，对下游的桩形成有效的保护。桩的顶部高程根据常水位进行设计，确保常见水位时能进行维护工作即可，过高会增加漂浮物悬挂，增加桩的受力，具体要求如下：

1）按设计起点距进行钻桩，根据设计要求，桩的高度为 3.5 m（桩顶部到河床的高度），进入河底5 m 控制，仪器桩入泥 5 m，桩总长为 8.5 m，防护桩入泥 5 m，桩总长为 9 m，桩径为 220 mm。

2）保证桩的垂直度，偏差 ≤ 1°。

3）桩径大于 200 mm，锚固比在 1∶1.5 至 1∶2 之间。

4）采用 10 mm 厚无缝钢管作为桩护套，钻孔后灌注混凝土，内敷钢筋。

5）保护桩与仪器桩沿河流平行方向打入河床，两者间距 2 m。

6）汛期水流冲击下，桩的晃动角度不超过 1°。

7）仪器桩配套垂直导轨式支架，通过导轨，可在平水、枯水期将仪器轻松取出或安装，而不需要潜水作业。桩体的高度高于常年平均水位的 30 cm 即可，不应太高，否则在洪水时会阻流并大量悬挂垃圾。

将光学传感器安装在起点距 25.0 m 左右的位置，该安装点的高程为 262.8 m 左右。利用光学传感器在线监测该点浊度，并对其与含沙量及单沙进行关系分析，以期率定出关系曲线。泥沙在线监测仪器安装位置预留 H-ADCP 安装位置，为后续流量及输沙率监测提供更多一种途径，为实现流量无人值守的在线监测提供前期的准备。

进行机械打桩时，保证桩柱不干扰缆道测流。桩柱分为防护桩和仪器桩，防护桩在仪器桩上游 1.5～2.0 m 位置，比仪器桩高 0.5 m，能够有效防止漂浮物直接冲撞仪器，仪器桩在常水位露出水面 0.5 m，配套安装 1 个 1.5 m 的滑轨支架，便于在正常水位时把光学传感器提出水面对其进行维护。

安装固定太阳能板到缆道房的房顶，太阳能板安装朝向南偏西 10°，保证光照充足。数据采集终端 RTU 安装固定在缆道房内。光学传感器电缆使用1620 铝塑管进行穿管保护，并使用水泥重块绑住铝塑管，将其沉入河底。经过 2 次的洪水考验，这种安装方式可行，未遭受河床推移质破坏。岸上部分沿着水尺阶梯边缘一直敷设到站房内，并使用水泥覆盖固定，电缆末端接入数据采集终端 RTU 内。

1.3 防雷设计

在线泥沙监测系统牵涉到电子电路、通信与供电设计，经分析，发现本应用系统及其涉及仪器存在遭受雷击破坏的可能。

水文测验设施受雷击的形式分为直击雷、感应雷 2 种。针对本应用系统，直接雷，只能采取避雷措施，即“避雷针+接地体”泄流消雷，保护避雷针保护角范围内的建筑物和设备；而遭受雷击影响更大、更多的是感应雷破坏。因此，拟定应用研究设计的防雷方案，主要针对感应雷击。

水文测报仪器设备遭受感应雷击的渠道是多方面的，有供电线路、信号线路、地电位反串、落雷点高位冲击和地电流反冲通道等。防雷避雷必须采用整体防范、多重保护、综合防治、层层设防的防雷体系，采用消、泄、防、引、避的办法，将水文设施设备的所有易受雷电袭击的通道进行消散、疏导或抑制掉，保护水文测报设备的安全。具体防雷措施如下：

1）电缆金属套管，一端接地。电缆长度越长越易感应雷击，本监测系统电缆（电源、通信）长度为 90 m，因此电缆需套金属护管屏蔽保护，金属护管采用直径 3 cm 镀锌铁管，表面外涂沥青以防腐；为增强护管导电性能，连接处勿用水胶带；鉴于水下作业方便，水下部分电缆采用金属软管，例如蛇皮管；也可采用铝塑管替代。但不管是镀锌铁管、金属软管还是铝塑管的套管，均需保证低电阻连接或焊接连接，然后在护管一段接地，避免跨步电压形成人为破坏。

2）集成系统端保护。集成系统外箱须接地，接地材料采用 6 mm2以上的铜线或热镀锌扁铁与接地网引出线金属连接；集成系统内部集成防浪涌模块，该防浪涌模块电源与信号分置，有效保护终端安全；太阳能电源接上防雷器，有效屏蔽来自太阳能引雷危险。

3）系统工作采用间歇工作方式。在满足监测段制要求的前提下，其余时间监测系统处于掉电方式，尤其是光学传感器及其电缆（电源、通信）均处于掉电状态，此时，即便有雷电发生，也可避免感应雷的传感器与电缆的引入可能。

2 率定与运行

2.1 率定原理

率定是系统得以取得成功的关键一步，率定的实质是比较系统测量数据和实测数据的误差，测量数据通过与实测数据比较，不断完善泥沙计算模型。为了使系统测量数据与实测值的误差满足规范要求，需要通过关系曲线检验。

2.2 数据选取原则

1）安装点水位变化较大时，使用内插法，获取最靠近取沙时间的仪器测量值；

2）安装点水位变化不大时，选取最靠近取沙时间的仪器测量值；

3）附近有船舶或鱼类经过时，仪器数据可能会有较多突变值，此时仪器测量值可趋势采用内插法求得，同时丢弃该突变值。

2.3 率定结果

黄桥水文站系统收集 2019 年 8 月 29 日—2020年 4 月 27 日人工实测断面含沙量，并同相同时间的在线测沙系统的数据进行率定分析。黄桥水文站在线测沙率定分析结果如图2 所示，率定的浊度值与含沙量的相关关系公式如下：

图2 黄桥水文站在线测沙相关关系图

2.4 运行结果分析

对黄桥水文站 2019 年 8 月—2020 年 4 月河段含沙量进行统计分析，分析表如表1 所示，该站泥沙数据与洪水变化时间对应关系较好，河道中含沙量随着洪水大小而变化，洪水大含沙量大，洪水小含沙量小，该系统所获得的泥沙数据基本能反应出本站的该河段悬移质泥沙含量随洪水的变化过程。

表1 河段含沙量统计分析表

截至 2021 年 2 月，泥沙在线监测系统正常运行共计 16 个月，理论应采集的数据份数为 11 520 份，实际采集的数据份数为 11 381 份，数据畅通率达到 98.79%。系统安装以后，除了对设备进行过 1 次升级外，未遭受雷击和其他不利因素的影响，设备一直处于稳定运行状态。

3 结语

红外光的测量技术是一种快速、有效和简便的悬沙在线观测方法，对于 0～0.5 kg/m3范围内的低含沙量河流应用前景广阔。文中从黄桥水文站的大断面和泥沙整编资料对其含沙量横向分布进行分析，确定在线监测位置的代表性，实现了悬移质泥沙在线监测。根据资料显示，黄桥水文站历年单、断沙关系比较稳定，在线监测设备安装环境良好，通过一个汛期的数据采集，结合人工实测含沙量结果进行统计分析，探索出了该方法在实际水域中应用的可行性，揭示了该方法在低含沙量水域应用的可能性，为其进一步的推广应用提供一定的技术支持和经验。

为使泥沙在线监测系统采集的数据稳定可靠，后期建议：

1）对系统要指定专人负责。成立专门的管理小组，指定专人负责管理，不定期检查数据传输情况和现场查看仪器状况，判断仪器是否运行良好；

2）对在线监测含沙量进行不定期校验。黄桥水文站泥沙采用的是垂线混合法实测单沙，根据水情形势布置测次，并将每次测得单沙数据和在线单沙数据进行对比，检查在线单沙的偏离程度，并分析误差及偏离原因；

3）建议使用人工法测验的单沙资料与后期在线资料进行率定，减少中间率定时产生的误差；

4）建议收集完低沙至高沙全范围的实测资料后进一步完善率定成果。

通过对红外光传感器的泥沙在线监测方法研究，积累了一些经验，取得了一些成果，相信该方法在今后的泥沙在线监测领域具有很强的实际应用前景，可以给其他类似水域开展泥沙在线监测提供有益的参考依据。