TES-91 悬沙在线监测系统在姚江大闸水文站中的应用

赵立锋

（宁波市水文站，浙江 宁波 315012）

0 引 言

姚江大闸水文站所在地姚江属浙闽台流域甬江水系，发源于四明山夏家岭东北眠岗山，自源头向西北流经四明湖水库，出四明湖水库后流经余姚城区，出城区后姚江两侧先后有多条溪流汇入，至宁波三江口汇入甬江。姚江大闸水文站集水面积1 918 km2，距离河口3.6 km，基本断面上游44.0 km 处建有蜀山大闸，下游330 m 处建有姚江大闸，水位的变化主要受这2 座闸门启闭的影响。姚江大闸水文站为国家重要水文站，测验河段顺直，系人工河道，河宽211 m，河床为淤泥。主要监测项目有降水量、水位、流量、蒸发、水温等。

传统悬移质分析采用人工取样进行分析，工作量大，时效性不高，难以满足实时监测的要求。自动化、实时现场泥沙观测是现代水文观测的发展方向。周波等[1]对三峡入库泥沙长期采用实时监测，观测时效性强、自动化程度高；王海申[2]采用OBS-3+浊度仪构建了海上悬沙在线测量系统，凌佳等[3]采用OBS-3+浊度仪构建了河道在线含沙量监测系统。赵军等[4]利用TES-71 进行悬沙在线监测，该系统实时监测含沙量与人工实测吻合非常好。为实时监测姚江悬移质泥沙时空分布、探求悬沙运动规律，姚江大闸水文站采用TES-91 泥沙在线监测系统，实现含沙量在线监测。

1 TES-91 泥沙在线监测系统简介

1.1 TES-91 泥沙在线监测系统组成

姚江大闸水文站泥沙在线监测系统主要由TES-91 泥沙监测仪、泥沙分析模块，数据采集与传输系统（含 RTU）、供电系统和安装支架等组成（见图1）。TES-91 泥沙监测仪连续精确测定水体中的悬移质泥沙含量，通过RS485 总缆与遥测终端（RTU）相连，采集数据由遥测终端通过4G 发送到中心站，采集和传输采用太阳能供电，实现实时在线监测。TES-91 泥沙监测仪安装在单沙点或者具有断沙代表性的点，通过建立单沙点与断面平均含沙量的关系，经比测得到断面平均含沙量，适用于测量天然河道、渠道、水库等悬移质泥沙含量不超过120 kg/m3的水体。

图1 TES-91 泥沙在线监测系统架构图

1.2 TES-91 泥沙监测仪工作原理

TES-91 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，测定水体中的悬移质泥沙含量并直接输出数据。TES-91 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。通过2 个感光器接收强度，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。根据不同流域对传感器进行分大类来标定分析，并将逆投影成像技术计算方法写进传感器软件，提高了不同泥沙的测量精确度。

1.3 TES-91 泥沙监测仪的安装

姚江大闸水文站TES-91 泥沙监测仪（见图2）安装在水位台外侧，通过制作不锈钢安装支架依托水位台基础进行固定安装，入水深度约1 m（见图3）。当采集数据出现异常或传感器需要维护时，泥沙监测仪可通过不锈钢支架上的导轨提出水面。

图2 TES-91 泥沙监测仪

图3 姚江大闸水文站泥沙监测仪安装图

2 比测率定分析

2.1 含沙量率定方法

通过同位置同时间人工采集与TES-91 泥沙监测仪的单点含沙量进行相关分析，检验TES-91 泥沙监测仪监测的单点含沙量稳定性。通过人工采集计算得到的断面平均含沙量与TES-91 泥沙监测仪的单点含沙量进行率定分析，建立单点含沙量与断面平均含沙量率定关系。

含沙量水样的人工采集采用 XCL 横式取样器进行，室内测定采用重量法。单点含沙量水样人工采集在仪器安装位置附近进行；垂线采样采用层次积点法，每条垂线含沙量人工取样起讫时间和流量监测同步，流量监测采用走航式ADCP[5]，由垂线平均含沙量和分块流量计算得到断面平均含沙量。人工取样分别安排在 2022 年 4 月2 日、5 月29 日、5 月 31 日、6 月 1 日、6 月 3 日、6 月 6 日开闸放水期间进行。

2.2 稳定性分析

通过资料整编和化验分析，共获取人工采集单点含沙量与同步的TES-91 泥沙监测仪的单点含沙量共31 组数据，建立人工采集单点含沙量与在线监测单点含沙量关系曲线，见图4。

图4 姚江大闸水文站单点含沙量人工采集与在线监测关系曲线图

根据 SL/T 247—2020《水文资料整编规范》要求，对上述回归方程进行定线精度分析与关系曲线三线检验，得出实测点标准差Se=5.08%，随机不确定度 2Se=10.16% ≤18%，系统误差|0.062%|≤2%，符合规范中规定的一类精度水文站定线精度要求。因此，姚江大闸水文站单点含沙量在线监测设备较为稳定可靠。

2.3 断沙与单沙率定分析

姚江大闸水文站断面共布设 5 条垂线进行含沙量水样人工采集。

经资料整编和化验分析后共获取60 组有效测次数据，其中断面平均含沙量变幅为 0.025～0.060 kg/m3，单点含沙量变幅为 0.025～0.058 kg/m3，水位变幅为 0.77～1.43 m，流量变幅为 32～547 m3/s。

通过数据资料整编获得的断面平均含沙量与同步的TES-91 泥沙监测仪的单点含沙量共60 组数据，建立断面平均含沙量与单点含沙量的关系曲线，见图5。

图5 姚江大闸水文站断面平均含沙量与单点含沙量关系曲线图

根据SL/T 247—2020《水文资料整编规范 》要求，对上述回归方程进行定线精度分析与关系曲线三线检验，得出实测点标准差Se=6.11%，随机不确定度 2Se=12.22% ≤18%，系统误差|0.349%|≤2%，符合规范中规定的一类精度水文站定线精度要求。

1）符号检验：n=60，k=29（k为正号个数），u=0.13＜1.15（显著性水平α=0.25），符号检验通过。

2）适线检验：n=60，不变换符号“0”次数为25，变换符号“1”次数k为34，k＞0.5（n-1）,不做此检验。

3）偏离数值检验：n= 60，平均相对偏离值ΔP=0.349%，ΔP的 标 准 差SΔP=0.78%，统 计 量t=0.446，|t|=0.446＜1.30（显著性水平α=0.20），认为合理，偏离数值检验通过。

上述3 种方法对断面平均含沙量与单点含沙量关系曲线的三线检验，全部达到 SL/T 247—2020《水文资料整编规范》要求，认为定线正确。

3 结 论

1）姚江大闸水文站悬移质泥沙在线监测系统稳定可靠，在线监测单点含沙量与断面平均含沙量相关关系较好，实时监测的单点含沙量经换算得到的断面平均含沙量数据可供有关部门参考使用。

2）根据SL/T 247—2020《水文资料整编规范》，实测输沙率最大相应单沙为最大实测单沙的 50%以上时，可做高沙延长，单沙关系为曲线时，延长幅度不应超过实测最大单沙的 30%，因此本断面与单点含沙量关系曲线的适用范围为0.025～0.076 kg/m3。

3）每年对率定关系线进行5 次以上校测，根据SL/T 247—2020《水文资料整编规范》规定，若未通过t检验或者泥沙监测仪安装位置发生变动时，需要重新比测率定，获取新的关系线。

4）姚江大闸水文站所处姚江出口受姚江大闸控制，大闸未排水时所处断面水体基本静止，泥沙监测仪易受生物附着影响实测数据精度，需对泥沙监测仪进行定期清洗维护。