TES-71 泥沙监测系统在高州水文站的率定分析

杨鲁斌

（广东省水文局茂名水文分局，广东茂名，525000）

河流悬移质泥沙含沙量是重要的水文参数之一，河流含沙量监测对于水利水电工程建设、水资源开发利用、水土流失治理、工农业取水用水、水文预报等意义重大。当前主要依靠人工进行含沙量的测验，此方法耗时长，且处理过程中易出错，很难对含沙量进行快捷的监测。为了解决传统泥沙测量周期长，难以实现快捷、实时监测河流含沙量变化的缺点，提升水文测报的智能化、自动化水平，在大量调研基础上，广东省水文局茂名水文分局决定开展TES-71 泥沙监测系统的比测工作，探索其在辖区站点推广使用可行性，以实现含沙量的实时监测，减少人力、物力和时间投入，加速推进水文现代化的进程。

1 TES-71 泥沙监测系统

国际上常用的泥沙监测方法有：同位素放射法、光学测沙法、声学测沙法、振动仪测沙法、电容式测沙法等，近几年来国内的泥沙测验技术水平取得了突飞猛进的发展，监测设备在技术上完全媲美国外品牌。

1.1 TES 系列泥沙监测仪的应用情况

TES 系列泥沙监测仪由天宇利水信息技术成都有限公司研发生产，泥沙监测仪是该公司的王牌产品之一。全国已有100 多套TES 系列泥沙监测仪在水文站、水电站、高校野外台站等应用。针对国内河道具有适用性更强更广的特点，技术上有明显优势，实时输出含沙量，满足水文现代化发展的需求。

1.2 泥沙监测系统的组成

TES-71 泥沙监测系统主要由水文缆道、泥沙监测仪、泥沙监测管理软件、岸上数据接收模块、电脑、瓶式采样器、XUZ-DC-2 型多仓遥控采样器等组成。

1.3 TES 系列泥沙监测仪测量原理

TES 系列泥沙监测仪基于组合红外吸收散射光线法，根据算法能够输出含沙量数据，实现快捷的监测。

TES 泥沙监测仪主要核心部件是：一个红外发射光源和两个不同角度（90°和135°）红外接收传感器构成[1]。通过两个红外接收传感器的电阻变化来判断悬移质反射强度，从而得出悬移质在水体中的密度。通过在不同角度接收反射红外光来判断悬移质的纵向密度与横向密度，利用两个密度值的线性重合最终得出悬移质在水中的真实密度。对于不同悬移质的本身密度和颜色的不同，如要提高仪器精度则需要同人工实测含沙量数值进行关系率定。TES-71 泥沙监测仪工作原理见图1，主要参数见表1。

图1 TES-71 工作原理示意图

表1 TES-71 泥沙监测仪主要技术参数

2 测验河段概况

2.1 测站基本情况

高州水文站建站于1946 年9 月，为鉴江干流中上游控制站，属国家级水文站网规划，是国家重要水文站，为国家长期收集鉴江干流水道的水文基础信息、分析水文特性、河道演变等规律而设，为鉴江水旱灾害防御、供水安全、水环境治理、水生态修复与保护、河道治理等服务。集水面积2 905km2，距河口123km。测验项目有：水位、流量、悬移质泥沙、降水、水质。

该站上游约5km 处有秧地坡拦河坝一座，下游约2km 处有红荔电站拦河坝一座，其对测验影响较大。

2.2 测验断面情况与河流特性

高州水文站测验河段比较顺直，为沙质河床，泥沙测验为二类精度。基本水尺断面上游约400m 处有弯道且有沙洲，下游2～3km 较为顺直，其中下游约55m 处有大桥一座。主槽靠左岸，左岸上游为风化岸土，不易冲刷。受上下游拦河坝闸门启闭及发电影响，测验河段水位、流量变化频繁、急剧。

该站实测最高水位32.46 m，实测最低水位22.05 m；实测最大流量3 290 m3/s，最小流量2.77m3/s；最大含沙量7.00 kg/m3，最小含沙量0.001 kg/m3。

2.3 大断面变化分析

2013 年以前河床形态为“U”型，同年高州站下游约100m 处修建新桥，对河床影响较大，河床形态由“U”型变为偏“V”型，从2017 年开始测验断面形态已经趋于稳定。

泥沙测验断面左岸为步行栈道，右岸为混凝土河堤。收集高州水文站2010-2022 年汛前实测大断面成果资料，绘制多年大断面图（见图2）。

图2 高州水文站历年大断面图

2.4 高州水文站单沙测验现状

单沙取样位置位于基本水尺断面起点距40.0m，采用瓶式采样器，积深法取样；或取样位置位于基本水尺断面起点距40.0m，采用横式采样器取样，相对水深0.6处一点法取样。

洪水期，单沙测次大于等于3 次，当含沙量变化大时，加密测次。汛期平水期2～5 天测验一次，非汛期平水期5～10 天测验一次。

3 仪器验证阶段

2019 年高州水文站引进TES-71 泥沙监测仪，正式比测之前，为检验仪器稳定性，于2019 年6 月20日至2019 年11 月31 日进行试验性比测。

3.1 仪器稳定性分析思路

（1）垂线平均含沙量（瓶式采样器采样，烘干法）与TES-71 缆道测沙同步比测，通过TES-71 仪器示值和同位置垂线含沙量样本建立模型。

（2）控制变量对数据进行分析，将仪器置于清水和空气中，通过数值变化，判断仪器的稳定性。

3.2 仪器数据与实测数据稳定性分析

收集含沙量样本21 份（2019 年6 月20 日到9 月12 日）。将TES-71 示值与垂线实测含沙量建立相关关系，见图3。结果显示两者相关性显著，相关系数为0.994 1，符号检验u=0.22，适线检验U=0.22，=0.55，三项检验合格；随机不确定度为33.8%，系统误差为2.0%，随机不确定度未满足《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）[2]5.3.5 中的规定。但考虑到相关性明显，趋势较好，可继续进行测试。

图3 泥沙监测仪示值与垂线实测含沙量关系

3.3 仪器置于空气中清水中稳定性分析

为进一步对仪器的稳定性进行判断分别将TES-71 探头放置于空气中和清水中进行静态数据采集，绘制时间与TES-71 示值变化关系图，见图4、图5。数据稳定，可以开展正式比测。

图4 空气中泥沙监测仪示值与时间变化关系

图5 清水中泥沙监测仪示值与时间变化关系

4 正式比测阶段

TES-71 泥沙监测仪传感器在相对水深0.6 处，采用一点法，横式采样器取水样。

4.1 含沙量率定方法

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

（2）采用TES-71 泥沙监测仪经率定后的数据与同位置点人工含沙量样本进行误差分析，验证相关关系模型的准确性[3]。

4.2 比测率定资料选取

2020 年含沙量小，比测时机差；且仪器设备处于升级阶段，并未开展比测工作。2021 年7 月至2022 年7月开展同步比测工作期间共搜集到比测数据129 组。人工实测含沙量变化范围为0.017～3.98kg/m3，2022 年有两场较大洪水。收集数据其变化范围可以代表高州水文站的单沙数据。比测期间泥沙监测仪示值最小0.029kg/m3，最大3.94kg/m3。

4.3 率定分析

建立泥沙监测仪示值与实测含沙量关系曲线图，见图6，可见两者之间相关性显著，相关系数R2=0.983 3，进行曲线检验未满足《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）[2]5.3.5 中规定。主要是低含沙量段数据散乱造成。

图6 测沙仪示值与实测含沙量总体关系

建立泥沙监测仪含沙量与实测含沙量关系曲线图，发现关系曲线在泥沙监测仪示值0.600kg/m3附近存在突变，分别绘制高低含沙量两段关系线发现分界较为明显。 在关系线上找出此特征点，为测点（0.611，0.167）。考虑到仪器特性，不同级别实测含沙量与泥沙监测仪代表性不同问题，本站采用分段率定的方式进行分析。将关系曲线分为两段，以泥沙监测仪含沙量0.611kg/m3为节点（见图7）。

图7 测沙仪示值与实测含沙量分段关系

2019 年与2021-2022 年相比泥沙采样设备由瓶式采样器变更为多仓横式采样器，横式采样器由多组遥控标准横式采样器、无线遥控控制器、供电电源组成，可以完成多点多次采样，提高了采样效率；泥沙监测仪也进行过相应升级，整体结构有较大改变。因此上述两个时段关系曲线并不完全一致。

4.3.1 泥沙监测仪示值≥0.611kg/m3的率定分析

建立TES-71 泥沙监测仪含沙量与垂线实测含沙量的相关关系模型，得出关系曲线1，可见两者之间相关性显著，相关系数R2=0.993 7，见图8。

图8 中高含沙量时测沙仪示值与实测含沙量率定关系

统计分析泥沙监测仪含沙量与实测含沙量两者之间变化趋势一致，吻合程度非常高。

对泥沙监测仪含沙量≥0.611 kg/m3的40 组比测样本进行关系曲线检验，样本容量N=40，三项检验均为合格。随机不确定度为17.4%，系统误差为-1.2%，满足《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）[2]5.3.5 中规定随机不确定度与系统误差分别不超过20.0%、3%的要求（见表2）。

表2 关系曲线检验表

4.3.2 泥沙监测仪示值＜0.611kg/m3的率定分析

绘制TES-71 泥沙监测数据与实测含沙量的关系，得出曲线2，两者之间相关性较好，相关系数R2=0.814 4，见图9。对泥沙监测仪含沙量示值＜0.611kg/m3的89组比测样本进行关系曲线检验，样本容量N=89，随机不确定度为81.0%，系统误差为18.7%，检验结果不满足《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）[2]5.3.5中规定。

统计分析泥沙监测仪含沙量与实测含沙量两者之间变化趋势基本一致，吻合程度较高，此区间实测含沙量跳动较大，认为是测验及数据处理误差和仪器算法未能适应低含沙量环境所造成。

4.4 年输沙量分析

4.4.1 含沙量时段特征

低含沙量时，含沙量受河流自身条件影响较大，且人工采样、处理水样等过程步骤繁多，每一步都存在误差问题。并且低含沙量时，泥沙监测仪受自身性能限制及环境影响，误差相对较高，导致最终比测误差较大。考虑到低含沙量期间的输沙量对年输沙量影响较小，认为有必要计算低含沙量数据占全年输沙量的比重。

在整编软件中对实测含沙量大于0.167kg/m3（0.167kg/m3为中高含沙量时段关系曲线1 与低含沙量时段关系曲线2 在y 轴交点） 的实测数据剔除做零处理，得出2013-2022 年各年的低含沙量时段输沙量，计算结果见表3。收集1980-2022 年43 年年输沙量数据，计算得到高州水文站多年平均输沙量为43.5×104t。

表3 低含沙量期间的输沙量占全年输沙量占比

2013-2022 年低含沙量时段的输沙量占年输沙量的占比平均值为22.3%（由于2020 年和2021 年的年输沙量远低于多年平均输沙量，故2020 年-2021 年数据不参与平均值统计），占比较低，对全年输沙量影响不大。

4.4.2 低含沙量时段关系线反推输沙量分析

通过低含沙量时段关系曲线2 公式计算得到各测点对应的线上含沙量。建立线上含沙量与实测含沙量关系曲线，见图10。根据关系曲线利用往年实测含沙量转换推求线上含沙量，使用线上含沙量代替实测含沙量对2013-2022 年十年间低含沙量时段的输沙量进行计算，得出一个转换年输沙量，进而对十年间各年输沙量误差进行分析。

图10 实测含沙量与线上含沙量关系

对2013 年—2022 年十年间输沙量进行转换计算，见表4。由表可得：10 年数据平均相对误差在±5%以内，可见利用关系曲线2 进行输沙量推求造成的误差较小。可认为虽然低含沙量时段关系曲线2 不满足相关规范精度要求，但用于推求年输沙量满足使用要求。

表4 转换年输沙量与实测输沙量误差表

5 结 论

（1）同传统泥沙测验与整编方法相比，TES-71 泥沙监测仪具有安装简便，日常运行成本低、快捷、实时等优点，简化了泥沙测验步骤，解放了生产力。

（2）泥沙监测仪示值≥0.611kg/m3时比测效果较好可以满足规范要求；泥沙监测仪示值＜0.611kg/m3时虽然未满足规范要求但关系较为清晰，低含沙量时段的输沙量占年输沙量的比重较低，利用关系曲线2反推输沙量造成的误差较小。可以进一步比测探究，进行仪器算法的更新，尝试改进比测方法，寻找两者关系。

（3）泥沙监测仪示值≥0.611kg/m3时高州水文站采用TES-71 泥沙监测系统进行单样含沙量监测是可行的，悬移质含沙量处于0.170～3.98kg/m3之间时，可以使用泥沙检测仪进行单沙测验，当悬移质含沙量大于3.98kg/m3，需要及时收集样本，恢复比测分析工作，调整优化推算模型。