TES-91 泥沙监测仪在马口站的应用研究

2020-11-20杨志斌梁树栋

陕西水利 2020年10期

杨志斌，梁树栋

（广东省水文局佛山水文分局，广东佛山 528132）

0 前言

悬移质含沙量测验是研究流域产沙、输沙规律的重要途径。目前悬移质含沙量测验的主要方法是：人工取样后烘干称重。该方法从样品的采集到分析，均需要大量人力和物力投入，而且样品处理周期长，操作过程繁琐，难以实时监测河流悬移质含沙量的变化。近年来随着新产品新技术的不断引进，针对河流泥沙的监测积累了一些经验，取得了一些进展。TES-91 泥沙监测仪可自动测量水体含沙量密度、水温等特征值，数据采集和处理均可现场完成，操作简便，能迅速、高效地测量得到水体的悬移质含沙量值。

1 TES-91 泥沙监测仪测量原理

TES-91 泥沙监测仪使用光电法进行悬移质测验。光电传感器由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，使这三个光孔之间呈三维立体状。红外光从光源发出，经过水中悬移质颗粒物的反射或散射再被另两个传感器接收，水中悬移质颗粒物越多传感器接收到的反射信号就越多，工作原理见图1。传感器将接收到的光强度转换为电阻信号，再通过芯片转换为数字信号。后端芯片将所有接收到的数据进行大量计算，采用逆投影成像算法，通过模拟成像计算图片中的颗粒密度。

图1 工作原理图

对于不同悬移质的本身密度和颜色的不同，对光的反射率不同。所以在悬移质的测量过程中若需要提高精度则需要取样进行同质性标定，或与人工取样值进行对比后进行线性修正。

2 测站概况

马口水文站位于西江干流水道，是西、北江在思贤滘连通后进入珠江三角洲的重要水文控制站，悬移质含沙量测验精度属于二类精度站。水文站测验河段顺直约3 km，水流稳定。低水位时受潮汐影响，洪水期，受西江、北江洪水组合影响。北江单一洪水期间，悬移质含沙量沿断面横向分布不均匀；西江单一洪水或西江、北江同时发生洪水期间，悬移质含沙量沿断面横向分布较为均匀。多年平均含沙量为0.254 kg/m3。实则最大含沙量为3.52 kg/m3（1986 年）。受上游水利枢纽影响，河道含沙量呈现逐年减少趋势，近十年（2008 年～2019 年）最大含沙量为0.934 kg/m3。

3 TES-91 标准液测试

仪器进行现场测试前，在实验室进行标准液测试，步骤如下：用硅藻土配置浓度范围在0～20 g/L 的14 个不同级别标准液（具体浓度以实际配置为准），搅拌均匀，采用磁力搅拌器搅拌标液的同时并放入仪器探头，等待仪器稳定后开始测量并记录，每次测量前均用纯水对探头进行冲洗并擦干。各级标准液实际浓度和仪器测量结果见表1。结果表明，TES-91 泥沙监测仪在0～20 g/L 量程误差在10%范围内，相关系数为0.9943，当标准液浓度为21.33 g/L 时，误差最大。

表1 标液测试结果

4 TES-91 现场比测实验

为了解烘干法测沙与TES-91 测沙结果之间的关系，在马口站进行TES-91 测沙和烘干法测沙的比测试验，并进行分析对比，建立相关关系曲线。

4.1 TES-91 的比测方式

采用现场采集水样的方式对TES-91 进行率定，具体方法是将TES-91 与横式采样器绑定在一起，TES-91 施测现场水体的含沙量（记为CS仪，下同），每点测验历时不少于60 s，同时采集相应位置的水样，采样水层依次为0.2 H、0.6 H、0.8 H，使用2000 mL 的横式采样器进行采样。水样烘干法进行悬移质含沙量（记为CS实，下同）的分析，利用TES-91 测的的水体含沙量和烘干分析的含沙量值，联立两者之间的关系曲线和相关系数。TES-91 泥沙监测仪只能测量悬移质含沙量，并不能测验颗粒级配。烘干后的泥沙样品使用马尔文2000 分析其颗粒级配，分析水体泥沙颗粒级配是否会对TES-91 泥沙监测仪测验产生影响。

4.2 TES-91 与采样器的安装

为保证TES-91 泥沙监测仪与采样器同步采样，TES-91 的仪器安装支架设置在铅鱼的正上方，横式采样器的正下方，与横式采样器之间相距0.3 m。马口站悬移质含沙量测验垂线在平水期平均水深约20 m，仪器与横式采样器的间距占平均水深的1.5%，TES-91 泥沙监测仪与横式采样器的间距对比测精度影响较低。

5 比测数据分析

5.1 相关关系建立

本次比测时间为2019 年4 月1 日～2019 年7 月21 日，共计收集72 个比测数据点。比测期间，马口站发生了2 次较为明显的涨水过程，其中6 月中旬发生的洪水为西江、北江同时发洪的双江洪水，洪峰水位为4.63 m；7 月中下旬发生的洪水为西江单江洪水，洪峰水位为4.95 m。期间实测悬移质含沙量为0.010 kg/m3～0.688 kg/m3，2019 年马口站最大悬移质含沙量为0.688 kg/m3，试验基本涵盖了本年度悬移质含沙量的变化范围，含沙量级配较均匀，代表性强。

对CS实与CS仪进行相关分析，按照最小二乘法，对72 份数据分段进行线性回归计算[1]，得到相关关系公式分别如下：

CS实=0.7027CS仪-0.0019，CS仪<0.40；CS实=1.9065CS仪-0.4900，CS仪>0.40。

在CS仪低于0.4 kg/m3时候，CS实与CS仪相关性较好，当CS仪高于0.4 kg/m3,数据点与CS仪低于0.4 kg/m3的关系线偏差较大，因此单独建立相关关系线。两条关系线三线检验结果见表2。两条关系曲线符号检验、偏离数值检验、适线检验、系统误差均满足《水文资料整编规范》（SL 247-2012）相关规定要求，随机不确定度满足二类泥沙精度站要求的24%（多线法）。

表2 三线检验结果表

图2 相关关系图

从马口站2005 年～2018 年的悬移质颗粒级配资料来看，来沙组成以泥质颗粒为主，来沙特征较稳定。近十年中数粒径（D50）变幅为0.007 mm～0.019 mm，年内、年际悬移质颗粒粒径变化较小。将比测收集到的72 份垂线混合沙样的颗粒级配资料进行分析，X 轴表示CS实，Y 轴为中数粒径（D50），Z 轴为CS仪。如图3 所示，马口站测沙断面颗粒粒径变化较为稳定，中数粒径（D50）介于0.007 mm～0.015 mm 之间，主要集中在0.009 mm～0.011 mm 之间，且随着含沙量的增加，D50趋向于集中。

图3 比测过程颗粒粒径和含沙量关系图

使用SPSS 20.1 数据分析软件对CS实-CS仪-D50进行二元线性回归分析，结果见表3、表4。F 检验结果sig.<0.05,说明CS仪与D50中至少有一个自变量能够有效预测因变量CS实。CS仪的回归系数显著性值sig.=0.000<0.01<0.05，表明CS仪对应的回归系数B 存在，有统计学意义；D50的回归系数显著性值sig.=0.566>0.05，D50的回归系数不显著，因此认为马口站使用TES-91 泥沙监测仪，D50与CS实在统计学意义上无显著影响。

表3 F 检验结果

表4 回归系数及显著性值

5.2 来沙过程模拟及相对误差

采用5.1 得到的相关方程，计算TES-91 推算的相应含沙量，与实测含沙量对比还原2019 年4 月～7 月含沙量变化过程，见图3。相应含沙量和实测含沙量随时间变化过程基本一致，实测含沙量减少时相应含沙量减少，实测含沙量增大时相应含沙量增大，两者同时达到峰值，且变化幅度基本一致。

图3 含沙量过程比较

TES-91 推算的相应含沙量与实测值之间的平均相对误差可用下式计算[2]：

式中：E 是平均相对误差；Cc、Cm分别是相应含沙量和实测含沙量，kg/m3；N 是数据个数。

马口站单次测验实测含沙量与TES-91 推算的单次含沙量相对误差见图4。

图4 单次测验相对误差

经计算，全部实测测次的实测含沙量与推算含沙量的平均相对误差为1.05%。单次相对误差来看，当含沙量小于0.10 kg/m3，测验相对误差较大，但绝对误差较小。比如5 月5 日，实测含沙量0.062 kg/m3，推算含沙量0.088 kg/m3，实测值与推算值之差为0.026 kg/m3，相对误差为41.9%。从计算年输沙量方面来看，对年输沙总量影响较小。