浊度仪在营口地区含沙量自动监测中的应用

2021-09-07张红宇

水科学与工程技术 2021年4期

张红宇

（辽宁省营口水文局，辽宁营口 115003）

随着水文测验技术的不断发展，水文测验先进仪器也在许多流域得到推广和应用。水文测验主要包含降水、水位、蒸发、流量、泥沙的监测，其中降水、水位、蒸发已逐步实现自动观测［1］。近些年来，对于流量的自动监测得到不断发展，如ADCP［2］、电波雷达［3］等先进仪器已在国内许多流域得到应用［4-8］。但对于泥沙自动测验的起步较晚，当前，浊度仪通过对河流水体浊度进行观测，建立浊度和含沙量关系，对断面含沙量推求，在一些流域水文测站的含沙量测验中得到应用［9-15］，通过测验应用表明河流水体中的浊度和含沙量具有一定的相关性，当河流含沙量较低时，该仪器可以实现断面含沙量的监测，但是水体浊度较大时，很难建立浊度值和含沙量的相关关系，因此浊度仪的适用性不高。为探讨浊度仪在营口地区含沙量自动监测的适用性，本文采用对比观测试验方式，对浊度仪的适用性进行探讨。研究成果对营口地区河道含沙量测验方式的改革和创新具有一定参考意义。

1 测站概况

望宝山站于1959年1月1日建站，由辽宁省水利电力局领导，站类为水文站；2013年11月由辽宁省水文局领导。该站位于辽宁省盖州市团甸镇，东经122°28′，北纬40°26′。按水文站网规划原则确定为区域代表站，属于国家基本站。本站冻结基面为假定基面。流量测验精度为二类，泥沙测验精度为三类。本站测验河段顺直长度500m。河流上游多由山丘和风化岩组成，雨洪时水流挟带泥沙较多。测验河段主槽和滩地由细沙和卵石组成，冲淤变化较大。水位流量关系不稳定，多采用临时曲线法推流。本站测报项目：水位、流量、单沙、水质监测、冰情、降水、蒸发、比降、水情发报、普通测量、水文调查等。本站流域面积1070km2，距河口距离30km。测验河段南岸是暖泉镇后红村的树林和苞米承包地。测验河段北岸是团甸镇贾屯村。距本站基本断面上游400m处有一座后红大桥。本站主要的测洪手段是缆道、浮标和比降。水文站上游有大（二）型石门水库一座，三道岭、周家中型水库两座，小（一）型水库二道房一座。

2 精度评价方法

2.1 精简方法

每个采样点依次布设在垂线上的每个测点上，垂线上的每个监测点的观测时间应保持在60s以上，以确保数据采集的准确性和及时性。 2020年7月至8月下旬，开展60次含沙量对比观测试验，观测含沙量的范围在0.02～0.1kg/m3之间，基本覆盖望宝山水文站断面的年含沙量，比测试验分析含沙量具有较高的代表性，分布更均匀。

2.2 精度评价指标

主要是通过分析简化组合法和传统方法所测得的含沙量的准确性，比较测试的准确性评估指标主要包括3个指标，即系统误差，随机不确定性和标准偏差，每个指标的计算公式如下：

（1）系统误差

（2）标准差

（3）随机不确定度

式中 ΔN为系统误差；Csi和Csci分别为第i次所推求的含沙量值（kg/m3）和测得的含沙量值（kg/m3）；n为测点分布的总数；Se为测得的采样点含沙量的标准偏差；X′Cs为95%置信水平下的随机不确定度；XCs为75%置信水平下的随机不确定度。

3 精度分析结果

3.1 测沙垂线布置

在望宝山水文站选取上、中、下各布设3个测验断面，各测验断面的起点距如表1，并在各测验断面同一位置布设6条施测含沙量垂线，分布情况如表2。

表1 对比观测测验断面起点距

表2 含沙量垂线分布情况

3.2 转换方程分析

对不同测沙垂线建立浊度值和含沙量的相关方程，并将浊度仪推求的含沙量和传统人工观测的含沙量进行相关性分析，结果如表3。

表3 浊度仪和含沙量转换率定公式分析结果

在每次含沙量测量布设垂线的相同位置同时进行比较测验，在相同位置将浊度仪和人工监测的含沙量进行相关转换方程的率定，从率定分析结果可看出，浊度值和断面含沙量具有较好的相关性，这主要是因为当河流水体含沙量小于一定量值时，河流水体的浊度和含沙量具有较好的相关性。对比观测分析时断面含沙量均低于0.3kg/m3，而此时营口水文站断面含沙量和浊度值具有较好的相关性，相关系数总体在0.45以上，具有较好的相关性。通过建立的各条测沙垂线的含沙量和浊度值的转换率定公式即可以对断面的含沙量进行推求。

3.3 对比观测精度分析

基于上述线性关系可推算断面含沙量，结合实测含沙量进行精度对比分析，检验采用浊度仪推算的含沙量是否满足测验精度要求。对浊度仪推求精度进行评定，评定结果如表4。

表4 望宝山水文站各测沙垂线的含沙量比测精度分析

根据上述线性关系，可以推求出望宝山站测验断面的含沙量，并可以对比测得的含沙量的准确性，以分析浊度仪计算出的含沙量是否满足精度要求，对浊度计的估计精度进行了评估，其分析结果如表4。

结合各测沙垂线建立的浊度仪和含沙量转换方程进行了6组对比观测试验，对采用浊度仪推求的断面含沙量和传统人工观测的含沙量进行精度的平度。河流泥沙测验规范需要对符合、适线及随机不确定度进行检验，并统计其标准差和系统误差，按照河道泥沙测验规范要求，当符号检验值低于0.6即为合格，从各组对比观测值可看出，符合检验值在0.6以下，均通过检验达到合格要求。适线检验主要对含沙量测定垂线进行判定，当适线检验值在±1.0以内均可通过适线检验，从各适线检验值可看出，适线检验值均在±1.0以内，达到免检和合格要求。从各组测沙垂线随机不确定度分析结果可看出，随机不确定度在1.17～1.63之间，表明各组测沙垂线含沙量和浊度仪推求的断面含沙量之间无系统偏差。从检验标准差可看出，6组对比观测试验采用浊度仪推求的断面含沙量和各测沙垂线含沙量之间的标准差低于15%，达到河流泥沙测验规范要求的20%的误差范围要求。从系统误差可看出，各测沙垂线系统误差低于±20%，满足系统误差的精度要求。