广西河流OBS浊度仪在线监测系统含沙量关系模型研究与应用

潘仁红

（广西壮族自治区水文中心，南宁 530023）

目前，在全国水文系统得到一定应用的泥沙自动监测方法主要有振动式法、光学法、声学法、同位素放射法等，其中光学法最为适合低含沙量的河流，而OBS浊度仪则是光学法中当前国内外应用效果最好的自动化泥沙监测设备之一。OBS浊度仪是一种通过光学反射原理测定河流含沙量的电子数字化监测系统，与传统的水文泥沙测验方法相比，OBS浊度仪监测系统具有智慧性高、信息量大、系统易于升级维护、精度和效率优越等特点，它的推广应用对于水文泥沙测验领域而言，是一次重大革命，标志着泥沙监测的现代化与智能化，应用前景广阔。

OBS浊度仪主要是利用红外光束通过水体，被水体介质吸收和反射，计算出水体浊度，再通过与传统含沙量测验成果进行同步比测，收集到足够点据后，率定分析得到相关关系方程，进而实现投产使用目的。在实际应用中，由于OBS浊度仪只是测量安装位置处的单点浊度值，必须首先利用实测资料确定自动监测的浊度值RC～传统方法单样含沙量CS关系（即含沙量关系的率定），然后才能通过实时水位、流量推求出实时断面含沙量与输沙率过程。含沙量关系的率定在OBS浊度仪技术应用的起到非常关键作用，往往决定着OBS浊度仪引进与监测工作的成败。随着水文系统对OBS浊度仪应用的日益深入，自动化泥沙监测的需求度、依赖性不断提升，其关键技术探索及规律研究课题，也成为大家普遍关注的热点。经过多年的OBS浊度仪应用摸索，广西水文收集了境内典型河流实测成果资料，专题对OBS浊度仪含沙量关系规律分析、模型建立与应用进行了深入研究，达成了技术共识，取得较好的效益。

1 技术方法

（1）研究目的。通过实践探寻OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系（简称含沙量关系）规律，建立广西河流含沙量关系模型，同时优化含沙量关系率定成果的数据分析、集成处理和误差控制等技术环节，更好地指导和推进广西河流OBS浊度仪在线监测技术的应用。

（2）研究样本。主要以广西3处典型河流及水文站（断面）为研究对象，即红水河都安站、郁江南宁站、富川江富阳站。为提升样本代表性，共收集了上述3站2010—2020年流速关系率定成果，样本总数超过330个点据。

（3）主要技术路线。借鉴国际通则，结合广西前期实践成果，解析和衍生出适应广西河流的含沙量关系模型，并在典型河流及水文站中应用验证。各站按高、中、低水位均匀布设30个以上OBS浊度值～单样含沙量关系（RC～CS关系）点据，并做好数据分析，以最小二乘法率定出具体的含沙量关系公式。对OBS浊度仪率定过程中，要按含沙量的变化范围以及仪器特性、相关关系紧密程度，选用侧散射或后散射的浊度数据，与传统方法同步单样含沙量数据建立相关关系；在单沙取样时，OBS浊度仪应同步进行监测，水位变化不大时，可选取最靠近取沙时间的仪器测量值；水位变化较大时，可使用内插法，获取最靠近取沙时间的仪器测量值。

2 模型的确定

2.1 国际通则简介

借鉴美国地调局（USGS）提出的相关关系原理及其所衍生的国际通则，各水文要素相关关系推荐方程通常为USGS二元线性回归方程，因此含沙量关系模型按式（1）表达。

式中：CS为单样含沙量；RC为OBS浊度值；Z为水位；b1、b2、b3为回归系数。

在广西河流实际应用中，一般不推荐使用式（1），主要基于以下几个方面考虑：

（1）水位Z属于相对值，往往基于不同基面（如黄海基面、珠江基面、假定基面等）而言，测站基面不同，Z数值可以有几倍甚至上百倍的差异，无形中减低了关系模型应用成果精度。

（2）不同种类水位传感器的同步观测成果有差异，此外水准联测误差、水尺零点测量误差、水位读数误差等一系列因素的加入，都大大增加了率定成果的不确定性。

（3）在关系模型中，除含沙量外，自变量增多了一项，就增加了智能化解析环节与后期计算强度，易造成故障率倍增，影响推广应用进度。

2.2 衍生关系模型

为探求适合广西河流特性的含沙量关系模型及方法，对南宁、富阳等典型水文站先期试验成果进行系统整理分析，结果发现国际推荐模型式（1）可衍生成为一元多次方程形式，更适合于广西河流的普遍性特征。该衍生关系模型可表达为：

式中：CS为单样含沙量；RC为OBS浊度值；b0、b1、b2、…、bn为回归系数。

近几年水文监测与分析应用证明，式（2）对广西河流包括含沙量以内的各水文要素关系分析具体较好的适用性，体现了广西河流实际特性与基本规律。该模型在近阶段水文监测系统软件平台也得到了普遍应用，取得较好效果。但该模型结构相对复杂，在具体实践中，建议各站按不同要素的实际需要加以优化处置，以达到最佳应用效益。

2.3 实用性简化模型的确定及应用

根据式（1）、式（2），还可优化得到更为简便的一元二次方程，即式（2）中的b3=b4…=bn=0，则：

式中：CS为单样含沙量；RC为OBS浊度值；b0、b1、b2为回归系数。

考虑到广西河流的低含沙特点，以及OBS浊度值（单点监测）、单样含沙量（通常为单线两点采样测定）等物理量并不复杂的实际情况，最终选择以式（3）作为广西河流及各水文站OBS浊度仪含沙量关系模型及方程。将其应用到南宁站、都安站、富阳站等3处典型河流水文站的率定分析实践中，其科学性与可行性得到了进一步验证。

在使用上述含沙量关系模型的过程中，还注意以下几项约定：

⑴在满足规范允许的精度要求的基础上，尽量选择最简便的方程，条件允许时甚至可进一步简化为一元一次方程（这种情况较常见），即CS=b0+b1RC。

⑵基于“整条河流悬移质成分统一且充分融合情况下，整个断面无悬移质时，断面各个部分也应无悬移质”的常理，即：断面含沙量为0，单样含量沙为0、OBS浊度值也应为0，因此，原则上式（3）中的参数b0=0。但考虑到广西不同河流的特性、悬移质分析结构特性的差异原因以及测验设备本身所存在的随机误差，允许b0趋于0但不必正好等于0。

⑶当遇到极其个别的特殊案例时，应重新整理资料，进一步通过分析查找原因，并在确保达到规范精度标准前提下，灵活应用上述模型，如多段式方程等。

3 典型案例分析

主要以南宁、富阳、都安等3站为例，其中南宁站、都安站为受水利工程影响的大江大河水文站，富阳站为山区性中小型河流水文站。

3.1 南宁水文站

3.1.1 测站概况

南宁水文站为西江一级支流郁江主要控制站，设立于1907年，位于南宁市西乡塘区江北大道石埠路段6号，集水面积72 656 km2，属国家基本水文站，泥沙测验一类精度站。该站上游25 km有老口水利枢纽，下游51 km有邕宁水利枢纽。由于受上下游水利工程影响，天然挟沙、输沙发生较大变化，河流悬移质泥沙成分日益单纯、混合充分，断面各垂线泥沙分布更为均匀，为泥沙监测自动化提供了条件。该站于2008年引进OBS浊度仪在线监测系统，并开展OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系的率定和校测等工作。

3.1.2 资料收集

南宁站OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系率定、校测时间为2010—2018年，本次共收集关系点据（包括率定点据、校验点据等）样本数量为60份。

3.1.3 率定成果及误差分析

经率定分析后，确定南宁站OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系式：CS=0.001RC（即b2=b0=0，b1=0.001）。

定线精度：相关系数r=0.995，系统误差δ=-0.04%，随机不确定度为4.28%；适线三项检验合格。精度达到《河流悬移质泥沙测验规范》（GB/T 50159-2015）、《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）等现行水文行业规范精度要求。

该站OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系点据分布情况见图1。

图1 南宁水文站OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系成果图

3.2 富阳水文站

3.2.1 测站概况

富阳水文站为珠江流域西江水系贺江上游的控制站，设立于1960年，位于贺州市富川县富阳镇新永街河东巷1号，集水面积503 km2，属国家基本水文站，泥沙测验三类精度站。该站受水利工程影响不大，但从历年悬移质含沙量监测成果看，断面各垂线泥沙分布较为均匀，单断沙关系稳定，为泥沙监测自动化提供良好条件。该站于2016年引进OBS浊度仪在线监测系统，并开展OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系的率定和校测等工作。

3.2.2 资料收集

富阳站OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系率定、校测时间为2017—2019年，共收集关系点据（包括率定点据、校验点据等）样本数量为184份。

3.2.3 率定成果及误差分析

经率定分析后，确定富阳站OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系式为：CS=0.00 073RC+0.003（即b2=0，b1=0.00 073，b0=0.003）。

定线精度：相关系数r=0.995，系统误差δ=0.40%，随机不确定度为23.2%；适线三项检验合格。精度达到《河流悬移质泥沙测验规范》（GB/T 50159-2015）、《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）等现行水文行业规范关于泥沙测验三类精度站的相应允许误差要求。

该站OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系点据分布情况见图2。

图2 富阳水文站OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系成果图

3.3 都安水文站

3.3.1 测站概况

都安水文站为珠江流域西江水系红水河的控制站，设立于1936年，位于河池市都安县澄江乡红渡村，集水面积12 138 km2，属国家基本水文站，泥沙测验二类精度站。该站上游5 km有百龙滩水电站，下游约60 km有乐滩水电站。因上下游水利工程影响，河道挟沙、输沙条件变化，测验断面各垂线含沙量分布趋于均匀，为泥沙监测自动化提供了基础。该站于2017年引进OBS浊度仪在线监测系统，并开展OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系的率定和校测等工作。

3.3.2 资料收集

都安站水平式ADCP流速关系率定时间为2019—2020年，共收集关系点据数量为89份。

3.3.3 率定成果及误差分析

经率定分析后，确定都安站OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系式为：CS=0.0 008RC+0.0 085（即b2=0，b1=0.0 008，b0=0.0 085）。

定线精度：相关系数r=0.998，系统误差δ=0.3%，随机不确定度为19.4%；适线三项检验合格。精度达到《河流悬移质泥沙测验规范》（GB/T 50159-2015）、《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）等现行水文行业规范关于泥沙测验二类精度站精度控制要求。

该站OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系点据分布情况见图3。

图3 都安水文站OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系成果图

4 成果应用及效益分析

4.1 成果应用及规律性分析

将上述模型与方法，分别应用于广西已引进OBS浊度仪在线监测系统并良好运行的典型河流（河段）水文站实测成果中，各水文站OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系率定成果见表1。

表1 广西典型河流河段OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系率定及模型验证成果

根据图1～图3、表1所列广西典型河流河段OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系率定模型及验证成果，结合各典型水文站实际，可归纳出以下几条应用经验及规律：

（1）广西河流相对于全国河流属低沙河流，正常年份各站最大含沙量多在1 kg/m3以下，不管是否受水利工程影响，各大江大河、中小河流等各类河流普遍存在含沙量分布均匀、单一垂线含沙量与断面含沙量关系好的客观条件，采用OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系模型开展率定时，有较大机会取得预期的理想效果。

（2）从不同河流宽窄幅度角度看，在30 m（马陇站）～600 m（柳州站）之间，OBS浊度仪只需安装于水流条件、代表性较好的近岸边垂线上，不一定与单样含沙量垂线重合，而且只需固定测一点，即可取得较高率定精度。

（3）基于水文应用的角度，在达到现行规范允许误差前提下，原则上推荐使用最简便的方程形式。对于基础条件好的水文站，如南宁、富阳等站，具备断面规整、河道稳定、含沙量分布匀称等优越特点，可采用一元一次方程率定；条件相对复杂的水文站，如平乐、百色等站，河段易受水草、草籽或其他水质性因素干扰影响时，则需采用一元二次方程率定；两种方程形式均属模型约定范畴。

（4）在低沙样本分析处理时，为解决基数小误差影响大问题，当依据《河流悬移质泥沙测验规范》（GB/T 50159-2015）有关规定合理处置，即单样含沙量小于0.005 kg/m3时，按停测或作零处理，不参与精度评定计算；当单样含沙量小于0.05 kg/m3时，将等时距和等容积的水样（不宜跨月跨年）累积混合处理，作为累积期间各日的单沙。

（5）鉴于上述各典型河流河段（水文站）的单～断沙关系均为过原点的45°线（部分站据此执行输沙间测，如测1年停3年模式等），当OBS浊度仪监测值与单样含沙量建立关系时，断面含沙量测验问题其实也基本得到了破解；有条件的水文站，还应进一步收集断面含沙量实测点据，直接率定出OBS浊度值～断面含沙量关系，从而圆满解决河流悬移质含沙量测验环节的最后一公里问题。

（6）率定成果精度方面，根据《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）关于含沙量单一线法的精度控制要求，一类精度站按系统误差±2%，随机不确定度18%；二类精度站按系统误差±3%，随机不确定度20%（巡测站22%）；三类精度站按系统误差±3%，随机不确定度28%（巡测站30%）。由此可见，各站率定成果的系统误差、随机不确定度均可满足水文行业规范要求；同时，各站相关系数均大于0.975，绝大多数在0.995以上，从另一侧面说明其方程拟合适应效果非常好。

4.2 成果转化及应用效果

广西河流OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系率定模型，是提取于广西河流泥沙在线监测实践，又及时反馈于广西河流泥沙在线监测的一套实用模型，该模型建立与应用，对各水文站OBS测沙技术投产使用具有较大的促进意义。从2019年起，通过技术文件、集中培训、现场指导等方式，该模型在广西水文系统中得到迅速推广普及，并得到全国南方地区，尤其是珠江流域水文同行的认可与借鉴，逐步深入到日常泥沙监测工作中。近年来，在大江大河水文监测系统等重大工程建设背景下，OBS测沙技术逐步进入规模化应用阶段，截至目前，广西水文系统引进20台OBS浊度仪泥沙自动监测系统，已占广西水文泥沙站总数39站的51%。实践证明，该项技术的推广切实促进了悬移质泥沙监测效率的提升、技术的进步。

5 结语

通过在多河流、多河段、多测站的大量悬移质含沙量比测率定数据样本，分析了OBS浊度值RC～单样含沙量CS关系成果规律，验证了“含沙量关系模型”客观性和适用性，为解决以低沙运行、均匀分布为基本特征的广西河流悬移质泥沙在线监测实践和投产使用提供关键技术支撑。实践证明，将该模型应用在基于web的全区水文在线监测管理软件中，已强有力地推进了水文泥沙监测的数据集成化、管理自动化、应用智能性等功能目标的实现。当前，全国水文“十四五”建设正如火如荼开展，随着OBS在线测沙技术的不断进步，对其引进、率定与应用分析等实践工作地不断深入，曾经的水文行业重大难题将不再是难题。相信以此为契机，“含沙量关系模型”研究与应用成果，定能在广西“数字江河”“智慧水文”的构建中，以及相关地方技术标准、水文行业技术补充规定的制订中，发挥非常重要的基础作用。