新型透射测量技术在泥沙含量监测中的应用

赵建华 ，王 露 ，阮哲伟 ，管 磊 ，孙圣舒 ，王 东 ，刘上瑜

（1．江苏省水文水资源勘测局宿迁分局，江苏 宿迁 223800；（2．南京昊控软件技术有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

水体中的含沙量也被称为固体径流，是指在单位体积水体中所含泥沙的质量大小。天然水体中泥沙的输运、悬浮与沉积过程，对于含沙量结果均会产生影响。在水文技术研究过程中，泥沙含量是一项极为重要的参数。泥沙含量对于水土流失整治、工农业用水、水利水电工程建设、水资源开发与利用、水文预警预报等领域影响意义重大[1]。能够准确便捷测量水体中的泥沙含量是水文研究的一项重要任务。

泥沙含量的测量方法目前主要分为直接法和间接法[2]。直接法即通过人工直接取样的方法，利用标准采样容器在测量现场取样，对待测水样进行过滤、烘干和分离，最终称得重量计算待测区域内的泥沙含量[3]。该方法由于是直接测量，测量精度高，但操作过程复杂耗时，无法高效高频率测定泥沙含量。间接法则是依据泥沙颗粒的不同物理特性，获取泥沙含量与其相应物理特性之间的相互关系进行间接的测量。目前已经发展出电学法[4]、声学法[5]、光学法[6-7]和图像法[8-9]等多种间接测量方法。其中光学法是根据光线在水体中遇到阻碍会产生光强衰减的原理定量地反演水体中的固体物质含量，由于吸收、反射和透射等因素的存在，光强衰减的程度不一，进而得到水体中的泥沙含量的高低。根据光源和传感器之间布置角度的差异，可分为透射法和散射法。透射法是将传感器固定在正对光束传播方向的位置，感光传感器、测量区域和光源在同一轴线上；散射法一般将传感器固定在与光束传播方向呈一定夹角的位置。测量过程中射向介质的光束遇到不透光颗粒发生反射和透射改变原来传播方向，在各个散射传播方向中，一部分散射光被呈固定夹角放置的传感器接收，进而通过光强的衰减信息判断泥沙含量。散射法只有在泥沙含量较高时才能提供更加充分的测量信息，并且由于泥沙粒径的影响，不同粒径的泥沙散射造成的光强衰减都是不一样的，从而降低了测量的普适性。而透射法适用的测量范围更广，且粒径的大小对透光光强衰减的大小也更容易拟合，故测量精度更高。

目前市面上绝大多数已有设备采用光学散射法。本设计研发的泥沙含量测量系统采用光学透射法原理，选取纳米级的感光元件和特定波段光源，设计出最佳测量间距大小，在泥沙含量测量范围和精度上相比于同类产品有显著提升。

1 测量原理

本设计研发的泥沙含量测量系统依据光学透射原理，通过平行激光束照射光学观察窗外附近的颗粒悬浊液，光学传感器收集泥沙颗粒的透射光，继而将收集到的透射光信号转化为电信号，获得颗粒含量和电信号之间的关系。由于透射法测量泥沙含量涉及多颗粒透射的复杂问题，目前仍然需要通过率定获取泥沙含量和其透射强度的关系实现泥沙含量的测量。

为了减小测量探头对测量水体的干扰，将一束高透性平行光束传入待测水体，传入水体中的平行光束作用于测量区域内的泥沙颗粒，利用接收光纤接收测量区域内泥沙颗粒的透射光，接收的透射光信号通过光电探测转换器转化为电信号，实现泥沙含量的测量。同时使用的可变激光功率调节技术，根据光纤接收泥沙颗粒的透射光强的不同，自动调节激光器的工作功率。在泥沙含量较低时，提高激光器发射功率；当泥沙含量较高时，降低激光器发射功率。这样设计使得光纤接收光强值维持在一个较小的区间范围内，提高了光电信号转换的精度。整套设备因此项技术能够做到测量范围扩大至 0.001～100 kg/m3，测量精度也得到了大大提高。测量原理布置如图 1 所示，光强调节器位于激光器和测量区域之间，信号接受区域会即时对光强信息进行反馈。

图 1 测量原理布置

光学透射法采用双模块进行测量，一端作为入射光源，一端作为透射光接收端，但双模块的测量部件较多，不利于测量探头的微型化，为此将发射端和接收端集成在两侧，中间使用刚性连接作为一个整体。为了实现探头的微型化，在接收光纤周围又布置了一圈光纤，可以最大限度地减小测量探头的尺寸，同时沿圆周布置的多根传光光纤也能保证接受到的光信号的稳定和集中，更有利于光的传输和接收。

2 系统构成

本设计研发的泥沙含量测量系统主要由泥沙含量测量传感器和控制器 2 个部分组成。泥沙含量传感器组成部分主要包括激光器、测量区域、信号接收区和防护外壳 4 个部分组成。测量区域为两分体结构中间部分，外部水流可以在此区域内自由流动，该测量区域高度为 18 mm，在 0～1.5 m/s 的外部水域流速下，测量中心区域内流速降低很小，造成的流速差异对泥沙含量的测量没有任何影响，在之后实际比对显示的相对误差也验证了该套系统测量的准确性。当外部水域流速高于 1.5 m/s 时，传感器结构会影响中心测量区域流速，导致测量结果偏大，影响测量结果。泥沙含量传感器外观及构成图如图 2 所示，图 a 为传感器外观，图 b 为传感器各组件构成。

图 2 泥沙含量传感器外观及构成图

激光器采用 OXLASERS 系列 405 nm 波长激光器。激光器功率 0～3.5 W 可调，使用 TTL 或 PWM信号控制激光器，调制信号电压为 0～12 V。由于高频短波长激光不易被水吸收，适合被光纤束分析。集成光纤束中的传光光纤连接在信号接口上，其余接收光纤通过箱体上的光纤接口与箱体内的光电探测器相连。可以根据实际测量的需求制作适合长度的光纤束满足不同水深泥沙含量测量的需求。多路集成光纤束采用复合光纤材料，复合光纤具有质地轻、柔软、耐弯曲等优点，可满足日常测量区域稳定使用的需求。实际使用中，将泥沙含量传感器固定于待测水体中，便可直接测量待测区域内的泥沙含量大小。

泥沙含量测量控制器内的采集卡具有 100 Hz 的采样率，可以在 1 s 内采集多达 100 组数据进行分析处理，控制器可以根据这 100 组数据进行滤波处理，筛选出合理数据再进行均值化处理，得到这 1 s内的泥沙含量，数据处理过程需 5 s 的时间，这么短的时间完全可以满足泥沙含量实时测量的需求。

3 实践应用

3.1 精度比对

为验证该套泥沙含量测量系统的准确性和适用性，采用江苏省沭阳水文水资源监测中心位于新沂河的站点进行泥沙含量测量准确性率定，验证测量系统对于该点位泥沙含量的测量准确性情况。操作方法是通过在容器中加入搅拌器实现标准均匀含量泥沙悬浊液的含量率定，具体步骤如下：

1）取固定量纯净水于容器中，容器内放置搅拌机；

2）在容器中加入按所需泥沙含量称量好的烘干泥沙，开启磁力搅拌器进行搅拌；

3）待泥沙悬浮液搅拌均匀后，将泥沙含量测量传感器放入烧杯适当位置处固定好；

4）开启数据采集和后处理模块，连续采集10 s，取平均含沙量示数作为最终结果。

多次重复这 4 个步骤，比较泥沙含量测量系统测得泥沙含量和实际泥沙质量之间的关系，以此判断泥沙含量测量系统的准确性。共计进行 10 次泥沙烘干测量，分别置于容器中配置成不同含沙量的溶液进行系统读数，泥沙含量测量系统比对如表 1 所示，比较测量系统质量浓度和实际配置溶液质量浓度的相对误差，相对误差δ计算公式如下：

表 1 泥沙含量测量系统比对相对误差表

式中：C标准为配置溶液质量浓度；C测量为测量系统质量浓度。

由表 1 数据可得，测量系统质量浓度与真实值的误差在 0～5.5% 之间，平均误差为3.7%。较以往测量手段有了一定程度的提高，可以满足精确测量采集泥沙含量的需求。

3.2 系统单点测量

为了研究沭阳新沂河监测断面的泥沙含量变化，泥沙含量测量系统部署在江苏省沭阳水文水资源监测中心测量断面上进行实时在线监测。在河流流场和重力的相互作用下，泥沙含量维持在较为稳定的悬浮动态平衡，故采用固定散点泥沙含量值表示河道的断面泥沙含量。泥沙含量测量系统每分钟测量 1 次，每次测量取 10 s 内测得泥沙含量的平均值，如图 3 所示为 2022 年 2 月 8 日上午10 时—16 日 22 时的泥沙实时含量数据。

图 3 泥沙含量测量系统测得单点泥沙实时含量

每隔 1 min 测量记录 1 条数据，由每分钟的数据绘制成历时曲线，数据由测量控制端通过网络传输至云平台服务器，记录并在网页端展示。从图 3中测量数据可得泥沙含量在冬季一直维持在一个较低的水平，周期性波动较小。

为验证测量结果的可靠性，同步进行了直接取样法测量。从 2 月 9—15 日每天上午 10 点在测点进行人工取样，抽取水样体积为 10 L 进行烘干称重，泥沙含量单点比对结果如表 2 所示。

泥沙含量单点测量比对结果相对误差在 4.6%～8.6%，考虑到人工取样法测量泥沙含量和在线测量系统存在一定的时钟非同步性，这样的结果已经达到了很高的精度，可以验证本研发设计的在线测量系统测量较为精确[10]。

3.3 系统多点测量

为研究新沂河监测断面的泥沙含量随水深的变化关系，将整套泥沙含量测量系统部署在新沂河监测断面进行不同水深泥沙含量监测。天然河道形成的垂向泥沙含量剖面一般会存在近底高含沙，即河道底部会有较大的泥沙含量梯度。由于水流本身具有周期性波动，故会使得某一时刻的泥沙含量值不具备代表性，故选取前后共计 5 min 的测量值进行比较，每隔 1 min 纪录 1 次平均数据，共计记录6 次。该测量点位最大水深为 2 m，分别选取 20，60，100，140 和 180 cm 共计 5 个深度进行测量。泥沙含量在不同深度下历时变化曲线如图 4 所示。

表 2 泥沙含量单点测量比对

图 4 泥沙含量在不同深度下历时变化曲线

从图 4 的历时变化曲线来看，一定的时间变化泥沙含量数值基本保持不变，最大可以产生 5% 平均值的波动，而测点位置的变化影响了泥沙含量。从距离水面深度 20～180 cm 呈现逐步增大的趋势，并且随着深度的增加泥沙含量越来越大，如图 5 所示。

图 5 泥沙含量不同深度下的均值曲线

泥沙含量测量系统所有数据通过网络传输到云平台，并在网页端同步更新展示，该网页监测平台可以实现数据查看、历史数据管理、智能查询、泥沙含量曲线绘制、自动测量、自主分析生成泥沙分布等一系列功能。

4 结语

本研究基于透射原理设计开发了一套泥沙含量测量系统。泥沙含量测量系统改变了过去人工取样测量的繁琐操作，从过去 1 次取样测量需要几个小时缩短为现在测量分析 1 次数据结果仅需几秒，并通过 5G 物联网技术实现 24 h 实时在线监测。介绍了整套系统的原理和系统构成，同时对比验证了该套系统的泥沙测量值与真实值的误差在 6% 以内。并将整套系统应用于江苏省沭阳水文水资源监测中心新沂河测量断面进行实时泥沙含量监测，对单点和多点处于不同深度情况下的数据进行测量分析，研究成果具体如下：

1）泥沙含量测量系统用于自然河流，适用于各种水质情况下的监测测量。整套系统的泥沙含量测量精度控制在 6% 以内。

2）研究了泥沙含量在不同深度下的历时变化曲线，绘制了测量断面的垂向泥沙含量剖面图。

3）泥沙含量测量系统可以实现泥沙含量多点测量，并由多点测量结果进行分析，得到整个待测区域内的泥沙含量分布。

泥沙含量测量系统可用于泥沙含量为 0.001～100 kg/m3的天然河湖中进行测量分析，系统测量误差在 6% 以内，可以单点移动式测量，也可定点在线监测。由于测量传感器是接触式测量，对测量水域流场会有一定的干扰，在低流速状态下（流速范围在 0～1.5 m/s），对流速的影响很小，不影响泥沙含量的测量。当流速高于 1.5 m/s 的时候，外形结构会降低 5%～10% 的中心测量区域流速，造成泥沙含量测量数据比实际值偏大。该系统目前只适用于低流速（＜1.5 m/s），流场较为均匀稳定的河道或湖泊进行泥沙含量的测定。