基于红外光技术的悬移质泥沙在线监测系统及应用

基于红外光技术的悬移质泥沙在线监测系统及应用
郑庆涛;曾淳灏;常博;陈容
【摘要】基于高要站2015年5月至2016年5月为期1 a的在线泥沙监测系统采集的悬移质泥沙数据,结合人工实测含沙量结果和在线流量数据进行的统计分析,并以此为例,探讨红外光技术的悬移质泥沙在线监测系统在实际水域中应用的科学可行性.首先数据表明在低含沙量水域(0～0.5 kg/m3),光学测沙仪侧散射探头精度更高,表现更好;其次水文参数之间如流量、平均流速和含沙量的联系紧密,其变化趋势基本一致,因此大量在线监测系统的数据采集可作为精确的水沙动力模型的基础;综上所述基于红外光的在线悬移质泥沙测量技术是一种安全、高效和可靠的悬沙观测方法,在实际水域在线监测中具有较为广阔的应用前景.
【期刊名称】《人民珠江》
【年(卷),期】2017(038)011
【总页数】5页(P94-98)
【关键词】红外光技术;悬移质泥沙;流量;在线测验;高要站
【作者】郑庆涛;曾淳灏;常博;陈容
【作者单位】广东省水文局肇庆水文分局,广东肇庆526060;广州拓泰环境监测技术有限公司,广东广州511447;广州拓泰环境监测技术有限公司,广东广州511447;广州拓泰环境监测技术有限公司,广东广州511447
【正文语种】中文
【中图分类】TV141
河流悬移质泥沙(suspended particulate matter ,SPM))含量是水利工程设计、水土流失与保持效果评价及工程运行管理的基础信息，是评价一个流域或区域下垫面遭受破坏程度及修复程度的基础，其测验工作是沉积动力学研究和近岸工程的关键问题，也是水文观测中的一个重要的内容[1-3]。

传统式悬移质泥沙测验一般是通过过滤、烘干和称重等繁琐过程完成，虽然精度高，但是一方面耗费大量的人力、物力、财力，同时在水位较高流速较快时难以保证测验人员的安全；另一方面采样获得的是瞬时泥沙的浓度，在时间上无连续性，不能反映泥沙实时变化。

因此，随着国家最严格的水资源管理制度的强制实行，利用在线自动化设备实现悬移质泥沙的在线实时连续监测是今后悬沙测量的必然发展方向。

目前，国内外悬移质泥沙在线监测方法主要包括同位素放射法、声学法、振动式法与光学法，这些方法在技术成熟度、使用安全、建设成本与应用领域方面具有一定的差异。

一般而言，在中国华南地区，河流悬移质含沙量普遍较低(0.09～6.12 kg/m3)[4]，光学法在此类水体可以获得较高精度的测验结果。

基于红外光的泥沙在线测验技术已广泛应用于国内外不同水域的悬浮泥沙的监测中[1-2, 5-10]，针对光学测沙仪在不同水域使用过程中出现的差异性和局限性，目前也有大量研究报道。

Bunt等[11]指出，悬浮颗粒物的粒径的变化，粗糙度等都会造成光学测沙仪的测量误差，因此需要因地制宜的考虑水动力条件和泥沙粒径的变化情况。

张文祥等[1]对特定的河口、特定水域使用光学法测沙过程中发现标定方法也会对测量结果具有一定的影响。

Sutherland等认为，悬移质泥沙颜色的深浅也会影响到标定的结果[9]，因此，在特定的水体采用光学法测验悬移质泥沙过程中，必须对仪器测验值与实际测验值做线性关系分析，得到特定的标准关系曲线，方可进行悬沙的换算[12]。

虽然实现悬移质泥沙在线实时测验是水文应用的一个重点，但是目前国内的研究集中在不同水域率定一些关系、及其影响因素[1, 5, 7, 8, 12, 13]，以及不同方法在悬移质在线测量的探讨[14, 15]，极少具体分析长时间悬移质泥沙在线
监测系统的数据成果。

本文以高要站为典型案例，展示红外光学测沙法结合流量测算系统在华南地区的长时间实际监测中的应用。

研究内容包括对光学测沙仪侧散射和后散射两个探头的数据差异性的对比研究；观察悬移质泥沙与其他参数的关系，分析影响悬沙分布的因素；分析高要站的年度含沙量变化规律，包括实测含沙量和光学仪器观测的含沙量变化，为光学法悬移质泥沙在线监测在华南地区的推广应用提供一定的技术经验。

本系统选用的泥沙在线测量设备为光学测沙仪，它的核心是一个红外光学传感器。

光在水体中传输的过程中，由于介质作用会发生吸收和散射，根据散射信号接收角度的不同可分为透射，前向散射(散射角度小于90°)，90°散射和后向散射(散射角
度大于90°)。

泥沙传感器主要监测散射角为125°～170°之间的红外光散射信号，此间散射信号稳定，且红外辐射在水体中衰减率较高，太阳中的红外部分完全被水体所衰减，仪器的发射光束不会受到强干扰。

该测沙仪通过测量125°～170°范围的后散射和垂直90 °的侧面散射的光强度来测量水中的悬浮物质。

泥沙在线监测系统主要包括光学测沙仪、系统载体、泥沙数据处理与无线传输系统、在线监测智能管理平台等4个部分。

在线泥沙测量传感器实时实地测量水体的泥
沙含量，通过无线传输系统传输到在线监测智能管理平台，在平台进行数据的处理和显示。

光学测沙仪安装在河道中央，配置了90°侧散射和后散射双探头，可以对水体悬浮物作双重测量。

仪器每10 min显示一组测量数据，数据主要包括两个浊度浓度值在10 min共80次测量的中间值，平均值，最大值，最小值和标准差等。

监测的
数据通过泥沙测算系统传输至在线监测智能管理平台(拓泰水文水资源监测智能管
理平台)，可以随时进行数据的查看和导出。

在光学测沙仪上游处，安装在线流量
系统监测水体的水位、流量、流速等参数，本文使用的光学仪在线测沙数据从2015年5月15日至2016年5月31日，其中ADCP的流量数据从2015年7
月28日至2016年5月31日。

高要水文站位于西江中下游，是西江的控制站，集水面积351 535 km2，是国家
重要水文站。

该站上接广西梧州，下连广东珠三角经济区，防洪战略位置十分重要，水文监测和报汛任务很重。

高要站河段为沙质河床，断面河宽约1 000 m，平均
水深约13 m，中弘线附近河底高程为-7～-13 m之间。

实测历史最高水位13.62 m，实测历史最低水位-0.56 m，最大流量55 500 m3/s，最大流速3.73 m/s，
最大含沙量3.24 kg/m3，当水位低于3 m时，河道水流受潮汐影响明显。

在仪器安装水域(图1)，间隔利用2 000 mL横式采样器进行现场采样，其中采样
频率洪季较密，枯季较低。

采样使用固定一线垂线混合法(距起点330 m)，将采集水样静止沉淀7 d后置于烘箱在100℃～110℃温度中烘干，然后使用普通的1/1 000天平称量悬沙重量，计算得到水体的含沙量。

高要站的输沙率和单沙测验，
都能按含沙量变化情况掌握测次，基本能监控含沙量变化过程。

采样时间持续1
a(2015年5月17日至2016年5月30日)。

2.3.1 光学测沙仪测验值与人工实测值相关性分析
从图2可以看出，在高要站，光学测沙仪侧散射测量值和后散射测量值跟含沙量
的相关系数(R2)均较高，说明两个探头都可以如实反映水体中悬沙的含量。

其中，侧散射测量值跟含沙量的相关性更高(R2=0.969 5，n=113)，而后散射值在此水
域对含沙量的计算相对误差会更大(R2=0.849，n=113)。

对比说明在高要站这个
特定水域，侧散射探头的表现性更好，可以直接采用侧散射平均值来计算含沙量的变化。

2.3.2 含沙量年际变化
从实测含沙量的年变化(图3)来看，高要水文站全年的含沙量变幅从0.004～0.496 kg/m3，年平均含沙量为0.102 kg/m3。

含沙量具有明显的月份变化差异。

从1
a的监测数据来观察，1月具有一个小高峰，随后从4月起，含沙量开始上升并在
5、6月迎来一年中最大的含沙量峰值，最后在10、11月具有第二个含沙量峰值，其他的月份含沙量会一直维持在一个较低的水平。

从光学测沙仪测量数据中，无论是侧散射测量值或是后散射处测量值，仪器含沙量测量值变化趋势均与实测数据非常吻合，说明光学测沙仪的2个探头都满足长时间反映连续悬移质泥沙含量变化
趋势的需求，且能够反映河流泥沙含量的细微的波动水平。

值得注意的是，在高要站的具体水文条件下，相对于后散射探头，侧散射探头不仅率定关系较好，而且原始数据的突变值也相对较少。

2.3.3 泥沙在线监测系统的扩展应用
在水文监测调查中，泥沙和流量的监测都是水文工作者的监测重点。

泥沙在线监测系统可以接入流量在线监测系统数据，实现河流实时的输沙率动态监测的功能。

在高要站中，结合ADCP流量在线监测系统数据和红外泥沙在线监测系统数据，在
智能管理平台进行简单的公式的嵌入，将得到输沙率的在线监测数据，各参数的过程线见图4。

图4主要反映了2个方面的内容：一方面揭示水位，平均流速和输
沙率的变化趋势；另一方面是水位、输沙率和仪器侧散射测量值之间的相关关系。

从图4a中可以看出，水位、平均流速和输沙率的变化相一致，水位、平均流速与输沙率成显著正相关(P< 0.05)，其中水位、平均流速的急速变化会带来输沙率的
骤变。

从图4b、c中可以观察到，侧散射测量值的变化跟水位，输沙率的变化相
一致，说明悬浮泥沙的变化跟水位、输沙率和平均流速的变化关系紧密。

可以明显观察到，水位或是流量的变化越剧烈引起的含沙量的变化幅度会更大。

光学测沙仪在高要站泥沙在线监测过程中结果显示侧散射值与实测含沙量相关系数0.965 9(R2)，高于后散射值(0.849)，总体上侧散射探头数据更适合运用于此站位的泥沙监测中，这与前人研究结果相一致[1, 8, 10, 12]。

造成后散射的率定结果较差的原因是两个探头的适用性决定的。

仪器的设计上，后散射探头主要适用于测量高浊度水域的泥沙含量，而侧散射探头适用于低含沙量的水域。

从图3数据也可
以看出，后散射探头均可以很好的捕捉到含沙量的峰值变化，特别是高于0.3
kg/m3的变化，而侧散射探头在低于0.3 kg/m3与实测吻合度更好。

可以合理推断，若此系统运用于高含沙量的水域，可能后散射有更好的表现。

从实测数据和其他研究中可知，西江的含沙量从上游大渡口站到下游高要站含沙量会降低，高要站的年含沙量低于0.5 kg/m3 [16]，跟本文监测一致，属于含沙量较低站位，因此
侧散射浊度探头会具有更好的表现性。

值得提出的是，虽然在绝对的精度上面，侧散射的探头表现更好，但是两个探头在长时间的监测中均能反映泥沙的年度变化趋势(图3)。

河流含沙量的浓度的月变化都是一种较为剧烈、短暂变化(表1)，这可能归因于降
雨带来的短期影响。

在同一个月份，最高含沙量浓度能达到平时的数倍，比如2015年5月峰值的含沙量浓度可以达到平时的3～7倍，全年最高含沙量是最低
的124倍。

含沙量的短期快速变化表明实测采样仅需要在流量变化较大的时候进
行密集采样就能获得较好的代表性，特别对于高要站这种具有历史水文数据的站点。

但是由于人工采样时间一般较为固定，难以捕捉到泥沙浓度变化的转折点和起止点。

值得指出的是，含沙量的浓度变化并不能代表全年的输沙率的变化，必须结合流量的变化作具体讨论分析，这跟多年的平均情况有所差异[18]。

从高要站1 a的数据分析可以看出，泥沙在线监测系统在实际的应用中，具有实时实地提供连续数据，属于一种较为方便、有效和可靠的泥沙测量方法，主要的优点有以下3点。

其一数据可靠：从图2的率定结果可以知道，测沙仪与实际水体的
含沙量的相关性好，也就是仪器测量值的数据可以较为精确的转化为含沙量的浓度变化。

同时图3和表1的长时间变化趋势看来，长时间的监测中，泥沙在线监测
系统可以精确的反映含沙量的年际变化趋势。

其二数据的连续性给水文工作者提供更多的细节信息：以2015年5月和2016年5月这两年的同月份为例(图5)，光
学测沙仪侧散射和后散射的测量值计算得到的含沙量的变化跟实测含沙量的变化基
本吻合。

虽然实测的数据也基本可以捕捉到含沙量的趋势变化情况，但是取样次数依旧限制了更多的细节展示，如2015年5月23—25日之间的转折的变化。

偶尔取样的时期偏差甚至会缺失掉较重要的峰值变化，如2016年5月23日的峰值损失，而这些在泥沙在线监测系统中不会发生，同时10 min一组密集数据使得仪器的突变减低了对数据整体的影响。

其三使用安全方便，时效性强：仪器安装成功后，数据实时采集实时上传，数据有保障，且时效性好。

泥沙在线监测系统对数据的采集是24 h全天候，可以覆盖到恶劣水文条件下的泥沙含量情况。

从高要站的实际应用中，可以发现泥沙在线测量系统是一种有效、安全、方便和可靠的悬沙在线观测系统，但考虑到系统组成设备监测范围的限制，泥沙在线监测系统的比较适合应用于以下水域：①泥沙含量浓度较低的流域(0～6 kg/m3)；②流
域的横断面悬沙分布较为稳定，具有良好的单沙和断沙关系；③流域本身的环境条件较好，比如在存在干涸和结冰的流域的监测会受到限制。

同时，考虑到泥沙在线监测系统的人工率定的要求，水体的盐度高低、泥沙粒径分布特征、泥沙颜色都是限制系统应用的条件，安装泥沙在线监测系统前的前提资料调研也是必不可少的。

在1 a中，泥沙在线监测系统总共采集到了50 572组数据，数据连续不间断，系统方便可靠。

光学测沙仪在含沙量较低(小于0.5 kg/m3)的高要站监测过程中，设备的两个探头都可以表现含沙量的变化趋势。

但总体而言，测沙仪侧散射探头比后散射探头率定精度更高，因此能更好反映含沙量绝对浓度变化。

这个主要是由仪器的探头的适用性决定的，进行高含沙量的水体中的实例分析才能提供更加全面应用情况。

从高要站的实际应用中，可以总结红外光技术的泥沙在线监测系统是一种有效、安全、方便和可靠的悬沙在线观测系统，在实地运用中具有很多优点，具有很强的实地运用前景，可以给其他类似的水域系统的使用提供有益的参考。

泥沙在线监测系统使用也是具有一定的局限性，一是利用实测的人工含沙量来进行
数据的率定，用率定曲线来进行浊度值跟含沙量的转换，因此会受到盐度、泥沙粒径、泥沙颜色和泥沙含量的影响；二是光学测沙仪的探头适用性具有水域特异性，在悬沙含量浓度高低不同的水域有所差异，侧散射和后散射探头的数据的科学结合会是以后实际应用的研究重点。

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