OBS-3A浊度仪在含沙量测验中的应用分析

邓　才　　竺红阳

(长江水利委员会水文局 长江中游水文水资源勘测局，湖北 武汉　420012)



OBS-3A浊度仪在含沙量测验中的应用分析

邓才竺红阳

(长江水利委员会水文局 长江中游水文水资源勘测局，湖北 武汉420012)

摘要：通过水文缆道对测验垂线及测点准确定位，OBS-3A浊度仪和横式采样器便可在同一位置同步测验。利用采集测点的含沙量与相应浊度值，建立两者的相关关系。分析影响浊度值变化的主要原因，基于OBS实测浊度值，推求含沙量的测验成果是否满足精度要求。研究表明，OBS-3A浓度仪可快速确定天然水体中的含沙量，且精度较高，具有一定的推广应用价值。

关键词：水文监测；OBS浊度仪;浊度;含沙量;比测

悬移质泥沙含量的测量是水文要素观测中一项极其重要的内容。自三峡大坝蓄水以来，下游河段悬移质泥沙明显偏少，经统计自治局(三)站2003～2013年资料，多年平均含沙量为0.154 kg/m3，最大含沙量为1.15 kg/m3，未超过5 kg/m3。研究表明，在水体泥沙含量小于5 kg/m3时，浑浊度与含沙量能得到较为理想的线性回归关系。为探寻相应关系，长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局(以下简称“长江委水文中游局”)特选择在自治局(三)站开展比测研究工作，分析建立线性方程，根据方程推算含沙量，然后对比实测含沙量进行误差分析，以检验是否满足测验精度要求。

1　测站概况

自治局(三)站为西洞庭湖水系，为控制松滋河(中支)入洞庭湖的基本站。该站为二类精度流量站、二类泥沙站，采用水文缆道施测流量和含沙量。断面平均含沙量采用单-断沙关系曲线系数推求。悬移质含沙量测验采用横式采样器取样， 单位含沙量按2线1∶1垂线混合法取样。2线分开处理，用算术平均法计算。

松滋河经松滋口汇入洞庭湖前为东、西2支，在瓦窑河水位站下游汇合后又分为东、中、西3支，其中流经官垸站为西支，流经自治局(三)站为中支，流经大湖口站为东支，以长江来水来沙为主。

2　实验比测及在站比测

光学后向散射浊度计(Optical Back Scattering，OBS)是一种光学测量仪器,通过接收红外辐射光的散射量监测悬浮物质。依据相关分析,建立水体浊度与泥沙浓度的相关关系,进行浊度与泥沙浓度的转换,得到泥沙含量[1-2]。该法操作简单,能够快速、实时、连续测量。针对含沙量测量，本文将OBS-3A浊度仪推算含沙量与实测含沙量对比进行误差分析，检验是否满足测验精度要求。

OBS-3A浊度仪和横式采样器均安装在水文缆道铅鱼上方并始终保持在同一水平线上，通过U型比测架固定和平衡。OBS-3A浊度仪测验数据采集与横式采样器取样同步进行。仪器到达采样位置后，水中停留3 min，再记录测点的数据采集时间，将数据提取记录时间后1 min的1个数据(此数据是连续20 s测量20次的平均值)作为该点的浊度值，在此开启仪器数据采集的同时，横式采样器取样。然后将仪器依次定位于垂线各测点，在每个采样点至少停留80 s以上，保证采集到完整可靠的数据，做好有关测验项目的记录。

自2013年5月起至10月止，自治局(三)站共开展比测实验53次。实验期间测站实测含沙量为0.020～0.924 kg/m3，2013年测站最大含沙量为0.924 kg/m3，实验基本涵盖全年含沙量变幅，比测含沙量级分布均匀，代表性较强。

3　比测资料分析

水体浑浊度主要取决于水体悬移质泥沙浓度，其次是悬沙粒径大小，同时还与颗粒形状、表面的反射性能、水生生物、水沙颜色和气泡等因素有关。

浊度T与含沙量Cw、颗粒比表面积S0的关系如下

(1)

式中，n、a、b均为经验系数。

考虑到自三峡大坝蓄水清水下泄以来，长江中下游河道含沙量明显减小。从自治局(三)站2003～2013年的泥沙颗粒分析资料来看，来沙组成以泥质颗粒为主。每年来沙特征较为稳定，多年平均中数粒径为0.007 mm，最大中数粒径为0.038 mm，年际、年内悬沙粒径变化较小。同时，自治局(三)站测验断面水下地形基本稳定，河底高程年际无较大变动，这使得自治局(三)站含沙量与浊度值存在较为稳定的相关关系。

2013年6月9日至8月16日，由于自治局(三)站未测验泥沙颗分，故测验时段参照具有相同特质的官垸站颗分资料进行判断分析。X轴表示含沙量，Y轴表示中数粒径(D50)，Z轴表示浊度值，发现中数粒径(D50)在0.005～0.015 mm变化，主要集中在0.007～0.009 mm,范围详见图1。

图1　比测过程各颗粒粒径浊度和含沙量关系

3.1固定垂线单测点分析

如图2所示， 2013年6月9日至8月16日，自治局(三)站起点距170 m、相对水深位置0.2处的含沙量与浊度值随时间的变化过程基本一致，当含沙量增大时浊度值增大，当含沙量减小时浊度值减少，当含沙量达到峰值时浊度值也达到峰值，且含沙量与浊度值变化幅度基本一致。对含沙量与其相应浊度值进行拟合发现，浊度值与含沙量成单一的线性关系，相关系数R2=0.997 6，详见图2。

图2　含沙量-浊度值变化过程(170-0.2)

分析其他垂线和测点均得到上述结论，含沙量与浊度值随时间的变化过程基本一致，含沙量与浊度值成线性相关关系(详见图3～9)。对起点距170 m相对水深0.2与相对水深0.8处、起点距305 m相对水深0.2与相对水深0.8处每点进行相关分析和三线检验，其结果见表1。

图3　含沙量-浊度值相关关系(170-0.2)

图4　含沙量-浊度值变化过程(170-0.8)

图5　含沙量-浊度值相关关系(170-0.8)

图6　含沙量-浊度值变化过程(305-0.2)

图7　含沙量-浊度值相关关系(305-0.2)

图8　含沙量-浊度值变化过程(305-0.8)

图9　含沙量-浊度值相关关系(305-0.8)

3.2相同水深测点混合分析

将起点距170 m与305 m的相对水深0.2处合并为0.2系列，起点距170 m与305 m相对水深0.8处合并为0.8系列，对两个系列数据进行相关分析和三线检验，其结果见表2。

表1　固定垂线单测点相关分析和三线检验结果

表2　系列相关分析和三线检验结果

3.3所有测点混合分析

将所有比测点组成一个系列，并进行相关分析和三线检验后发现：比测数据出现连偏，离散程度大，致使符号检验、适线检验、标准差大于允许值，相对水深0.2与0.8处比测点呈不同系列，其相关关系见图10与图11。

图10　含沙量-浊度值相关关系(0.2系列)

图11　含沙量-浊度值相关关系(0.8系列)

对实测水样中相对水深0.2处泥沙与相对水深0.8处泥沙进行分开处理后发现，单次测验中单样泥沙均以泥质细沙为主，悬沙粒径变化幅度不大，相对水深0.8处泥沙水样与相对水深0.2处泥沙水样不同之处是含有小部分大颗粒黑沙。由于颗粒的大小和黑沙具有吸收红外光的特性，使相对水深0.2处和相对水深0.8处含沙量与浊度值相应关系略有不同。在浊度值相同的情况下，颗粒粒径大的对应的含沙量较大，颗粒粒径小的对应的含沙量较小。

自治局(三)站测验断面垂向分布上受水流挟沙能力的影响有明显变化，上层水样含沙量粒径小、下层水样含沙量粒径大。在测点混合分析时，OBS测得浊度值与含沙量不呈单值关系。

4　来沙过程模拟及相对误差

鉴于自治局(三)站悬移质含沙量粒径年际、年内变化较小，断面横向上悬沙粒径分布比较均匀，OBS值与含沙量可分层建立含沙量(YSSC)与浊度值(XNTU)相关关系，线性方程形式如下[3]

YSSC=k×XNTU+t

(2)

式中，Y为含沙量,kg/m3;X为浊度值,NTU;k、t为常数。相对测点相对水深0.2处方程为YSSC(0.2)=0.001 770XNTU-0.041 14，相对测点相对水深0.8处方程为YSSC(0.8)=0.001 816XNTU-0.033 40。以2013年为例，实测含沙量与OBS推算含沙量见图12。

图12　实测含沙量与相应含沙量过程比较

悬沙浓度计算值与实测值之间的平均相对误差可用下式计算

(3)

式中，Er是平均相对误差；Cc、Cm是计算和实测的悬沙浓度，mg/L;N是数据个数。

自治局(三)站单次测验实测断面含沙量与拟合计算的单次含沙量相对误差见图13。

图13　单次测验实测含沙量与相应含沙量相对误差

经计算，全部实验测次的推算含沙量与实测含沙量的平均相对误差为11.41%。测验误差主要来自含沙量小于0.1 kg/m3的测次。统计大于0.1 kg/m3测

次的系统误差为3.9%，相对误差小于10%的累计频率为95.2%。从以上实验结果来看，当含沙量大于0.1 kg/m3时，OBS测验精度较高，可以投入使用。当含沙量小于0.1 kg/m3时，测验相对误差较大，但绝对误差很小。如6月9日，实测断面含沙量为0.064 kg/m3，拟合计算含沙量为0.039 kg/m3，实测值与拟合值之差为0.025 kg/m3，相对误差为38.97%。从计算年输沙量来看，不会对年输沙总量造成影响。

5　结　论

(1) OBS-3A浊度仪能较好应用于监测沙峰，合理布置泥沙测验测次，控制含沙量变化过程，对水文泥沙测验的准确收集具有重要指导意义。

(2) 经OBS-3A浊度仪测验，河道横向悬沙粒径分布比较均匀，垂向分布受水流挟沙能力的影响，针对上层水样含沙量粒径小、下层水样含沙量粒径大的测站，可按照不同的水深分层拟合浊度值与含沙量相关关系。

(3) 在水体泥沙含量大于0.1 kg/m3而小于1.00 kg/m3时，通过OBS-3A浊度仪可得到较为理想的线性回归关系，悬移质含沙量测验精度较高。

参考文献：

[1]玉珏，徐骏.OBS-3A在悬移质含沙量测验中的应用研究[J].人民长江，2015,46(18)：56-58.

[2]徐剑秋，吴良冰，王涛，等. OBS-3A 在线监测的方法与实践研究[J].泥沙研究，2008,25(2)：28-31.

[3]张文祥，杨世伦.OBS 浊度标定与悬沙浓度误差分析[J].海洋技术，2008,27(4)：5-8.

(编辑：朱晓红)

收稿日期：2016-05-15

作者简介：邓才，男，长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，助理工程师.

文章编号：1006-0081(2016)07-0004-04

中图法分类号：P332.3

文献标志码：A