悬移质含沙量及流量同步实时监测系统研究

悬移质含沙量及流量同步实时监测系统研究

梁树栋杨志斌

梁树栋杨志斌

广东省水文局佛山水文分局广东佛山528000

摘要：本文简要介绍通过耦合OBS泥沙测量仪及H-ADCP，并利用GPRS及互联网技术，构建悬移质含沙量及流量同步实时监测系统。该系统在马口水文站试运行结果表明，其泥沙与流量测验能达到一定的精度，符合规范需求，而且实现了实时自动测验。相比传统的泥沙与流量的测验方式，该监测系统省去了大量的人力且提高了测验的安全性，是实现水文测验现代化的途径之一。

关键词：OBS；H-ADCP；含沙量；流量；监测系统

ResearchonSynchronousReal-timeSedimentandDischargeMeasurementSystem

LIANGShudong，YANGZhibin，LIANGJihe

（HydrologicBureauofGuangdongFoshanbranch，Foshan528000，China）

Abstract：Thispaperintroduceasynchronousreal-timesedimentanddischargemeasurementsystemwhichis

builtbycouplingOBS（Opticalbackscatterpointsensor）andH-ADCP，aswellasutilizingGPRSand

internettechnology.TestrunsatMakouhydrologicstationshowsthemeasurementssatisfiesadefinite

precision，complywiththespecificationanditalsoachievethegoalofreal-timeautomaticmeasurement.

Comparedtotraditionalsedimentanddischargemeasuringmethod，thesystemnotonlysaveahugeamount

ofmanpowerbutalsoimprovesecurityandstability.Itisoneofthewaystomodernizehydrometry.

Keywords：OBS；H-ADCP；sediment；discharge；measurementsystem

流量和泥沙测验是水文水资源监测最核心的测验内容之一，其资料在水文预报、水土保持、水利工程建设及运行管理方面具有重要作用。流量和泥沙测验是水文站最基础且劳动强度和风险最大的工作之一[1]。目前我国绝大多数水文站使用流速面积法测量流量，使用的仪器主要是转子式流速仪和声学流速仪，其中声学多普勒剖面流速仪，即ADCP已经逐渐在水文上推广使用。ADCP的使用范围很大，可固定测量（H-ADCP），也可用于船测、巡测（走航式ADCP），测量自动化程度很高，是自动测速测流的先进设备[2]。国内泥沙测验主要采用人工采样称重法，采用的仪器主要有瞬时式采样器或积时式采样器。此类方法不能直接测得含沙量，烘干、称重处理时间长，操作过程繁琐且耗费大量人力。相对于流量测验，泥沙测验的自动化测验仍处于研究试用阶段。王辉利用γ射线透过泥沙溶液后强度发生衰减的规律研发了一套径流泥沙含量与流量动态测量系统[3]。雷廷武研制了近红外反射高含量泥沙传感器，并应用于黄河、渭河和天水的泥沙测量[4]。胡向阳借助B超仪和三维定位行走控制平台构建了一个含沙量及其垂线分布的分析与测量系统[5]。但由于水文环境复杂多样，仪器测量环境要求高，目前还没有泥沙自动测验系统成功地在水文站上正式应用。

佛山水文分局通过耦合OBS泥沙测量仪及H-ADCP，并利用GPRS及互联网技术，构建了悬移质含沙量及流量同步实时监测系统。该监测系统安装难度低，测量范围广，耗能低且配套使用太阳能实现能源自产自足，可满足复杂的水文环境和位置偏僻水文站的遥测需求；实现了流量和含沙量的实时、动态测量，测量精度满足规范需求，可替代定线推算的流量资料。数据获取快捷方便，系统界面友好，使用网页浏览，无需安装软件，适合多用户同时访问，并且可在线处理及输出数据和图表。本文对该监测系统的基本结构、原理、功能以及在马口水文站的应用情况做一些简单介绍。

1测量原理

1.1泥沙测验原理

悬移质含沙量及流量同步实时监测系统的泥沙测量原理是利用红外光照射水体时，红外光受水体含沙量的影响被吸收和散射而衰减，使其只有部分光可以透射过水体，可以表示为：入射光=透射光+散射+吸收。其中，散射光的强度与入射光强度以及悬浮泥沙含量有关，根据混合沙散射消光定律[6]：

式中，——散射光和入射光的通量；K——消光系数；L——光在水体中的传播距离；——泥沙容重，C——泥沙含量；d——泥沙中数粒径。

该定律建立了含沙量与散射光通量的函数关系，对于给定的仪器，测量散射光通量即可通过相关关系得到含沙量。

1.2流量测验原理

ADCP目前已经是一套很成熟的流量测验设备，其利用多普勒效应，测出水流中的泥沙、气泡等漂浮物反射回来各测点发生多普勒频移的反射波，从而得到各测点的流速。本文监测系统使用的是H-ADCP，利用其测得断面代表水层的流速分布，建立代表水层流速与断面平均流速的相关关系，从而得到断面平均流速，再查算水位—面积关系得到断面面积，从而计算得到流量。

2系统基本结构

悬移质含沙量及流量同步实时监测系统按功能划分成测量模块、数据采集及传输模块、数据存储、分析及输出模块、能源模块共4个，4个模块相互协调从而保证系统正常运行，见图1。

2.1测量模块

测量模块是整个监测系统的核心部分，由泥沙含量自动测量与流量自动测量两部分组成。测量模块的仪器主要有OBS泥沙测量仪及H-ADCP，两个仪器的探头均安装在水下与水体直接接触。H-ADCP和OBS泥沙测量仪分别发射声脉冲波与红外光，并通过河流水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等悬疑质反射或散射，再被传感器接收，转化为电信号传输到终端机。根据声脉冲波的频移与流速的关系、红外光的散射光强度与泥沙含量的关系求出流量和泥沙含量。

2.2数据采集及传输模块

监测系统的数据采集功能整合到CR800终端机（RTU）中，该终端机可以实时采集OBS和H-ADCP的数据并储存，再由传输模块通过GPRS传送至服务器。GPRS传输速度快、稳定性好且运行维护便捷，因而目前在水文遥测中广泛应用。

2.3分析及输出模块

水文数据通过GPRS传输到远程服务器，远程服务器对原始数据进行整理，并根据设定好的参数和方案进行计算，再将结果登入网络平台。用户电脑可通过互联网直接登陆网络平台查询或输出监测系统的运行情况和测量结果。针对不同用户设置了不同权限级别，管理员可对系统参数进行修改，而普通用户只能进行查询访问。

图1监测系统基本机构

2.4能源模块

水文监控点大部分处于野外，实现能源自产自足是无人值守遥测设备正常工作的保证。本文监控系统除了分析及输出模块外，均处于野外，其中主要耗能的有OBS、H-ADCP和RTU。OBS及H-ADCP的最大工作电流为200mA，休眠时为满足仪器的正常工作时的耗电，安装了40W太阳能板2块以及200Ah蓄电池1个，并设置了充电控制器。

3应用状况

从2016年底开始，该套监测系统在马口水文站进行安装并比测试验。马口水文站位于西北江三角洲河口区顶端，是西江干流水道的主要控制站。马口水文站枯水期大部分时间每天有负流；在较大洪水时，潮汐现象消失。选取2016年11月30日至12月1日、12月28日至30日2个大潮期进行马口站枯水期比测率定，含沙量、流量比测资料相关图见图2、图3。

按照《感潮水文测验规范》及《河流悬疑质泥沙测验规范》，关系曲线的精度指标采用随机不确定度及系统误差。一类精度水文站流量随机不确定度不应大于10%，条件不具备时可放宽至13%，系统误差不大于±2%；悬疑质泥沙不确定度不大于18%，系统误差不大于±2%。马口站为一类精度水文站，如表1比测统计分析结果表明，OBS及H-ADCP的比测结果均符合规范精度要求，并且率定的关系曲线通过了3种检验。

将率定的参数运用于监测系统平台，平台将在后台将测量模块返回的数据进行计算，得到流量及含沙量结果，如图4为2017年1月1日~10日的逐时流量、含沙量测量结果。结果表明，该套系统能准确监测马口水文站潮流量变化以及泥沙含量变化过程。

图4流量、含沙量在线监测结果

4结语

佛山水文分局经过积极探索试验，研究出一套流量泥沙同步实时监测系统，并积累了实践经验。该套系统设备集光学技术、声学技术、通讯技术、电子技术及计算机网络技术于一身，且安装难度低，环境适应力强，测量精度符合规范要求，可满足复杂的水文环境和偏僻水文站的遥测需求，为实现水文巡测及水文信息化提供便利。但该系统目前仅在马口站进行过实际使用，且使用时间不长，其测验精度、测验范围仍需进一步验证。

参考文献：

[1]梁才贵.广西悬移质泥沙测验模式改革思路探讨[J].广西水利水电，2009，（2）：28-31.

[2]林祚顶，朱春龙，余达征，等.水文现代化与水文新技术[M].北京：中国水利水电出版社，2012：27-29.

[3]王辉，雷廷武，赵军，等.LTW-1型径流泥沙含量与流量动态测量系统研究[J].水土保持通报，2003，23（2）：43-45.

[4]雷廷武，张宜清，赵军，等.近红外反射高含量泥沙传感器研制[J].农业工程学报，2013，29（7）：51-57.

[5]胡向阳，许明，邹先坚，等.B超在含沙量及其垂线分布测量中的首次应用[J].长江科学学院院报，2014，31（2）：12-15.

[6]王娅娜，蔡辉，马洪蛟，等.红外实时测沙仪研制及其应用[J].海洋工程，2007，25（3）：132-135.