光电测沙仪在农村渠道测验中的应用研究

作者: 郭佳静 郭佳进 郝帅杰

光电测沙仪在农村渠道测验中的应用研究0

摘 要:黄河具有含沙量高、流速大等特性。含沙量是黄河水文测验的重要组成部分及综合治理关键部分。近年来,随着黄河水文测报能力提升的推进,对悬移质含沙量实时在线监测提出了更高要求。HHSW·NUG-1型光电测沙仪的研发应用,更能快速、实时、准确地反映水流的含沙量情况。但我国广大农村地区分布着较多渠道,其悬移质含沙量测验还采用传统的人工测验模式,亟须在保障测验精度的前提下实现实时在线监测,从而节省人力、物力,提高测验安全性。选取当下先进的HHSW·NUG-1型光电测沙仪,以河南省三门峡市卢氏县城关镇大桥头村洛北渠为例,探索光电测沙仪在农村渠道测验中的应用。

关键词:光电测沙仪;农村渠道测验;应用研究

中图分类号:P335 文献标志码:A 文章编号:1674-7909(2024)14-148-4

DOI:10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.14.033

0 引言

近年来,随着水文行业测报能力提升工作的推进,对悬移质含沙量实时在线监测提出了更高要求。HHSW·NUG-1型光电测沙仪的研发应用,更能快速、实时、准确地反映水流的含沙情况。但在我国广大农村,分布着较多渠道,其悬移质含沙量测验还采用传统的人工测验模式,亟须在保障测验精度的前提下实现实时在线监测,从而节省人力、物力,提高测验安全性。选取当下先进的HHSW·NUG-1型光电测沙仪,以河南省三门峡市卢氏县城关镇大桥头村洛北渠为例,探索光电测沙仪在农村渠道测验中的应用。

1 HHSW·NUG-1型光电测沙仪概况

1.1 研究背景

HHSW·NUG-1型光电测沙仪由黄河水利委员会河南水文水资源局研发,采用光学散射的原理,与传统的光学采用消光定律不同。该测沙仪就含沙量高、流速大的情况,设计了特殊硬件,分析了算法,突破了传统意义上的光学测沙的适应流速、测沙量程应用范围,实验室中测试量程为0~730 kg/m3,应用范围满足水文测验及在线监测的需求。该仪器在黄河花园口、夹河滩、小浪底等水文站已经批复应用,仪器工作稳定,未出现故障。

我国广大农村地区分布着较多渠道,其悬移质含沙量测验还采用传统的人工测验模式,亟须在保障测验精度的前提下引进实时在线监测测沙仪,从而节省人力、物力,提高测验安全性。

1.2 工作原理

HHSW·NUG-1型光电测沙仪采用散射光式测量法,利用固体颗粒阻拦光线通过数量的差异,通过检测与入射光多个角度的散射光强度,利用光强度与含沙量之间的相关关系,建立核心算法模型,由此计算得到含沙量数据。该仪器采用散射光(前向散射+背向散射)+透射光组合检测的方式对国内部分流域河流泥沙特性进行了研究分析,重点对黄河泥沙的水样做了多年的试验应用研究,并进行了标定;特别针对高含沙量、大流速的应用环境特性,对核心光电组件、采样控制模组等硬件上进行了特殊研制,采用高速脉冲式多检测器相互校验的采样机制,在核心算法模型上进行重点研究,突破了传统意义上的光学测沙对流速、量程要求的局限性,可以实现常年在线连续监测,监测数据稳定且精度高。

1.3 仪器组成

1.3.1 主机

HHSW·NUG-1型光电测沙仪主机外观如图1所示。该主机外壳采用304不锈钢防护,具备耐腐蚀性、高可靠性、高抗干扰性。

1.3.2 数据采集及通信终端

HHSW·NUG-1型光电测沙仪包括数据采集及通信终端。数据采集及通信终端可以定时采集、备份数据,具备数据直连、4G/5G网络、北斗卫星、数传电台等多种传输方式[1]。

1.4 仪器参数

仪器供电:DC12V,太阳能板、市电均可供电;探头使用温度:0~50 ℃;工作水深:20 m,超范围可根据水深定制;测沙范围:0.001~730 kg/m3;系统误差<±1%;随机误差<±10%;标准差<5%;随机不确定度<10%;信号馈线长度:100 m;采样周期:市电供电设置为1~3 s,太阳能供电设置≥10 s;记录周期:自定义设置,洪水期建议6 min;传感器外部材质:不锈钢;推荐转换系数:1.563 4,应用时可根据需要调整;功耗:整机≤150 mA;预热时间:10 s。

1.5 承载平台

承载平台分3种。第一种是柱体安装类型,这种平台主要安装在桥梁等入水柱体上,通过自动升降系统,能够随着水位的变化实现自动升降,特别适用在水位变化幅度较大的水体上。第二种是铅鱼承载类型,这种平台安装在栈桥、缆道的铅鱼上。第三种是浮标式安装类型,这种类型选用专用浮标进行安装,适宜流速小、漂浮物少的水流环境,能够随着水位的涨落自动升降,且投资较少。在农村渠道中,第三种浮标式安装类型更为常用,因为其方便简洁,如图2所示。

2 洛北渠概况

2.1 洛北渠基本情况

洛北渠位于河南省三门峡市卢氏县城关镇大桥头村,处于东经111°04′,北纬34°03′,矗于黄河支流洛河上。该观测断面在卢氏县龙山路与迎宾路交叉口,距离渠首约12 km,距离渠尾约9 km。

洛北渠建于1976年1月,为洛河两岸34 000 hm2农田灌溉、火电站发电供水和其他公益性用水提供服务,对当地的农业增收和地方经济发展做出巨大贡献。

2.2 气候特征

洛北渠属伊洛河流域,位于暖温带山地季风气候带,低空盛行风向和相应的盛行气团会因季节的转换,导致冬天干燥寒冷,夏天多雨炎热。每年6月之后夏季风逐渐活动,同时南方的暖湿空气不断北上,与冷空气汇合,于是每年6月至9月此处会出现暴雨、大暴雨等情况。每年9月之后夏季风逐渐南散,加上受来自西北冷高压控制,降雨较少,步入枯水期。

2.3 河道及水沙特性

洛北渠为梯形渠道,渠道宽11.9 m,深2.42 m,渠底宽7.2 m。渠底、渠壁为混凝土。试验点来沙主要取决于上游,水流速度大,渠内不会发生泥沙淤积现象,由于测验断面地处县城城区,渠道常年有生活垃圾,造成断面冲淤变化大。洛河上游来水部分水量经洛北渠道排向下游。

3 测验方案

3.1 技术要求

根据《河流悬移质泥沙测验规范》(GB/T 50159—2015)第2.3.7第1款的规定,在采用测沙仪进行测验时,应遵循以下步骤:使用仪器前,应对其进行精确率定,并建立工作模型,确保符合相关技术要求[2]。

3.2 野外试验

在野外试验中,专业人员在室内试验提供的转换系数参考值基础上,率定出一个更符合观测站实际且精度更高的转换系数,从而形成一个稳定可靠的工作模型。

仪器安装:将光电测沙仪安装在洛北渠距离渠首约12 km的观测断面上。试验时,采用浮标安装光电测沙仪,在有沙时段,要求仪器能够连续工作。

人工取样:采用1 000 mL横式采样器,悬杆悬挂,在光电测沙仪探头入水位置取样,为减小泥沙脉动的影响,每次取样不少于2次,取样容积误差不超过10%。

标准值:以1 000 mL横式采样器测得的含沙量作为标准值。

人工取样泥沙处理:根据含沙量的大小及泥沙净重,选择置换法或烘干法处理,此次比测全部采用置换法。所用仪器主要为0.001 g感量的电子天平、不同容积的比重瓶等[3]。

4 试验及分析

4.1 试验情况

2024年7月至8月进行试验,将光电测沙仪安装在洛北渠断面,3台仪器测得含沙量为1.00~4.90 kg/m3。在试验过程中,每次均按照要求进行5次人工取样,随后采用置换法对这些样本进行含沙量的分析计算,并将所得结果与测沙仪提供的数据进行对比分析。

考虑到人工取样与光电测沙仪取样在时间点上会存在微小差异,这可能会导致两者所测得的含沙量数据存在较大的偏差。在含沙量变化相对平缓的时间段内,取样的分布点相对较多;而在含沙量变化剧烈的时间段内,取样的分布点则相对较少。

4.2 分析方法

点—点相关分析,即利用光电测沙仪工作位置点的测量成果,以及在同一点位处的人工取样测量成果,建立二者之间的相关关系,拟合出最优相关关系式,以率定光电测沙仪的转化系数[4]。

以光电测沙仪测得含沙量(原始值)为横坐标(x轴),以人工取样测得含沙量为纵坐标(y轴),绘制关系图。添加趋势线,类型选择“线性”或“多项式”,截距设为0.0,显示公式和R2。

R2是趋势线拟合程度的指标,也是相关系数,其数值大小可反映趋势线的估计值与对应的实际数据之间的拟合程度,拟合程度越高,趋势线的可靠性就越高。R2的取值范围为0~1,当趋势线的R2等于1时,其相关性最高,如图3所示。

4.3 关系线检验及误差统计指标

《水文资料整编规范》(SL/T 247—2020)规定,对率定的关系线应通过3项检验(符号检验、适线检验、偏离数值检验)。系统误差、标准差、随机不确定度要符合《水文资料整编规范》的规定[5],如表1所示。

5 结论与建议

5.1 结论

此次试验研究HHSW·NUG-1型光电测沙仪的范围为1.00~4.90 kg/m3,经比测,标准值含沙量在1.00~4.90 kg/m3时,洛北渠其内置转换系数为1.586 4,可满足在该范围内的测验及在线监测的需求。

经统计分析,该仪器系统误差小于±3%,符合《水文仪器基本参数及通用技术条件》(GB∕T 15966—2017)和《河流悬移质泥沙测验规范》的要求;随机不确定度小于20%,满足《水文资料整编规范》中单~断沙关系线定线的相关规定,并通过适线检验、符号检验、偏离数值检验。

HHSW·NUG-1型光电测沙仪在观测精度、稳定性、在线监测、校测方法、数据存储、连续作业时长等方面满足《河流悬移质泥沙测验规范》的规定,通过对HHSW·NUG-1型光电测沙仪情况、洛北渠概况、测验方案、相关分析等进行综合分析,探索了洛北渠应用HHSW·NUG-1型光电测沙仪实时在线监测含沙量的情况,认为其可以在洛北渠应用[6]。

5.2 建议

此次比测含沙量范围为1.00~4.90 kg/m3,洛北渠往年含沙量较小,未来汛期来沙时,应利用大沙机会进行延伸比测分析。

光电测沙仪安装应用后,要时常关注测沙仪运行情况及水草等漂浮物对仪器的不良影响。

此次比测采用点对点的方法率定测沙仪和人工取样含沙量的相关系数,对于单样采用垂线混合法取样的渠道观测站,先分析相对水深0.0、0.2或0.6处与垂线平均含沙量的转化系数,然后将仪器探头放置到相应位置。测沙仪内部可直接预置综合系数K,见式(1)。

K=k*K1                              (1)

式(1)中,k为光电测沙仪转换系数;K1为观测点转换垂线平均含沙量系数。

在评价测沙仪的精度时,技术人员必须采用相同深度点的人工取样含沙量来进行对比分析,不能将测点相对于断面平均含沙量的代表性混淆在一起。如果这样做,就无法准确判断是因仪器精度不够,还是因测点不具备代表性而导致的问题。这种混淆可能会妨碍对仪器性能的准确评估,进而导致仪器迟迟不能投入生产应用[7]。

参考文献:

[1]李泽鹏,李懿琪.光电测沙仪的应用研究[C/OL]//中国水利学会减灾专业委员会.第十四届防汛抗旱信息化论坛论文集(2024-03-01)[2024-03-15].https://read.cnki.net/web/Conference/Article/SJZW202403001049.html.

[2]中华人民共和国水利部.河流悬移质泥沙测验规范GB/T 50159—2015[S].北京:中国计划出版社.

[3]王志勇,孙建民.HHSW·NUG-1型光电测沙仪的应用研究[J].甘肃水利水电技术,2021,57(10):9-13.

[4]李楠.托克逊站HHSW-NUG-1型自动在线光电测沙仪比测分析[J].陕西水利,2024(4):63-64,70.

[5]中华人民共和国水利部.水文资料整编规范SL/T 247—2020[S/OL].(2020-11-04)[2024-03-21].http://www.mwr.gov.cn/xw/sjzs/202011/t20201104_1462263.html.

[6]孙建民,李浩浩,孙世宁.HHSW·NUG-1型光电测沙仪监测精度影响因素探析[J].陕西水利,2023(10):46-48,51.

[7]张建锋.引黄灌区灌溉渠道激光测沙研究[J].中国高新科技,2020(16):146-148.

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