甬江含沙量在線監測研究

凌 佳，曹公平，鄭 汲，周 斌

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.寧波市河道管理中心，浙江 寧波 315020）

1 問題的提出

甬江干流指姚江、奉化江匯合于寧波市區三江口后至鎮海游山外出口段，全長25.6 km，流域面積361 km2，為寧波市主要航道及姚江、奉化江主要出海通道，屬典型的感潮河流。甬江懸沙濃度變化是徑流、潮流等因素相互作用的結果，泥沙來源由陸域來沙和海域來沙組成，河道水動力不僅受上游徑流影響，還受外海潮汐作用，影響水沙運動的因素多，河床沖淤演變情況復雜。河流含沙量的大小及變化直接影響懸沙的聚集與輸運，影響河道淤積、工程設計與防護、污染物擴散和聚集等。而傳統監測含沙量的方法是現場采樣，然后對水樣進行過濾、稱重，這種方法耗時耗力，且僅能得到個別時段、離散的含沙量，掌握的資料極其有限。

近年來隨著OBS濁度儀不斷的發展、推廣與應用，使得含沙量數據獲取越來越便捷，且精度較高。研究表明，利用OBS技術來測量水體中的含沙量是一種行之有效而可靠方法[1-4]，為含沙量在線監測提供理論與實踐依據。本文從Campbell OBS - 3+濁度儀工作原理出發，分別對站址選擇與儀器安裝，數據獲取與標定，精度影響因素等幾個方面進行研究，論證甬江含沙量在線監測可行，結果可信，尤其適用于其他河口、海灣地區。

2 在線監測方法

2.1 濁度儀工作原理

OBS濁度儀工作原理是通過傳感器發射近紅外光，監測經過懸浮顆粒物反射回來的部分近紅外光來測量沉積物濃度和濁度。從概念上，濁度是基于光學特性濁度單位（NTU）的一種數值表達，水由于光散射和懸浮物吸收的結果出現朦朧或陰云狀。操作上，NTU值是從鄰近的Formazin，StablCal試液和SDVB的校準標準液光散射測量值的內插值。濁度是由懸浮和溶解物質，如泥沙、浮游生物、細菌、病毒、有機和無機染料造成的。在一般情況下，隨著水中懸浮物的濃度增加，其濁度也增大，作為光吸收物質的溶解物濃度的增加，濁度將減少。OBS -3+濁度儀利用光學后向散射原理，使用創新的OBS技術監測懸浮沉積物和濁度，量程達4 000 NTU（見表1）。如果近紅外光發射范圍內有障礙物的話，會造成讀數誤差過大。為避免此類問題，OBS - 3+的光學器件在傳感器頂端側面，有效避免傳感器上下部位的障礙物影響。憑借其獨特的光學設計，OBS - 3+傳感器比大多數傳感器尺寸更小，功耗更低，具有高線性響應，測量精確，堅固耐用，對氣泡和有機物質不敏感，環境光抑制和低溫度系數等優點。

表1 Campbell OBS - 3+濁度儀主要技術參數表

2.2 在線監測方法

由于OBS - 3+濁度儀測得的是一個濁度值，需要經過室內標定或現場泥沙標定后獲取對應的含沙量，為提高標定的準確率，本文采用室內標定法[4]，并用回歸法確定濁沙關系。OBS - 3+濁度儀有2種工作模式，分別為實時測量（Surveg）和自容記錄（Log）工作模式。為了實現在線監測，需采用OBS - 3+進行實時測量，通過裝載在線監測系統建立站點濁度數據庫，最終根據濁沙關系式由系統自動計算得出實時含沙量數據。

3 甬江含沙量監測中的應用

3.1 選址設站

含沙量實時監測站點的選擇十分重要。因甬江航運發達，通航環境復雜，為不影響船舶通航安全，保障儀器設備安全，確保監測數據的連續性、有效性。經實地查勘，澄浪堰水文站控制奉化江入甬江徑流量，為奉化江流域控制站，斷面以上集雨面積1 965 km2，測站設立于1978年，為國家基本水文站，澄浪堰站位于奉化江出口上游2 370 m處；2014年澄浪堰水文站水位臺重建，由奉化江左岸遷移至右岸。紅聯站為甬江入海徑流站，位于甬江口上游約5 140 m處，其下游4 000 m處有支流小浹江匯入；2013年已建成并投入使用流量自動監測站，位于甬江右岸。綜上所述，澄浪堰、紅聯站水文站（見圖1）是有效控制甬江干流水沙運動的關鍵位置，據站址潮位及水深實測資料，站址前沿具備水深條件，為甬江OBS監測設站最佳站址。

圖1 澄浪堰（左）、紅聯站（右）水文站江道剖面圖

為保障站點OBS監測數據的完整性和代表性，OBS -3+傳感器在安裝時按垂線分5層分布，以確保半潮位4個傳感器在水面以下，低平潮至少3個傳感器處于水面以下。任務實施時，澄浪堰監測站利用站址固定裝置以高程0.91，-0.59，-1.59，-2.59，-4.09 m（1985國家高程基準，下同）采用垂線固定點位模式進行設站，紅聯站監測站利用站址浮動裝置以水面以下高程0.70，1.50，2.50，4.00，5.50 m采用垂線固定水深模式進行設站。

3.2 數據獲取與標定

為了獲取含沙量在線監測數據，OBS - 3+實時測量數據通過DataStar數據采集器（自帶SD卡和顯示器，外接蓄電池+太陽能直流電）收集，由DTU GPRS終端通過4G網絡將實時數據上傳至云平臺，并建立數據庫，用戶可根據需求輸出站點的實時濁度數據，亦可根據濁沙關系式通過系統自動計算得出實時的含沙量數據。

根據監測的濁度值獲取對應的含沙量，現場采集同等水深同步水樣樣品經室內標定后得到含沙量數據，再結合OBS在線監測濁度數據，建立濁沙關系。以澄浪堰監測站3#探頭（1985國家高程-1.59 m）為例，濁沙關系式為：

y=（1.107 3x）1.2892×0.000 3

式中：x為OBS - 3+濁度值；y為對應的含沙量（kg/m3）。

為了進一步呈現澄浪堰3#探頭含沙量數據的有效性，選用站點同岸并距離下游150 m處全潮水文測驗斷面9#點位0.6H層、垂線平均含沙量的同步觀測數據進行比較（見圖3）。從圖3可以直觀地看出，澄浪堰站3#探頭含沙量數據與9#點位同步觀測數據雖存在差值，但同步觀測數據的曲線波動規律較接近，能夠反映甬江特征站位的泥沙變化情況。

圖3 澄浪堰含沙量變化過程曲線圖

3.3 精度影響因素

影響濁度監測精度的主要因素包括：泥沙粒徑大小、含沙量與顏色、水色、氣泡、生物和化學污垢。據實測資料顯示，甬江干流年度內懸沙多呈現黃灰色，粒徑基本相似，中值粒徑互差不大，季節性平均中值粒徑變化為0.007 6 ～0.009 4 mm；大潮懸沙中值粒徑略粗于小潮，大潮斷面平均中值粒徑為0.006 9 ～ 0.014 7 mm；垂線在同一潮期的不同潮流特征時段，懸沙粒徑級配基本相似，如曲線線型較為相似，相互聚集。各站址實測最大含沙量均小于5 kg/m3，含沙量的垂向分布相當一致，均以表層低、底層高為特征。相關研究表明，水色、氣泡對OBS測量的影響很小，不會產生實質性影響[3-4]?？傮w上甬江干流的泥沙指標、特性變化不大，含沙量平均相對誤差較小，基本滿足OBS測量精度的控制要求。但在大風或風暴潮天氣條件下，懸沙粒徑變化較大，其相對誤差還有待于進一步測量及研究分析。

4 結 語

利用Campbell OBS - 3+濁度儀測量能快速、實時采集含沙量數據，是一種行之有效的方法，尤其適用于甬江干流地區。這些資料都是水文水資源信息的重要組成部分，可用于水文數據中心、水情信息及水資源、水環境信息服務，可為工程建設、泥沙淤積治理等提供重要參考依據，值得推廣應用。