HHSW·NUG-1型光电测沙仪监测精度影响因素探析.pdf

第10 期2023年10 月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)10-0 0 46-0 3陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.10October,2023HHSWNUG-1 型光电测沙仪监测精度影响因素探析孙建民，李浩浩，孙世宁（黄河水利委员会河南水文水资源局，河南郑州450 0 0 4）【摘要】HHSWNUG-1型光电测沙仪是一种新型的泥沙在线监测仪器，监测精度高，含沙量监测量程大。在黄河小浪底水文站及其他河流小范围应用获得了成功。影响仪器野外监测精度的因素很多，从泥沙粒径、安装位置、承载方式等方面研究，分析揭示其影响，从而为该仪器的推广做好基础工作。【关键词在线监测；中数粒径；转换系数率定；监测精度中图分类号P335【文献标识码B1前言河流水文要素监测经科技工作者、水文人多年的努力，已实现了水位、流量的在线监测及存储，但含沙量监测仍旧是在线监测的一个难题。黄委河南水文水资源局研发了HHSWNUG-1型光电测沙仪，经2 0 2 0 年 2 0 2 1年在黄河小浪底站以及淮河等水文站进行应用的探索，在观测精度、仪器工作的稳定性方面获得了成功，为该仪器的推广应用奠定了基础。但其应用范围小，存在局限性，仪器可能存在尚未发现缺陷、影响监测精度的因素多以及功能的扩展需要在实践中解决。2 0 2 2 年，该局的黄河干流四个水文站安装了该型号的光电测沙仪，具备了探索该仪器监测精度影响因素的条件。2研究区域概况本次研究的区域位于黄河小浪底水库下游的小浪底、西霞院、花园口、夹河滩四个水文站。四站为基本水文站、国家重要水文站、流量一类站。夹河滩站为泥沙二类站，其它三站为泥沙一类站。小浪底水文站至夹河滩水文站区间流域面积3.6 7 万km，河长2 2 2 km。小浪底水文站是小浪底水库的出库站，下游12km是西霞院水库大坝。西霞院水文站位于西霞院水库下游2.8 km，西霞院水文站至花园口水文站区间有沁河、伊洛河二个大支流汇人；花园口站至夹河滩站区间为地上河，无支流汇人。见图1。夹河滩站控制流域面积7 3.1万km五龙口山路平小浪底河黄花园口四做院黑石关河白马寺龙门镇图1水文测站分布示意图3水文情势2022年7 月，小浪底水库以下河道共出现2 次较为明显的沙峰过程。第一次为7 月4日10 日的调水调沙，泥沙为三门峡、小浪底、西霞院水库的排沙，最大含沙量由上游到下游依次为353kg/m、37 5k g/m、7 3.0 k g/m、55.1k g/m。此次泥沙粒径大，沿途淤积，沙峰沿程消减快。流量在传播期间区间入流少的情况下流量出现增值，由36 0 0 m/s增长为49 8 0 m/s。第二次7 月16 日2 3日的泾渭河流域洪水，泥沙粒径小，含沙量沿程消减程度小。最大含沙量由上游到下游依次为119 kg/m、8 8.6 k g/m、6 0.8 k g/m、48.7 k g/m。洪峰流量由2 440 m/s增加为2 9 40 m/s。4沙峰监测情况4.1小浪底水文站该站测沙仪今年更换为柱体安装的方式，仪器安装的起点距与人工单样取样接近，但施工后未及时清理柱体附近的围堰，造成柱体附近的水深小，探头位置高，测得含沙量略小于人工单样。整个监测过程吻合度高，两沙峰之间因水位低测沙仪无法监测。400350300250200夹河滩150河100507月4日7 月6 日7 月8 日7 月10 日7 月12 日7 月14日7 月16 日7 月18 日7 月2 0 日7 月2 2 日图2 小浪底水文站7 月沙峰过程线图0.040-人工单沙0.035一光电0.030一光电2+中数粒径0.0250.0200.0150.0100.0050.000收稿日期2 0 2 2-11-10【作者简介孙建民（19 7 1），男，河南郑州人，高级工程师，主要从事水文水资源管理工作。:46第10 期2023年10 月4.2西霞院水文站该站仪器在基本断面下游8 0 m处柱体上安装，上游导流坝会形成回流且范围随着流量增大而增大，仪器接近回流边缘且水深小。第一次沙峰人工与仪器监测过程基本吻合，低水位时仪器监测偏小。第二次沙峰段仪器监测远大于人工监测。第二次沙峰在大于50 kg/m、中值粒径0.0 10 mm时，仪器监测含沙量开始异常。见图3。4003503002502001501005007月4日7 月6 日7 月8 日7 月10 日7 月12 日7 月14日7 月16 日7 月18 日7 月2 0 日图3西霞院水文站7 月沙峰过程线图4.3花园口水文站该站仪器安装在单样取样断面的上游5km处的柱体下游，两者监测的含沙量时间上有一定的错后。沙峰段测沙仪监测值大于人工值，低水位时仪器无法正常监测。第二次沙峰检测沙峰段仪器监测值异常偏大。从过程线上分析，在含沙量大于40 kg/m50kg/m、中值粒径0.0 10 mm时，仪器监测含沙量开始异常。该站在水库不排沙时，泥沙来自河床的冲刷，粒径明显大于排沙期。水库排沙期因含沙量大，水流挟带泥沙的能力下降，粒径大的颗粒沿程沉降淤积。160140120(u/ay)/鲁号1008060402007月1日7月6 日7月11日7月16 日7 月2 1日图4花园口水文站7 月沙峰过程线图4.4夹河滩水文站该站仪器安装在基本断面上游40 0 m处的柱体下游。第一次沙峰段仪器监测值大于人工值，与花园口水文站类似，但偏大的幅度更大。第二次沙峰段仪器监测比人工值大近3倍。两次沙峰的起涨、落平段仪器监测值与人工值高度吻合。从过程线分析，第一次沙峰含沙量大于40 kg/m50kg/m、中值粒径不大于0.0 10 mm时，仪器监测含沙量开始异常；第二次沙峰含沙量大于30 kg/m、中值粒径不大于0.0 0 8 mm时仪器监测值开始异常。陕西水利Shaanxi Water Resources16014012010060402007月5日7月10 日7 月15日7 月2 0 日7 月2 5日T0.080图5夹河滩水文站7 月沙峰过程线图+人工单沙0.070一光电0.060中数粒径0.050uu/0.0400.0300.02040.0100.0000.0400.035+人工单沙一光电+中数粒径No.10October,20230.040+人工0.035一光电0.030+中数粒径/中0.0250.0200.0150.0100.005L0.0005比测情况小浪底水文站已于2 0 2 0 年、2 0 2 1年完成比测，比测时承载仪器的平台为铅鱼，比测效果好，满足规范要求，已经批复使用。花园口水文站仪器监测作为测站测验的参考，未比测，一直采用实验室的转换参数。西霞院水文站6 月中旬完成仪器安装，洪水期调仪器未调试完毕，仪器的升降控制系统存在问题，仪器的探头准确位置不好确定。取样深度、取样方式、测验人员的操作水平不一致，造成比测效果不佳。但其测点分布趋势随着含沙量的变化有明显的不一致，以含沙量40 kg/m、7 0 k g/m为界线，转换系数有明显的不同。见图6。3002502001501005000图6西霞院水文站光电测沙仪率定图夹河滩水文站的比测的含沙量在45.0 kg/m以下，测点0.030分布呈带状，但是离散程度较大。该站每个比测点用横式采0.025uu/40.0200.0150.0100.0050.00050样器取样四次，前两次与后两次各合并为一个样进行沙样处理。经统计，前后两次处理的沙样含沙量误差较大，中低水(中低沙）误差一般在3%5%，大沙期间误差大于10%，甚至超过20%。这是该站转换系数率定失败主因。柱体一般处于主流附近，流速大。测船难以靠近且无法固定，比测取样点深度不好控制。这是率定转换系数失败的另一个原因。504540(m/y)/UA&TY38505105图7夹河滩水文站光电测沙仪率定图100测沙仪原始值测点y=1.526x一一线性（测点）510测沙仪原始值150R=0.9551520200252503047第10 期2023年10 月6影响分析6.1泥沙粒径的影响第一次沙峰，小浪底、西霞院水文站泥沙中数粒径基本大于0.0 10 mm，仪器记录正常。花园口水文站沙峰段中数粒径处于0.0 10 mm0.015mm，仪器记录略大于人工值。夹河滩水文站沙峰段中数粒径不大于0.0 10 mm，沙峰前含沙量45.0kg/m以上时仪器记录出现异常，含沙量落至45.0 kg/m以下仪器记录恢复正常。第二次沙峰，小浪底水文站泥沙中数粒径基本大于0.010mm，仪器记录正常。下游的西霞院、花园口两水文站在中数粒径基本不大于0.0 10 mm，当含沙量大于40 kg/m50kg/m仪器记录异常偏大，当含沙量小于40 kg/m50kg/m仪器记录恢复正常。夹河滩水文站中数粒径在0.0 0 8 mm、含沙量达到30 kg/m时出现记录异常。8月份的沙峰来自黄河河龙区间，是黄河粗泥沙主要来源区域，其泥沙颗粒级配与小浪底排沙相似，仪器记录的含沙量正常。泥沙来自细沙来源区时，需要另外分析率定转换系数。6.2仪器安装位置的影响水文站单沙取样位置与仪器的位置在顺水流方向不能太远，否则造成沙峰出现时间有不同。两者的位置在横断面上要基本一致，否则因含沙量在断面上的分布不均匀造成记录的沙峰同步但存在差值。两者的位置水深要接近，否则造成水浅位置测得含沙量偏小。两者的位置应在水流顺畅的区域，不应受回流、死水的影响。6.3仪器承载方式的影响测沙仪有铅鱼、柱体、浮标承载三种方式，各有利弊。1）铅鱼、浮标承载方式特点：对水流影响小、比测精度高，适合漂浮物较少的河流，率定工作任务小，比测率定的精度高。小浪底水文站的仪器比测用铅鱼承载完成，比测精度高，满足规范要求，已经批复应用。淮河息县水文站采用浮标承载，达到了同样的比测精度，满足规范要求，见图8。0.250测点0.200线性（测点）0.1500.1000.0500.00000.0000.0200.0400.060.0.080_0.1000.1200.1400.160图8 淮河息县水文站光电测沙仪率定图2）柱体承载影响大特点：对水流干扰大，适合漂浮物多的河流；影响因素多，率定结果难以把控。目前柱体承载方式一般把探头安装在柱体的下游。受柱体的影响，其附近的水流复杂，已不是自然的水流状态，建议仪器探头安装在柱体的迎水面1.5 2 倍柱体直径的位置。48.陕西水利Shaanxi WaterResources据有关文献，柱体或桥墩周围的流场结构主要包括墩前水面涌波、桥墩迎水面向下水流和尺度很大的漩涡。漩涡是一个复杂的综合水流结构，它包括桥墩迎水面向下水流、两侧绕流在床面附近形成的马蹄涡和桥墩两侧边界层分离形成的尾流漩涡在墩两侧和墩台后由床面附近释放的小漩涡。漩涡中心负压将吸起，床面泥沙带往下游，伴随漩涡的产生，床面静止的泥沙表现出阵发性随机运动状态，并在桥墩下游两侧漩涡相汇。桥墩两侧附近绕流流速最大，对河床作用最强，这里的流速达到泥沙起动速度时，泥沙就开始向下移动，致桥墩两侧冲刷。桥墩后附近是上升水流，挟带桥墩前方、侧方河床的泥沙及水底下层的泥沙上升，改变了泥沙在垂线上的分布规律，使墩后测点含沙量增加。墩后涡流会使流速减小，在一定距离内沉降淤积，含沙量逐步减小并在下游淤积很长的沙脊。测沙仪监测值是6 分钟内的含沙量的均值，并过滤掉异常值，所以含沙量过程数据平稳，不会出现含沙量值频繁的脉动。比测时人工使用采样器为横式采样器，其取得的含沙量是瞬时值，不能消除泥沙脉动的影响，所以即使是间隔很短时间内取样，所测含沙量仍然偏差很大，特别是柱体的下游含沙量脉动更大。综上所述，洪峰段的流速大，柱体下游水流挟带床面及水底下部的泥沙向水面运动（细颗粒的泥沙更容易移动），使测沙仪监测的泥沙增大。花园口、夹河滩水文站沙峰段含沙量会大于人工值即是上述原因。叠加泥沙中数粒径的影响，下游的夹河滩站水文站受到影响更大。小浪底、西霞院水文站为卵石河床，且仪器安装位置靠近岸边，流速小，受到的影响相对较小。如果测沙仪安装在柱体下游侧，泥沙脉动大，使比测结果满足不了规范要求。6.4其它因素的影响1）探头维护不周的影响。仪器探头提出水面后要用清水冲洗，泥沙粘附在镜头上会造成监测的含沙量偏大。仪器自动刷清洗镜头时会划伤玻璃，影响透光性，造成监测不准。=1.507xR=0.997光电测沙仪记录原始值No.10October,2023水生生物多的河流，要经常检查探头。防止水藻、贝类植物生长在镜头上，造成监测含沙量偏大。2）水深浅、探头受波浪影响露出水面时会造成记录值异常偏大。3）避免日光直晒。水位变化大的河流，夏季高温水位低时易造成仪器露出水面。高温暴晒会使探头温度升高，要及时关闭仪器电源，防止内部温度过高及散热不良造成元器件烧毁。4）避免冰冻。结冰河流避免仪器冰冻在冰层中。冰冻会造成镜头玻璃损毁或密封下降，仪器进水后会造成电路短路。冬季仪器不使用时尽量回收到室内。5）升降系统等附属部件运转不良同样会影响仪器的监测。6）仪器内部要有存储器，避免网络中断时数据丢失。(下转第51页）第10 期2023年10 月3.3降雨量空间分布特征将上述训练好的RF模型代人栅格变量数据集，进而对省域降雨量空间分布进行预测，其结果见图5。由图5可知，降雨量栅格面值域介于12 8 0 mm2340mm，栅格平均值为18 2 3mm，离差系数为2 3.54%，这与表1中站点统计值一致，表明预测的降雨量分布集成了站点降雨特性。降雨量呈现自东北向西、北递减分布，降水量中心位于赣东鹰潭等地，局部降雨量可达19 0 0 mm以上；赣中地区次之，分布范围为1600mm1900mm之间；赣南地区降水量呈现自西向东增加分布，介于150 0 mm1750mm；赣西北地区的幕阜山地区最少，仅为12 8 0 mm1500mm。这种分布特征主要受季风运移路径和地形影响。从局域特征来，该非线性插值结果并未出现“牛眼”“机械渐变”等非自然特征，而较好体现了经纬度地带性和地形变异，因而反演的降水量分布更符合区域实际。114E115E116E117EN.0%N.87N.L7N.9201130E114E图5随机森林方法反演的降水量空间分布3.4降雨量空间反演精度评价为进一步评价RF模型反演精度，基于测试集计算了精度评价参数，并绘制散点图，其结果见图6。可知其独立验证的R达0.7 6,MAE和RMSE依次为12 1.11mm、151.7 0 m m,相对于训练精度的R减小了2.56%,MAE和RMSE分别增大了-31.9 1%、8.50%，表明RF模型在移植后发生了一定程度精度下降，但依然在可接受范围内。图6 显示，预测值与实际观测降雨量之间具有良好线性关系，因此空间反演结果在研究区具有一定替代性，同时表明RF模型能挖掘降雨量一环境因素间显性、隐式关系进而更稳健拟合区域降雨分布。综合来看，使用多源环境变量与RF算法反演省域尺度降雨陕西水利Shaanxi Water Resources量空间分布过程中不存在过拟合而且具有良好适用性。2600y=1.1692x-261.152300R=0.76MAE=121.11RMSE=151.7020001700140011001100图6区域降雨量反演独立验证精度4结论118E119EN人N.62N.8N.L7降雨量/mm23401280雨量站150km115ENo.10October,2023验证集?1400本研究通过联合GIS与RF机器学习技术，准确反演了省域尺度50 0 m空间分辨率的降雨量分布式信息，结论如下：RF模型基于站点降水量与环境因子之间非线性关系假设，模拟省域降雨量面分布，该方案克服了气象站点数据密度缺陷且促进了气候过程模式理解，可作为具有前景的数据解析技术，并能够移植到其他地区帮助构建稳健的气候要素反演模型，绘制更为精细的气候面空间图。然而，模型预测能力依赖于环境变量，本研究仅考虑了地形和经纬度因子，后续研究应纳人大气含水量、气温、地表温度等信息，进而改进模型性能；此外还应定量分析各环境因子重要性，深刻解释环境因子对降雨量空间异化的影响。N.忆参考文献1郎立晨，唐诚，高星，等.复杂地形下降水的高空间分辨率插值116E117E1700-2000预测降雨量/mm方法研究 J.地理学报,2 0 2 3（0 1）:10 1-12 0.2邢贞相，段维义，刘明阳，等.四种网格化降水产品估算中国大陆区域降雨侵蚀力比较 J.农业工程学报，2 0 2 3（0 5）：10 0-10 9.3】崔新强，唐俊，徐静，等.智能网格气温降水实况插值方法优选研究 J.沙漠与绿洲气象,2 0 2 3（0 1)：10 4-10 9.4庞冉，王文，武晶，等.基于空间插值逐日降水格点数据的福建省降水时空变化分析 J.水土保持学报,2 0 2 3,37（0 1）：17 6-187,203.5李治军，王华凡，侯岳，等.缺资料地区降雨量空间插值方法比较 J.水利科学与寒区工程,2 0 2 2（0 8）：6 8-7 1.6 Breiman L.Random forestsJ.Machine learning,2001(45):5-32.7 Biau G,Scornet E.A random forest guided tourJ.Test,2016(25):197-227.23002600（上接第 48 页）广应用做好基础工作。7结语HHSWNUG-1型光电测沙仪是一种新型的在线含沙量监测设备，监测的精度高，含沙量监测范围大，能满足高含沙河流及现行规范的要求。其功能有扩展空间，如垂线监测方法、输沙率测验等。其野外承载方式、比测方法、注意事项需要我们不断的探索，从而保证精测的精度，为其大范围推参考文献1王志勇，孙建民.HHSWNUG-1型光电测沙仪的应用研究 J.甘肃水利水电技术,2 0 2 1.2凌建明，林小平，赵鸿铎.圆柱形桥墩附近三维流场及河床局部冲刷分析 J.同济大学学报，2 0 0 7.51