水文技术▏在线实时含沙量观测系统构建及其应用

王海申溪流之海洋人生 2023-05-07

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一、前言

工程海域施工中，水体含沙量是一个极其重要的解决部分。由于它的分布时间变化，对海域岸滩冲淤演变、水化学要素分布以及污染物搬运等，均有重要的作用和影响。水域环境中含沙量监测已成为海洋工程中一项十分重要的监测项目。

目前，由于水体含沙量监测手段还是人工和半机械化，诸如烘干过滤法等。实现水体含沙量实时自动监测，需利用现有OBS-3+浊度传感器对水体浊度参数进行测试，建立浊度与含沙量相关关系。浊度在线实时自动监测，即可转化为含沙量自动监测。其突出的优点是实现无人值守、操作易简单、动静态易观测、数据在线实时上报等优势，且基本不受天气条件的制约影响。这种方法已应用于悬移质泥沙变化观测项目的研究中。主要用来确定水体浊度的变化因素、泥沙的沉积速率等。来解决对海洋工程施工区域泥沙回淤过大的影响，以便工程施工顺利进行。

这样就简化了有关水文监测工作的测量步骤，提高了测量效率，降低了测量成本，也能更准确的观测到实时含沙量影响结果，可为海洋工程施工提供实时、可靠的观测数据，确保工程合理安全的利用观测数据进行施工。

二、在线实时含沙量观测系统构建

在线实时含沙量观测系统构建如图1所示，是以海上浮标为观测平台如示意图2所示，采用OBS-3+浊度传感器为核心进行含沙量监测。利用低功耗遥测终端通过北斗卫星或电台波段辅助实现观测数据远程传输到接收端（服务器），并由计算机软件进行数据汇总记录，再将实时观测数据分发给用户端。实现从水体含沙量数据采集、传输、分析为一体的在线实时含沙量观测系统。

图1 总体构建技术路线

图2 浮标观测平台结构示意图

在线实时含沙量浮标观测平台涉及水下悬浮物质浊度数据采集、水上接收终端数据集成及北斗卫星或电台波段传输三部分，用以完成水下部分的数据采集与水上部分数据接收、处理、存储和数据实时传输功能。

⒈OBS-3+浊度传感器

美国Campbell OBS-3+浊度传感器是一种能够完全浸入水中的传感器。其不锈钢壳体构造，可满足其在500m深的淡水环境中正常工作。当配备钛合金壳体后，能够应用于深达1,500m的淡水或海水中。采用OBS技术来测量水中的固体悬浮物质，它能够测量浊度达到4,000NTU的悬浮物质。

⒉低功耗遥测终端

低功耗遥测终端是远程测控系统中的核心监控和通信设备。它采用低功耗设计，实时在线功耗低，在线平均电流≤10mA，尤其适合野外应用、供电困难的监测现场。它可以与卫星或电台等通讯工具相连接远程传送数据。低功耗遥测终端可以结合现场观测技术的要求，按照设定的工作时序，自动采集、处理、存储观测数据，并将处理后的数据进行编码，通过北斗卫星实时发送至接收端（服务器）。

⒊北斗卫星技术

北斗卫星是中国自主研发的通讯服务技术。中国自主研发的北斗卫星网络具有短报文通信、精密授时、定位服务技术等。

北斗卫星通讯技术适用于无信号网络覆盖的沙漠、偏远山区以及海洋等人烟稀少的地区进行应用，且不受天气条件的影响。能有效的运用北斗卫星通讯技术为海上浮标观测平台进行数据传输服务，有效的提高观测数据的实时性。

⒋实时数据查询系统

如图3所示实时数据查询系统是在线实时含沙量观测系统的重要组成。它通过标定浊度值与水体实测含沙量建立相关关系编写入数据查询系统，将OBS-3+传感器监测的悬浮物质浊度值换算成水域含沙量值，并对含沙量数据进行汇总、储存。该系统可结合水域潮涌规律对水体含沙量数据变化进行记录并分析，得到水体含沙量变化规律。

图3 实时含沙量查询系统

三、系统标定

运用美国Campbell OBS-3+浊度传感器的光学响应技术对水体悬浮物的粒径、成分及形状等物理现象进行含沙量对比标定。悬移质水样处理的主要方法有置换法、烘干法和过滤法。此次系统标定方法采用烘干与过滤法对现场所采集的水样（泥沙样）进行烘干、过滤。

首先，将烘干好的泥沙样用电子称按粒径大小比例划分称重。然后，在标定槽中先放一定容积的海水（现场提取的），再将烘干称重好的泥沙样放入标定槽，搅拌均匀，此时将连接到各通道的OBS-3+传感器分别放入标定槽中进行标定，系统同时记录传感器测量的浊度值与不同烘干称重数量的泥沙样品见图4所示，这样可以结合现场涨落潮的规律，标定不同浊度值与泥沙含量的对应关系。然后再用回归法来分析相关关系，得到浊度值转换为含沙量的计算公式。因此，在标定时，必须要用现场所采集的泥沙样对OBS-3+传感器进行标定。

图4 对比实例

四、在线实时含沙量观测系统的应用

本次以现场浮标为观测平台采用在线实时含沙量观测系统进行对水体含沙量长时间观测。其主要目的是为海洋工程施工提供实时有效的水体含沙量观测数据。

根据在线实时含沙量观测系统应用于某海洋工程施工项目中，结合现场浮标观测平台坐标点如图5所示。

在E15～E25沉管范围内同时布置3条垂线进行含沙量观测，从中层0.6H、0.8H、泥面上1m、0.5m进行水下含沙量定点连续观测，每小时记录1组数据。

图5 浮标观测平台点位示意图

根据在线实时含沙量观测系统的含沙量观测数据资料统计，以D20（2#站）观测数据为例，观测平台系统是随着潮汐涨、落、平潮实时有效监测水体含沙量动静态变化的。从图6可明显看出。

图6 在线实时含沙量观测系统应用实例

在线实时含沙量观测系统适用于海域现场水体含沙量观测，它具有操作简单、测量快速、测量精准、稳定可靠的优点，且基本不受天气条件的制约影响。结合现有技术与应用实例相比，这种观测方法是可行的、实用的。

五、结论

在线实时含沙量观测系统通过实际的对比测试可知，该含沙量观测系统的测量结果与现场测量的结果较为一致。通过实测表明，使用美国Campbell OBS-3+浊度传感器为核心进行对悬浮泥沙测量是可行、有效的。在目前工程现场含沙量观测缺少高效、实时、方便的测量手段的条件下，在线实时含沙量观测系统适用于海洋工程施工现场应用，它能够实现无人值守、动静态测量、实时上报等特点，它能够第一时间得到工程泥沙观测的信息，可为施工现场提供大量实效数据作为参考，提高施工工作效率，便于工程顺利进行。

【作者简介】王海申，1983出生，男，天津市人，交通运输部天津水运工程科学研究所，助理工程师，主要从事港口信息自动化、电气工程及其自动化与监测方面研究。本文来自《中国水运》（2018年1期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。