新型透射测量技术在泥沙含量监测中的应用

新型透射测量技术在泥沙含量监测中的应用

张甲龙,唐颖倩

黄河水利委员会三门峡库区水文水资源局 河南三门峡472000

摘要：近几十年来，河流泥沙输移是学术界关注的重要科学问题之一，河流及水库等的水体污染以及泥沙淤积等都与河流泥沙的来源及在水体中的输送有着密切的联系。因此，有必要对泥沙的来源和输移进行研究，泥沙来源研究方法主要有径流小区法、水沙资料分析法和遥感调查法等。径流小区法是最为经典的泥沙来源识别方法之一，但它与遥感调查法相似，不能模拟或重现大尺度流域或区域的产沙过程，实地调查法费神费力，而水沙资料分析法的前提则是要有水文站点的观测。基于此，本篇文章对新型透射测量技术在泥沙含量监测中的应用进行研究，以供参考。

关键词：新型透射测量技术；泥沙含量监测；应用分析

引言

泥沙沉积量是河道治理、采砂规划的重要基础，传统方法大都采用人工地形测量的方式进行监测，这种方式监测的精度较高，但需要耗费大量的人力和物力，且很难实现连续河段泥沙沉积量的监测。近些年来，卫星遥感影像解译技术在河道泥沙沉积量监测中得到应用，但是受卫星遥感影像采集时间影响，其泥沙沉积量监测的精度较低，很难得到推广和应用。

1透射元件测量

Canabal和Alonso于2002年率先将光学偏折技术应用于透射波前测量，根据被透射元件调制的条纹变化信息计算出被测元件透射波前斜率，由此可获得对应的透射波前信息。将光学偏折法、暗域照明法和透射测量原理相结合，设计出透镜综合缺陷测量系统，该系统可实现小型自由曲面透镜的实际大规模生产中可能出现的所有缺陷类型的高效、高精度测量，为光学透镜批量生产过程中的参数优化提供了有价值的参考。有学者提出了一种基于条纹投影的计算机辅助光学偏折方法以用于工业透射元件大动态范围透射波前像差的精确测量，透镜波前测量结果与ZYGO干涉仪相比，残差的RMS值仅为0.0007μm，此外对大动态范围的透明玻璃管进行测量，对同一位置的测量结果有较好的一致性，其中采用了计算机辅助迭代优化算法来实现的系统结构参数误差的有效校正在透射波前测量基础上，又进一步提出了透射元件的多曲面表面同步面形测量方法(Simultaneous Multisurface Measurement，简称SMM)。该方法主要有三方面的贡献：(1)可实现基于透射场的自由曲面重构，克服了透射测量中反射率低的限制，且不需要消除额外的寄生反射；(2)可同时测量自由透射的多表面面形；(3)提出的方法适用于多种光学元件，具有通用性。

2精度比对

实验数据采用某省水文水资源监测中心站，验证测量系统对于该点位泥沙含量的测量准确性情况。操作方法是通过在容器中加入搅拌器实现标准均匀含量泥沙悬浊液的含量率定，具体步骤如下：1）取固定量纯净水于容器中，容器内放置搅拌机；2）在容器中加入按所需泥沙含量称量好的烘干泥沙，开启磁力搅拌器进行搅拌；3）待泥沙悬浮液搅拌均匀后，将泥沙含量测量传感器放入烧杯适当位置处固定好；4）开启数据采集和后处理模块，连续采集10s，取平均含沙量示数作为最终结果。多次重复这4个步骤，比较泥沙含量测量系统测得泥沙含量和实际泥沙质量之间的关系，以此判断泥沙含量测量系统的准确性。共计进行10次泥沙烘干测量，分别置于容器中配置成不同含沙量的溶液进行系统读数，比较测量系统质量浓度和实际配置溶液质量浓度的相对误差。数据可得，测量系统质量浓度与真实值的误差在0～5.5%之间，平均误差为3.7%。较以往测量手段有了一定程度的提高，可以满足精测量采集泥沙含量的需求。

3系统测量

由于水流本身具有周期性波动，故会使得某一时刻的泥沙含量值不具备代表性，故选取前后共计5min的测量值进行比较，每隔1min纪录1次平均数据，共计记录6次。该测量点位最大水深为2m，分别选取20，60，100，140和180cm共计5个深度进行测量。泥沙含量在不同深度下历时变化曲线如图1所示。

图1泥沙含量在不同深度下历时变化曲线

从图1的历时变化曲线来看，一定的时间变化泥沙含量数值基本保持不变，最大可以产生5%平均值的波动，而测点位置的变化影响了泥沙含量。从距离水面深度20～180cm呈现逐步增大的趋势，并且随着深度的增加泥沙含量越来越大，如图2所示。

图2泥沙含量不同深度下的均值曲

泥沙含量测量系统所有数据通过网络传输到云平台，并在网页端同步更新展示，该网页监测平台可以实现数据查看、历史数据管理、智能查询、泥沙含量曲线绘制、自动测量、自主分析生成泥沙分布等一系列功能。

4影响因素分析

研究表明，修路是引起水土流失加剧的重要原因。在采样前期野外考察发现，在修建或改建道路时，道路表层或周边土壤破坏严重，大量泥土裸露，使得道路建设产沙对流域产沙的贡献达到了22％以上。河道活动是影响流域产沙的重要因素。在研究中，河道产沙贡献最大，这可能与强烈的河道活动有关。在流域内，无序的河道挖沙十分普遍，破坏河道，产生了大量的可侵蚀泥沙。野外考察期间发现，在河道建桥时沟道破坏严重，有大量的松散泥沙堆积在河道内，在洪水来临时极易被水流冲走。此外，强降雨下水田对流域产沙的贡献也要时刻注意。研究区水田主要分布在山谷中的平坦地带，尽管坡面坡度很小，水田田埂高度通常较矮。研究区水稻在耕作、插秧和收割之际，被搅浑的泥水进入河道，尽管河流含沙量不高，但可导致河水变得异常浑浊。研究区的林地面积虽然近流域的80％，但因植被覆盖度高，其对流域产沙的贡献并不是最大。研究区的旱地面积小，且多分布在平缓的地区，因此，旱地对流域产沙的贡献最小。

结束语

总而言之，降水、地形、土地利用和其他人类活动是造成以上产沙贡献差异的原因。研究区的自然条件，加之河道破坏和道路建设，使得大量细小颗粒进入水中，致使河水变得浑浊。今后应加强河道监管，在道路建设时应加强保护，避免水土流失。因此，使用新型透射测量技术才能提高河道泥沙沉积量数据采集精度。

参考文献：

[1]周鸿雁,董建民.基于STM32单片机的泥沙含量监测仪的设计[J].大庆师范学院学报,2020,41(06):104-106.

[2]王燕.泥沙含量对河道水质监测结果的影响分析[J].陕西水利,2020，(12):114-116.