同位素测沙仪在水文工作中的应用

同位素测沙仪在水文工作中的应用

李卫国,师江红,董文石

（宝鸡水文水资源勘测中心   陕西宝鸡 721006）

摘  要 ：本文选用同位素测沙仪在水文站进行泥沙测验与人工测验的同步监测资料进行应用分析,建立修正参数.结果表明：同位素测沙仪含沙量与人工测验含沙量两者显著相关，综合误差小于5.5%；同位素泥沙在线系统具有快速测量、数据处理、远程传输功能，可实时查询含沙量、水位和水温，可满足水文测报方式自动化、信息化的要求，符合水文现代化要求。

关键词  同位素，含沙量，应用分析

1同位素测沙仪监测系统

1.1测沙工作原理

同位素测沙仪是利用核放射源（Am元素）放射出的γ射线穿透浑水的衰减情况进行含沙量测量的。同位素进行含沙量测量时，当放射源发出的γ射线穿过浑水进入电离室内部，电离室把γ射线能量转变成电流信号，通过电路、电缆送入计算机进行处理。水中含沙量愈大，γ射线被泥沙吸收的愈多，进入电离室的γ射线就愈少，转变成的电流信号就愈小，浑水含沙量小时被泥沙吸收的少，电离室输出的电流信号相应会大。γ射线透射强度与含沙量呈一定关系变化，利用此原理即可通过测量电流变化来计算出含沙量。

式中: μm为浑水质量吸收系数。

1.2系统功能结构

同位素测沙仪监测系统由测沙仪传感器、雷达水位计、数据采集终端、电源模块、通信模块（4G/GPRS）、控制系统、升降控制柜（含电机）、升降滑道、中心站管理软件等组成，可完成泥沙信息采集、计算、存储、传输、数据召测、维护、分析等功能，结合计算机处理、网络传输等自动化手段，将常规的水文要素人工监测方式转变为信息采集、计算、存储、显示、传输应用为一体的数字化、自动化过程。

通过数据采集终端采集水位、含沙量、水温数据以及电压、通讯状态等工况信息，经分析、计算通过GPRS传送至信息中心服务器，信息中心将数据存储、分析并输出、发布。另外，系统通过远程命令设置河底高程、原点位置、水深系数、PLC系数、仓门状态、滚筒直径、上限水位、下限水位等参数，从而实现泥沙的自动化在线监测和远程测控管理，改变现有人工观测的测验方式，降低工作强度。

2测站基本情况

2.1测站情况

拓石站设于2003年6月1日，位于宝鸡市陈仓区拓石镇，集水面积29092 km²，距河口 470km，属国家重要站。测验河段顺直，左岸人工砌石护岸，右岸自然坡岸，上、中、下三个测验断面，基本水尺断面兼流速仪测流断面，上下断面间距150m。基上70.0m处有渭河大桥受桥墩疏水影响，主流比较分散，单断沙关系为45°直线。河床断面宽度120m，上下游无水利工程，断面稳定，主流摆动不大。

2.2水沙特性

拓石站来水来沙年际变化大，年内分配不均，有暴涨暴落、洪峰高、冲淤变化剧烈及含沙量大的特点，洪水主要来源于降水，以暴雨洪水为主，水峰在前沙峰在后。多年平均降雨量620.7mm，建站以来实测最大流量为2120m³/s，发生于2018年7月11日。实测最大含沙量530kg/m³，发生于2003年7月24日。

流量≤2060 m3/s(10年一遇)，固定垂线15.0米取样，横式采样器0.6位置。每次沙峰过程7-10次。

流量＞2060m3/s，相应水位873.39 m以上时，单沙采用横式采样器(水边一线0.6一点)采样, 每次沙峰过程测次不少于测7-10次，水沙峰不一致或含沙量变化剧烈时，应增加测次。

3 应用率定比测分析

该站同位素测沙仪在线监测系统为2020年10月建设，2021年7月份根据来水来沙的情况，同位素测沙仪在线监测系统正式投入比测运行，测站把以往常规泥沙测验的方法与泥沙在线监测系统相结合，通过一个月同步观测比测，完整记录了水位、泥沙和水温的全过程，人工观测泥沙数据68组，沙峰过程4个。同位素测沙仪在线监测系统采集水位、泥沙和温度的过程数据267840组。

3.1同位素泥沙在线监测系统测沙控制情况

绘制同位素测沙仪含沙量变化过程线可知，测得的含沙量数据具有连续性，实时的反映出了含沙量随时间变化的过程，直观的显示出沙峰到来时间及持续时间，真正反映出了洪水的沙峰特性；水位数据也具有连续性，实时的反映出洪水波随着时间变化过程，直观的显示洪峰起涨、峰腰、峰顶和洪水波持续的时间等水流特性；水体温度变化数据也具有连续性，实时的反映水体温度随着时间变化的过程，直观的显示出水体温度每一天的周期变化，洪水峰水体温度低于基流水体温度的河流水温特性。

3.2含沙量过程相应性

7月份实施了对同位素测沙仪应用率定比测，获取人工取沙采样泥沙数据63组，泥沙在线监测系统采集水位、泥沙和温度的过程数据267840组，泥沙监测范围从0.618kg/m3到96.8kg/m3。

绘制含沙量过程线以人工为主与同位素测沙仪对比图和以同位素测沙仪为主与人工对比图。从以人工为主与同位素测沙仪对比图可知，人工观测条件下，同位素测沙仪所测含沙量与测站人工布设泥沙测次所测含沙量变化过程一致，沙峰的转折变化是相对应的，含沙量的大小有偏差，测站所测含沙量小于同位素所测含沙量，基流段与沙峰落水段同位素所测含沙量明显大于测站所测含沙量。从以同位素测沙仪为主与人工对比可知，同位素测沙仪所测含沙量是连续的过程，每一个泥沙沙峰过程的起涨、峰腰、峰顶与退平的转折平顺光滑，且特性突出明显。与人工观测数据过程对比，同位素测沙仪的含沙量过程能反映出河流泥沙连续变化的真实情况。

3.3含沙量一致性分析

    以常规横式采样器含沙量为纵坐标，同位素的含沙量为横坐标，做同位素与人工含沙量相关关系图可知，测点成带状分布，同位素含沙量和常规横式含沙量以45°线性关系且通过原点定线，但不能通过符号、适线和偏离数值这三种检验的。为此经过分析点群分布规律,将同位素含沙量通过相关关系转化到人工基准上，建立相关修正同位素含沙量与人工含沙量相关关系图，测点不但呈现带状分布，且关系曲线呈45°线性关系并通过原点，无明显系统偏离。

    根据以上分析，利用同位素测沙仪与人工观测的泥沙数据建立相关数学模型，对7月份的同位素测沙仪监测的含沙量数据进行基于人工数据转换计算，并将两套数据系列作过程线套绘对比（图1）。对比可以看出，同位素测沙仪的含沙量过程经过模型转换后，与人工观测含沙量过程具有高度一致性，与人工观测含沙量的大小交错接近，综合误差总体可以量化控制到5.5%以内，误差偏大的主要在基流的低沙部分，洪峰过程中的大沙部分误差相对较小。

   图1同位素测沙仪含沙量经相关转换与人工含沙量过程线套绘图

4结论

1.同位素测沙仪监测系统具有快速测量、数据处理以及远程传输功能，可以实时查询含沙量、水位和水温，能够及时、准确、快速地掌握信息，可满足水文测报方式自动化、信息化的要求。

2.通过比测试验分析了同位素测沙仪的含沙量与传统人工测验含沙量的相关性。两者显著相关，测验精度、误差分析均满足要求，能代替该站现在的单沙取样的泥沙测验方式，实现测站泥沙测验“实时在线，自动监测，远程测控”的功能。

参考文献:

1. 《水文资料整编规范》，（SL247-2012）;

2. 《水文仪器基本参数及通用技术条件》，（GB/T15966-2017）;

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