OBS浊度计测量泥沙浓度的方法与实践研究

1、OBS浊度计测量泥沙浓度的方法与实践研究 薛元忠, 何 青, 王元叶（华东师范大学 河口海岸国家重点实验室，上海 200062）摘要：本文主要对光学后向散射浊度计的测量原理、仪器结构、泥沙校准做了研究分析,讨论了影响因素，揭示了水体浊度与泥沙浓度的相互关系，并结合长江口的水体泥沙测量应用提出其应用前景。关键词：光学后向散射浊度计；浊度；泥沙浓度；泥沙校准；长江口    水体泥沙含量的测量是水文要素观测中一项十分重要的内容。传统的含沙量测量采用现场取样,过滤称重的方法，这种测量操作繁杂，效率低，不能实时连续监测。光学后向散射浊度计（Optical Back Scat

2、tering 简称OBS ）是一种光学测量仪器，它通过接收红外辐射光的散射量监测悬浮物质，然后通过相关分析，建立水体浊度与泥沙浓度的相关关系，进行浊度与泥沙浓度的转化，得到泥沙含量。这种方法，操作简单，能够快速，实时，连续测量。适用于水体含沙量波动较大的潮汐河口，沿海悬浮泥沙的监测。 1 测量原理OBS浊度计的核心是一个红外光学传感器。众所周知，光线在水体中传输，由于介质作用会发生吸收和散射，根据散射信号接收角度的不同可分为透射，前向散射（散射角度小于90°）,90°散射和后向散射（散射角度大于90°）。从理论上讲监测任一角度的红外光线散射量均可测量浊度，见图1。

3、 图1 光学散射示意图Fig.1 Optical particle detectors图2 散射强度与散射角度特征图Fig.2 Scatterings intensity vs angle    本文讨论的散射浊度计主要是监测散射角为140°160°之间的红外光散射信号，此间散射信号稳定。之所以选择红外光线是因为红外辐射在水体中衰减率较高，太阳中的红外部分完全被水体所衰减，这样OBS发射光束不会受到强干扰，图2清楚地显示出水体的体积散射特征，散射角度和悬浮物质的变化情况。图中表明了三种特征。第一，散射率随散射角度增大而减小；第二，在后向散射范围

4、内散射率比较稳定；第三，在后向散射接收范围内无机物质的散射强度明显大于气泡和有机物质。 2 仪器结构OBS-3A浊度计为美国D&A公司的产品，它由传感器、电子单元、接口部分和电源部分组成， 工作原理见图3。 红外传感器由一个高效红外发射二极管，四个光敏接收管和一个线性固态温度传感器组成。红外发射二极管在驱动器作用下发射一个与轴平面成50°与发射面成30°的圆锥体光束。红外光束遇到悬浮颗粒后发生散射，红外接收管接收140°160°之间的散射信号，在空气中光敏接收管的有效接收范围在80cm，但在离接收面30cm范围内较为敏感，在水体中光敏接收管的有效

5、接收范围为25cm。接收范围设计确定后所有上述元件由环氧树脂固定。图3 OBS3A浊度计原理框图Fig.3 Sketch map of OBS working principle红外光敏接收二极管接收到散射信号送至A/D转接器，将模拟信号转换成数字信号。然后由计算机对转换成的数字信号进行采集，按照OBS浊度计的测量要求进行处理，处理好的数据通过RS-232串口与操作计算机进行通讯联系，操作计算机中安装了OBS-3A的处理操作软件，它设置和控制OBS3A的运行方式并进行数据结果处理。    仪器由12V/DC直流供电，仪器内部装有4节1号高能碱性电池，供自容式采样使

6、用。仪器的传感器和I/O端口安装在仪器的一端，而电池和电路板装在圆柱形腔体内。 3 测量方式与应用方法3.1 测量    仪器的指标：浊度深度温度盐度0-4000FTU0200m03840PSU±2.0%±2.0%±0.075±0.1PSUOBS-3A浊度计有两种工作模式，在实时测量(Survey)工作模式，OBS-3A将测量的数据传输计算机记录在硬盘中；在自容记录(Log)模式中，OBS-3A将测量的数据存入浊度计的内存中。 在记录方式时，扫描频率，采样的扫描数和采样间隔在不同的环境中参数选择见下表： 环境 扫描频率Hz扫

7、描数采样间隔/s河流260200900 海岸4102561024300900河口湾486010249003600       数据文件的记录格式为：日期 时间深度 OBS值温度盐度电池电压(data)(Time)/m /FTU/%/V     OBS在测量模式时的采样间隔从1秒到60秒；而在记录模式时采样间隔为403600秒，因此根据测量的需要可选择不同的采样间隔，需要测量泥沙波动或作垂线测量，选择较小的采样间隔；长时间测量可以选择较大的时间间隔。笔者于2003年2月17日至2月25日在长江口进行了水文泥

8、沙同步观测，以南支为例，利用OBS浊度仪对水体进行了垂向悬浮泥沙分布和定点长时间序列观测，长江口南支水体泥沙垂向剖面测定结果见图4；水体泥沙波动测定结果，见图5。由于OBS-3A浊度计配有CTD传感器,所以同时也得到了该点的温度、盐度、深度和泥沙浓度的实时同步测量数据,这在多因子分析水环境中有较大的作用。        从图4中可清楚地看出，水体悬沙垂向分布状况。从水体表层至底层，泥沙浓度分布逐渐增大，小潮时，浓度梯度比较小，从0.17kg/m3至0.3 kg/m3，而大潮时，由于流速增加，泥沙掀起使水体含沙浓度剧增，此时，水体泥沙浓度梯度明显

9、增大，从表层至底层泥沙浓度分布约为0.2kg/m3至0.8 kg/m3。 在图5中结合流速和流向的同步定点观测，可见涨落潮过程水体泥沙浓度的波动状况。由于资料获取地点落潮历时明显大于涨潮历时，同时涨落潮转流时间短，因此泥沙在转流期间沉降不明显，但在落潮时，泥沙掀起过程明显延迟。 图4 水体泥沙垂向剖面测定曲线Fig.4 Vertical distribution of suspended sediment concentration measured by OBS in Feb. 2003，Changjiang Estuary     

10、0; 图5 定点悬浮泥沙分布过程曲线(NTU值突变处为利用OBS进行浓度垂线测量)Fig.5 Time series of suspended sediment concentration measured by OBS in Feb. 2003， Changjiang Estuary  3.2 校准OBS测量得到的数值是水体悬浮颗粒的浊度值，这种浊度值校准在仪器出厂时已经过严格的校正。他通常是用4000FTU的浊度校准液，通过稀释而得到不同的浊度校准。然后对仪器进行标定，用FORMAZIN浊度标定液来校正得到FTU(Formazin Turbidity unit)值;用AEP-I标

11、定液得到的NTU值（Nephelometry Turbidity unit）。由于OBS测得到数据是一个浊度值，需要经过泥沙校准才能得到水体泥沙实际浓度值。泥沙校准可分为现场泥沙标定和室内泥沙标定两种方法。现场泥沙标定是通过测量时与OBS同步采水样，然后测定现场采集水的含沙浓度,再对OBS浊度进行标定，通常采取垂线测量取样的方法，即将OBS放入不同水深的水体中，用实时观测方法测量，时间间隔设置为1秒，每一层保持2030秒时间；在同一水深,采集水样,称重可得到一组相应泥沙的实际值，然后用回归法对所测得到浊度值进行标定。最好在一个潮周期内作两次采样标定，因为涨急和转流时泥沙颗粒组成和浓度有很大差异

12、，而粒径对OBS浊度值测量影响较大。另一种是室内标定，即在现场采集泥沙，经室内烘干，用天平称重。在标定槽中放入OBS浊度计,先放一定容积的蒸馏水，此时浊度,泥沙值均为0，然后再逐渐投入烘干的泥样,每次按总量的510投入，这样可以得到1020组不同泥沙含量和浊度对应值。然后再用回归法来相关，得到泥沙校准的目的。图6是笔者在长江口不同地区得到的现场校准曲线和室内标定曲线，现场校准相关系数达到R2=0.77,室内标定相关系数达到R2=0.99。这是因为 现场采水样位置与OBS浊度计测量位置不能完全相同所致。同时可以看出泥沙浓度增加到一定量后由于红外光能量被悬浮泥沙吸收呈现浊度值下降，也就是说泥沙浓度

13、和浊度值存在双值关系，它的拐点位置根据泥沙粒径的差异是不同的，图7说明了这现象。 图6 标定曲线(实三角室内率定：R2=0.99;实心圈野外率定：R2=0.77Fig.6 Relationship between NTU and suspended sediment concentration图7 泥沙粒径、浓度和散射强度之间的关系Fig.7 Relationship between NTU and suspended sediment concentration of different  size particles 从图7中可以明显看出，不同粒径的泥沙对红外

14、光的散射强度是不一样的。粒径小的悬浮泥沙的散射强度明显大，而粒径大的悬浮泥沙对红外光的散射强度小得多。南汇嘴的水体泥沙粒径和南支水体的泥沙粒径相差不大，中值粒径差值仅为1m，所以它们的散射强度曲线基本一致，而横沙小港，由于是南北港串沟，涨落潮流速很大，粗粒径泥沙受潮流的作用容易掀起，现场采样分析它的中值粒径为30m，因此它的散射强度明显变小。所以每次做泥沙校准的泥样建议用现场同步采集的水样或泥样。 4 OBS测量影响因素分析由于OBS浊度计是一个光学测量仪器，他所测量的是悬浮颗粒反射信号，而我们需要得到的是泥沙浓度值，因此在测量和校准中会有诸多影响因素给仪器测量带来误差。4.1 粒径大小在OB

15、S浊度计测量过程中，泥沙粒径的大小对浊度非常敏感，自然水域中悬浮物的粒径尺寸为0.2至500m(溪流,河湾和海洋)，10m颗粒克重的外表面积是100m颗粒克重的10倍。实验显示淤泥和粗沙后向性发散的范围很大，实验室用淤泥和中等程度的泥沙进行实验，他们的敏感度变化系数为3.5，重要的是野外和实验室不同，即使在同一测量区域内也有变化，尤其是在风暴期间水体的泥和沙比例会发生变化，这都会给OBS的测量带来较大的误差。4.2 泥沙浓度在泥沙浓度较高时，发射的红外光会沿着相连路径衰减，因而泥沙浓度增加，后向散射强度减少，这种现象多发生在5kg/m3以上的泥沙浓度测量，图7清楚地说明了这个现象。4.3 泥沙

16、的颜色泥沙的颜色发生变化会降低测量的准确性，白色的方解石反射信号很强，黑色的磁铁矿是吸收红外光的，有色淤泥颗粒的敏感变化从黑色至灰色变化10倍。4.4 水色通常水色对OBS的测量影响很小，除非OBS波长被有色物质吸收很强，而且浓度很高，一般在河流，河湾口和海洋环境中有色物质浓度低不会产生实质性的影响。4.5 气泡虽然自然环境中气泡会发散红外光，但是OBS的信号不会受到实质性的影响，因为大多时候气泡的浓度比泥沙的浓度小两个数量级数，而传感器对矿物质颗粒的敏感度是气泡或有机物质的46倍。因此气泡的干扰对OBS测量没有实质性的影响。但当泥沙浓度和悬浮物质较少时，OBS信号来自浮游生物,水体的气泡浓度

17、较高时会影响浊度数据的。4.6 生物和化学污垢盐水中传感器的附着物会使浊度计读数偏低。海水和淡水中的海藻使散射增强从而引起OBS 数据的偏高，而在清水中传感器的玻璃被清洁后数据会偏高。在清水中使用过长，会在传感器上形成一层类似涂层一样的沉积物，会阻碍红外发射，使读数明显下降。具体使用测量含沙量时还应结合特定的环境率定校准读数和含沙量的关系，以保证准确性提高精度。5 结论(1) OBS3A浊度计测量水体泥沙浓度是一种行之有效的方法，尤其适用于河口海湾地区。(2) 由于OBS3A浊度计它能实时，快速，连续地进行测量,所以它能测量天然水体悬沙浓度 的波动状态以及水体悬沙浓度的垂向分布梯场。(3) 由于OBS3A浊度计装有温度,盐度,深度传感器所以它能方便地测量水体垂向和纵向综合剖面参数。(4) OBS3A浊度计的散射接收强度对泥沙浓度粒径敏感。(5)OBS3A浊度计测量长江口水体泥沙含量在5kg/m3以下，能得到较为理想的线性回归关系。参考文献：1 OBS3A instruction manual D&A Instrument CompanyB.Rev 10. 2001.2吴永进.用_射线回淤仪定点观测镇江港港池淤积变化过程J.泥沙研 究，19