OBS浊度计测量泥沙浓度的方法与实践研究

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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（OpticalBackSc

2、attering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

3、测量浊度，见图1。图1光学散射示意图Fig.1Opticalparticledetectors图2散射强度与散射角度特征图Fig.2Scatteringsintensityvsangle   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°～图3OBS3A浊度计原理框图Fig.3SketchmapofOBSworkingprinciple160°之间的散射信号，在空气

5、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。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

6、采样使用。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0-4000FTU0～200m0～38℃40PSU‰±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扫描数采样间隔/

7、s河流260～200900海岸4～10256～1024300～900河口湾4～860～1024900～3600     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40～3600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沙同步观测，以南支为例，利用OBS浊度仪对水体

8、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