光电测沙仪诞生记

  作为世界上含沙量最大的河流，水少沙多、水沙关系不协调，是黄河复杂难治的症结所在。为解决泥沙在线监测的世界难题，一代代黄河人不断探索，苦苦寻求解决之道。

  乘着黄河流域生态保护和高水平发展重大国家战略的东风，黄河水文人总结前人经验，结合水文实际，通过精益求精的试验，历时26300余小时，终于自主研发出一款可以实时在线监测泥沙的仪器，实现了泥沙在线监测方法的技术飞跃和革命性改变，突破了同类仪器应用瓶颈，填补了该领域的空白。7月29日，水利行业专家组对该仪器给出了综合项目评价94.43分的高分，认为该仪器取得了显著的社会效益、经济效益与生态效益，推广应用前景广阔。

  “我们的光电测沙仪突破了现有河流泥沙在线测量的技术瓶颈，实现了0千克每立方米至700千克每立方米的超大量程，这个量程放在全国乃至全世界的河流都是够用的。”创新团队牵头人、黄委河南水文水资源局高级工程师牛茂苍信心十足地说。只见一大一小并排连接的两个不锈钢圆筒，尾部呈倒扣的圆锥体状，头部横截面上小小的圆形镜头是探索泥沙的“窗口”，筒身正面的不锈钢外壳上印着“HHSW·NUG-1型光电测沙仪”。

  泥沙在线监测一直是黄河人致力攻克，却始终悬而未决的难题。为满足新时代下对于水文测报的要求，实现“巡测为主”的黄河水文测验新模式，黄委水文局集合专精水文、通信、软件、电气等所有的领域的“精兵强将”，组建起一支10人的核心科研创新团队（以下简称“研发团队”），集中力量研发真正适用于黄河的泥沙在线监测仪器。

  黄河是世界上含沙量最高的大河，由于其水沙条件的特殊性，市面上常见的测沙仪均不能够满足黄河实际应用场景。这一难题，究竟如何破解？

  早期的同位素测沙仪，对仪器应用及日常维护要求极高，易受外界不确定性因素影响；传统的浊度转换式测沙仪量程小，受流速、含沙量影响大，不适用于黄河这种高含沙河流；振动式测沙仪稳定性略差，容易被水中漂浮物堵塞，需要人工随时处理……

  黄委水文局的开发团队经过讨论，决定要靠自己在泥沙测验方面开辟一条全新赛道——采用光电测沙的方式，研发一款适合黄河水沙条件的测沙仪器。

  新仪器的工作原理不同以往，它利用光强度与含沙量之间的相关关系，建立核心算法模型，由此计算得到含沙量数据。

  原理听上去简单，实践起来却并不是特别容易。研发前期，研发团队实行“5+2”和“白+黑”工作制，小组成员放弃节假日，每天工作15小时。团队以黄河泥沙为蓝本，收集了68万组原始数据，不断做多元化的分析验证，进行了因子校准、多点校正、核心算法模型建立、特定波长光电组件选型测试等实验共计1853次，连续运行2304小时。

  “我们的测控方式、核心算法都是一种从无到有的创新，是奔着全黄河流域都适用、真正的完成全自动在线监测的方向研发的，这在国内国外都是独家。”谈到研发历程，牛茂苍既感慨又骄傲。

  2020年汛前准备期间，光电测沙仪率先安装于小浪底水文站开展比测应用。“小浪底水文测验断面位置特殊，在小浪底水库坝下，每年调水调沙期间都会有高含沙水流出现，且含沙量变化剧烈，便于检验校核仪器的精准度，获得的数据比较有代表性。该仪器此次表现良好，在全河推广应用我们更有信心。”黄委河南水文水资源局副局长孙建民表示，泥沙测验仪器的自主研发，最初就与实践紧密联系，为今天的良好应用打下了坚实基础。

  2020年7月，小浪底水文站对光电测沙仪进行人工比测，取样38次，比测效果良好。2021年，率定取样38次，经分析，监测数据与人工取样测沙结果整体吻合，过程线基本一致；同年，光电测沙仪获得国家知识产权局颁发的“实用新型专利证书”，该仪器在小浪底水文站正式批复投产使用，小浪底水文站也成为黄河干流首个水文全要素在线监测试点站。

  自从有了光电测沙仪，小浪底水文站职工如获至宝。提起这款“神兵利器”，大家赞不绝口，每6分钟一次自动传输到电脑系统内的含沙量数据，完整监测了每一场沙峰的“起承转合”，职工不再需要每隔半小时取一次沙，只需盯紧仪器，在合适的转折点安排取沙测验即可，非常大地节省了人力、物力，更提高了测验精度。“以往我们怕漏过沙峰，要一直取沙样，职工常常彻夜不眠。而且人工取沙样需要静置24小时才能处理样本，不能即时拿到结果。有了这仪器实时监测，不会错过沙峰，而且当时就能得到测验结果，它真是我们的‘定心丸’。”小浪底水文站站长陈志远谈起仪器应用效果，竖起了大拇指，“今年光电测沙仪与人工比测的数据相差仅为2%。接下来，我们还进一步拓展仪器的应用场景范围。”

  由于小浪底水文站应用效果良好，光电测沙仪很快便在河南测区其他干流站推广开来，花园口、黑石关、西霞院……“面对不同的河道情况和水沙特性，研发团队专门设计出轨道安装、柱体安装、浮体安装、固体安装等多种不同的安装方法；考虑后期清理维护，仪器还加载了维护自检和自动清洁洗涤功能，每天定时进行自检自洁，充分预设了在黄河这样高含沙河流中可能遇到的各种情况；我们还在浮体安装的仪器上加装了GPS定位系统，如遇特殊情况仪器掉落，能够准确的通过定位找回，减少损失。”提到仪器的各种创新点，牛茂苍如数家珍。

  3年来，光电测沙仪在黄河流域宁蒙、中游、三门峡、河南、山东等测区，以及新疆、辽宁、山西、陕西、广东等省（区）得到普遍推广应用。因仪器运行稳定，可常年在线连续监测，数据稳定且精度高，得到了水利部水文司、水利部信息中心、黄委水旱灾害防御局、黄委水文局等多家单位好评。

  创新初期，面对种种质疑，研发团队化质疑为动力，在质疑中寻找问题、处理问题，逐渐完备光电测沙仪的功能和适合使用的范围。“我们还在想，有没有很好的方法通过这款仪器代替传统的输沙率测验。如果能用仪器测得的单沙结果推算出输沙率，就能不用派大量人力出船一两个小时去测验。这是我们下一步研究的方向和目标。”孙建民认为，光电测沙仪的发展，还有非常长的路要走。冰期泥沙的在线监测、极端恶劣环境下仪器的使用等，都是他们未来打算解决的问题。

  “研发团队人员都是水文局在职职工。大家在做好本职工作的同时，主动加班加点开展试验。在技术上，单位还为我们聘请光学专家解决技术难题。目前，光电测沙仪已先后获中国水利教育协会颁发的‘水利职工创新成果二等奖’、黄委三新认定等奖项。”看着已小有成效的仪器，牛茂苍话语中满是骄傲。

  光电测沙仪是黄河水文泥沙测验方式变革道路上飞跃的一步，而在实现“巡测为主”的黄河水文测验新模式过程中，将有更多的在线监测仪器应用于大河上下，助力黄河流域水利高质量发展。

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