當(dāng)前主要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)沙法的淺述及一種新方法的補(bǔ)充

洪亞?wèn)|　張帆一　韓旭

摘 要：光電測(cè)沙法、同位素測(cè)沙法及超聲波測(cè)沙法，由于其方便快捷并且精度較高的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于水體含沙量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，但三種方法都不能很好地解決高含沙量情況下的測(cè)沙問(wèn)題。比熱測(cè)沙法做為新興的測(cè)量含沙量的方法，無(wú)論在經(jīng)濟(jì)性、實(shí)時(shí)性、便捷性，還是在測(cè)量范圍和精度上都有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其在高含沙量情況下的優(yōu)勢(shì)與光電測(cè)沙法、超聲波測(cè)沙法等形成天然的互補(bǔ)，也使其在含沙量測(cè)量領(lǐng)域有著廣闊的前景。

關(guān)鍵詞：含沙量 比熱容 光電法 同位素法 超聲波法

中圖分類號(hào)：S157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）006-073-02

含沙水對(duì)港口、航道及近海工程等多方面有著重要的影響，對(duì)含沙水中含沙量的測(cè)量，具有十分重要的工程意義。在目前的研究領(lǐng)域中，主要的測(cè)量方法有烘干稱重法、比重瓶法、光電測(cè)沙法、電導(dǎo)率測(cè)沙法、超聲波測(cè)沙法等等。由于各種方法依據(jù)的物理原理不同，每種方法都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)，它們或在測(cè)量精度，或在測(cè)量范圍，或在測(cè)量實(shí)時(shí)性，或在實(shí)現(xiàn)成本上存在著弊端。因此，實(shí)際運(yùn)用中也是根據(jù)不同的工程條件選擇不同的測(cè)量方法。而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量含沙量則是要求在保證一定測(cè)量精度的基礎(chǔ)上，對(duì)測(cè)量的實(shí)時(shí)性有一定要求。目前采取的主要的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量含沙量的方法有光電測(cè)沙法、同位素測(cè)沙法及超聲波測(cè)沙法，或者選用多種方法進(jìn)行相互補(bǔ)充和校正。

本文意在總結(jié)如今已經(jīng)較為成熟和常用的三種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量含沙量的方法，并且提出一種新的方法，即比熱測(cè)沙法，作為含沙量測(cè)量這一領(lǐng)域的拓展和對(duì)常用的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)沙法的補(bǔ)充。

1 常用的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量含沙量方法淺述

常用的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量含沙量方法有很多，由于天然河流泥沙無(wú)論是粒徑分布還是泥沙含量范圍都很廣，因此常需要用不同測(cè)沙方法相結(jié)合才能準(zhǔn)確測(cè)得含沙量。常用的各種含沙量測(cè)量的方法都有其優(yōu)點(diǎn)和弊端，比如烘干稱重法雖然精度較高，但其步驟較為繁瑣、操作較為復(fù)雜、花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，因此常只作為實(shí)驗(yàn)室的準(zhǔn)確測(cè)量。此部分只介紹現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)最常用的三種測(cè)量含沙量的方法。

1.1 光電測(cè)沙法

光電測(cè)沙法主要是基于渾水消光定律。將一束光射入含沙水體后，水體中的顆粒會(huì)吸收一部分光，用光電器件捕獲剩余的透射光，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)一系列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、對(duì)比、匹配等，最終就可以輸出水體的含沙量。

光電測(cè)沙法不僅可以測(cè)量水體含沙量，更是測(cè)量水體中泥沙粒徑的常用方法，其特點(diǎn)就是快速簡(jiǎn)便。光電測(cè)沙法的誤差主要來(lái)自于非線性帶來(lái)的誤差和粒徑變化產(chǎn)生的誤差，但這都可以通過(guò)對(duì)光信號(hào)與含沙量關(guān)系的率定來(lái)減小或消除。

光電測(cè)沙法作為如今比較成熟的測(cè)量含沙量的方法之一，已經(jīng)衍生出許多分支，比如紅外光的光電測(cè)沙法就是如今比較流行的光電測(cè)沙方法。

由于光電測(cè)沙法的局限性，其在高含沙量區(qū)域并不能達(dá)到較高精度，因此多是用于含沙量較小的水工模型試驗(yàn)和沿海水文測(cè)量。

1.2 同位素測(cè)沙法

同位素測(cè)沙法，也叫 射線法，是利用核放射放出的 射線探測(cè)水體中的含沙量的。原理與光電測(cè)沙法類似。當(dāng) 射線穿過(guò)含沙水體時(shí)，其強(qiáng)度會(huì)隨著含沙量的增加而發(fā)生有規(guī)律的減弱，通過(guò)對(duì)探測(cè)器所測(cè)得的數(shù)據(jù)的分析，便可得到其與含沙量之間的關(guān)系。

利用同位素測(cè)沙法測(cè)量含沙量不易受泥沙粒徑、顏色、電源盒溫度、泥沙粒徑等的影響，但同時(shí)泥沙沉積和分層現(xiàn)象對(duì)精度影響較大。同位素測(cè)沙法在我國(guó)發(fā)展得已經(jīng)較為成熟，從上世紀(jì)六七十年代開(kāi)始，已經(jīng)相繼有銫135、镅241等放射元素被運(yùn)用到國(guó)內(nèi)河流的含沙量測(cè)量中。

同位素測(cè)沙法主要適用于高含沙量水體的測(cè)量（適用于含沙量大于或等于2kg），在低含沙量水體中往往誤差較大，與光電測(cè)沙法形成天然的互補(bǔ)，所以常和光電測(cè)沙法結(jié)合使用以擴(kuò)大準(zhǔn)確測(cè)量范圍。但是，隨著核污染的思想被越來(lái)越多的國(guó)家認(rèn)同，一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始禁止同位素測(cè)沙法的使用。

1.3 超聲波測(cè)沙法

超聲波測(cè)沙法主要分為超聲波反射法和超聲波衰減法。超聲波反射法有點(diǎn)類似雷達(dá)的原理，通過(guò)檢測(cè)反射波的數(shù)量來(lái)確定水體的含沙量。超聲波衰減法是通過(guò)檢測(cè)超聲波在發(fā)生散射、反射和吸收后能量的衰減來(lái)確定水體含沙量的。

超聲波測(cè)沙法對(duì)于對(duì)于低含沙量水體較為敏感，測(cè)量精度較高，只是測(cè)量范圍較窄，不太適合在高含沙量的水體中使用。

由于超聲波在水體中傳播時(shí)都會(huì)發(fā)生能量的衰減，為了能夠準(zhǔn)確測(cè)到接收波，就需要發(fā)射波具有一定強(qiáng)度的能量，然而能量過(guò)高的超聲波又會(huì)在水體中產(chǎn)生擾動(dòng)，改變水體的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，甚至?xí)茐哪嗌愁w粒，使水體原本的含沙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，且含沙量越大改變也越大。因此，超聲波測(cè)沙法更適用于對(duì)低含沙量水體的測(cè)量。

2 基于熱學(xué)的比熱測(cè)沙法的簡(jiǎn)單介紹

通過(guò)對(duì)以上三種常用的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量含沙量方法的描述與分析，我們可以清楚地看出，這三種常用的測(cè)沙法在高含沙量的水體中都表現(xiàn)得不完美，所以就需要一種新的方法對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。而比熱測(cè)沙法恰好能夠彌補(bǔ)光電測(cè)沙法、超聲波測(cè)沙法等在高含沙量水體中測(cè)量精度的不足。與其它現(xiàn)有技術(shù)相比，含沙量的比熱測(cè)量法不僅在成本上遠(yuǎn)低于同位素測(cè)沙法、激光測(cè)沙法等，操作上也比烘干稱重法和比重瓶法方便很多、快速很多，并且實(shí)時(shí)性也很好，方便現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)的測(cè)量。

基于熱學(xué)的比熱法測(cè)量含沙量在原理上非常簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)單地說(shuō)，比熱測(cè)沙法是基于水的比熱容和沙的比熱容的差異，通過(guò)測(cè)得含沙水體的整體比熱容，就可以得到對(duì)應(yīng)的水體的含沙量。具體地說(shuō)，當(dāng)含沙水的含沙量一定時(shí)，即水和沙的比例一定，那么含沙水總的比熱容就是一個(gè)定值，當(dāng)外界給含沙水一定的熱量的時(shí)候，含沙水升高的溫度就是一個(gè)與含沙量對(duì)應(yīng)的值。反過(guò)來(lái)說(shuō)，在外界給予含沙水的熱量可以控制的情況下，如果知道溫度升高的值，那么就可以計(jì)算出含沙水的比熱容，并由比熱容得到該含沙水中水和沙的比例，即含沙量。

在實(shí)現(xiàn)方式上，為了達(dá)到工程上所需要的實(shí)時(shí)性，我們可以將加熱設(shè)備的容積設(shè)計(jì)得很小以減小加熱時(shí)間，并且可以將采樣設(shè)備和加熱設(shè)備集成在一起，共同伸入待測(cè)水體中，在水下就可以完成采樣、加熱、測(cè)量的步驟，水面上只要對(duì)水下傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析就可以得到要求的含沙量。整個(gè)操作過(guò)程簡(jiǎn)單快捷，無(wú)技術(shù)難度，可在短時(shí)間內(nèi)獲得大量數(shù)據(jù)。

基于熱學(xué)的含沙量測(cè)量方法雖然簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際運(yùn)用中還是要注意一些問(wèn)題，其中，很重要的問(wèn)題就是溫度的影響。不僅熱量的損失會(huì)帶來(lái)對(duì)溫度的影響，隨著水體含沙量的變化，單位水體的比熱也會(huì)發(fā)生改變，而由于純水的比熱隨溫度是非線性變化的，所以含沙水比熱的變化也不是線性的，而是需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析找到這種變化的規(guī)律。正是由于這種非線性，比熱測(cè)沙法也許在含沙量較低的水體中并不能達(dá)到較高的精度，但其在高含沙量水體的測(cè)量上優(yōu)勢(shì)卻是明顯的。并且，這些溫度因素的影響都可以通過(guò)對(duì)公式的率定排除。

比熱測(cè)沙法是泥沙領(lǐng)域的一個(gè)新的嘗試，當(dāng)前的問(wèn)題會(huì)在今后的研究中得到進(jìn)一步的完善。目前，物理學(xué)的幾大方向幾乎都已經(jīng)誕生出了相應(yīng)的較為成熟的含沙量測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x，唯獨(dú)基于熱學(xué)的含沙量測(cè)量領(lǐng)域還幾乎是一片空白，目前河海大學(xué)的部分師生正在對(duì)此進(jìn)行研究，并已取得了一些成果。

3 總結(jié)

光電測(cè)沙法、同位素測(cè)沙法及超聲波測(cè)沙法，由于其方便快捷并且精度較高的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于水體含沙量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，但三種方法都不能很好地解決高含沙量下的測(cè)沙問(wèn)題。比熱測(cè)沙法做為新興的測(cè)量含沙量的方法，無(wú)論在經(jīng)濟(jì)性、實(shí)時(shí)性、便捷性，還是在測(cè)量范圍和精度上都有著自身的優(yōu)勢(shì)，其在高含沙量情況下的優(yōu)勢(shì)與光電測(cè)沙法、超聲波測(cè)沙法等形成天然的互補(bǔ)，也使其在含沙量測(cè)量領(lǐng)域有著廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔡守允，等.水利工程模型試驗(yàn)量測(cè)技術(shù)[M].北京：海洋出版社，2008.

[2] 熊貴樞，龍毓騫，李兆南.近十年泥沙測(cè)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展[A].江河泥沙測(cè)量文集[C].河南：黃河水利出版社，2000.

[3] 付艷紅，時(shí)鐵彬，徐巖.含沙量測(cè)量方法及比較分析[J].東北水利水電，2010（9）.