基于物理學原理的懸沙含量測量方法新進展

劉冬雪，趙丹茹

(浙江省河海測繪院，浙江 杭州 310008)

1 問題的提出

河口輸沙量和泥沙運動規(guī)律的研究直接關系到正確估算水土流失、航道港口的沖淤變化、河口岸灘塑造、近岸水產(chǎn)養(yǎng)殖開發(fā)和軍事海洋等重要問題［1］。而我國境內(nèi)的大江大河經(jīng)過多級水利工程開發(fā)之后，流域植被覆蓋逐年減少，再加上近年氣候變化與極端天氣頻現(xiàn)，使得河流水文呈現(xiàn)波動與變化的趨勢，也使得河流泥沙研究越來越重要［2］。長期以來，研究人員一直積極探索含沙量測量的準確方法和新型儀器，國內(nèi)外學者一方面努力從光學、聲學和其他物理學方向探索測量懸浮泥沙的技術(shù);另一方面不斷對已有的技術(shù)進行改進，提高其測量范圍和測量精度［3］。雖然目前測量含沙量的方法較多，但由于其適用范圍、精度和影響因素等方面的限制，一些方法還需進一步研究和驗證，因此能在實際測量中可采用的方法并不多。本文對基于物理學原理的懸沙含量測量方法的特點、研究進展及影響因素進行分析，闡述其目前的理論研究成果和實際應用能力，為現(xiàn)有測量方法的應用研究提供一定的思路，也為測量人員在不同水體環(huán)境中選擇合適的測量方法提供參考。

2 懸沙含量的測量方法概述

目前，懸浮泥沙含量的測量方法較多，根據(jù)測量原理的不同可分為:直接測量方法和間接測量方法［4］。

直接測量方法包括重量法和比重法，此2種方法也是傳統(tǒng)方法。其中重量法雖然操作過程繁雜，效率低，不便于對泥沙含量變化過程進行連續(xù)、實時監(jiān)測，但由于其準確度高，在實際測量中仍有廣泛的應用;與重量法相比，比重法所用設備簡單，測量方法更快更直接，但由于其測量精度比重量法低，目前實際應用相對較少。間接測量法主要是利用物理學原理進行測量的方法，涵蓋了光、電、聲、熱及核子性質(zhì)，目前研究較多的有OBS法、電導率法、γ射線法、比熱容法、振動法和激光法等。

3 基于物理學原理的懸沙含量測量方法分析

3.1 OBS法

OBS(Optical Back Scattering)是通過接收紅外輻射光散射量觀測懸浮顆粒，建立水體濁度與實測懸沙濃度之間的相關關系，并進行濁度轉(zhuǎn)化，從而得到OBS觀測的懸沙濃度。用OBS來測量水體泥沙含量，其最主要的優(yōu)點是操作簡單，能夠快速、實時、連續(xù)測量，且基本不受天氣條件的制約［5-6］。由于OBS-3A濁度計配有CTD傳感器，所以在測泥沙濃度的同時也能采集到該點的溫度、鹽度和深度的實時同步測量數(shù)據(jù)［7］，大大簡化了測量步驟，提高了測量效率，降低了測量成本。由于OBS受測量環(huán)境變化的影響比較顯著，有很多因素影響其輸出值，其中包括鹽度、泥沙粒徑、泥沙顏色和泥沙含量等，因此，在條件允許的情況下應盡量避免室內(nèi)標定，而采用現(xiàn)場標定，并將所得曲線進行分段擬合，這樣能減少標定誤差，以得到更準確的結(jié)果。目前，這種方法已廣泛應用于懸沙濃度變化觀測研究中［8-10］，如長江口、深圳河口以及錢塘江等，主要用來確定水體濁度變化的影響因素、泥沙的沉積速率以及泥沙輸運通量等與水體含沙量相關的研究。

3.2 電導率法

戴茜等［11-12］對電導率法測定懸浮泥沙含量進行了相關研究，通過測量不同懸浮泥沙含量水體的電導率值，初步建立起電導率與泥沙含量之間的關系，發(fā)現(xiàn)混合水體的電導率與泥沙含量之間存在較好的負線性關系，并在此基礎上，通過大量的比對試驗及對試驗數(shù)據(jù)進行分析，初步建立在較大的溫度、鹽度和粒度變化范圍內(nèi)，懸浮泥沙含量與電導率之間的基本關系。研究發(fā)現(xiàn):影響電導率與泥沙含量關系的因素中，鹽度最大，溫度次之，而粒度的影響很小，可以忽略不計。由于上述因素的影響，使電導率測沙法的適用條件受到一定限制，目前尚處在理論研究階段。

3.3 γ射線法

γ射線在含沙水溶液中發(fā)生康普敦—吳有訓效應，其透射強度服從指數(shù)衰減規(guī)律，衰減的快慢程度與被測水體的含沙量有關，因此，可以利用γ射線衰減與水體中泥沙含量的關系推求泥沙含量［13］。但由于γ射線輻射源可能會造成環(huán)境污染，使工作人員受到輻射傷害，故黃洪生等選用銫137作為輻射源，其半衰期為30～31a，強度為1mCi，從而克服輻射過強的問題［14］。雷廷武等［15-17］對 γ射線測量含沙量的方法及算法進行研究，并研制出徑流含沙量與流量測量系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測泥沙含量的連續(xù)變化過程，測量簡便、準確度較高，并且不受泥沙粒度的影響，但在實現(xiàn)動態(tài)測量方面還存在一定的局限性。

3.4 比熱容法

比熱容法是一種新型的測沙方法，該方法利用改制的比熱容測量儀測定不同含沙量水體的比熱容，建立含沙量與比熱容之間的相互關系，進而通過測量渾水的比熱容確定水體含沙量。張帆一等［18-19］對此方法進行研究發(fā)現(xiàn)水體中的泥沙濃度與比熱容呈顯著的負線性關系，本測法對低含沙量水體的測量結(jié)果有較大誤差，而在高含沙量水體中的測量結(jié)果可靠，故比熱容法提出了一種對于高含沙量水體的較為精確且快速的測量方法，對可快速測量含沙量的光電、聲學測法的缺陷即不易測準高含沙量水樣的含沙量進行了補充。由于比熱容測量精度與測量速度直接影響渾水含沙量測量的效果，因此，設計高精度、快速測量的比熱容儀器是基于熱力學原理測量含沙量的關鍵。目前，此方法仍在研究論證階段，尚未投入實際應用。

3.5 振動法

振動法是利用振動學原理，根據(jù)諧振棒在不同含沙量的泥水中的振動周期不同來推求含沙量。王智進等［20-21］對振動式懸移質(zhì)測沙儀器的關鍵技術(shù)進行了研究，并對儀器應用進行了大量的試驗。2003年09月，該儀器在黃河小浪底水庫的防洪預泄工作中進行了初試應用，結(jié)果表明:振動式懸移質(zhì)測沙儀能夠快速、準確地監(jiān)測和記錄含沙量的實時變化，測量范圍大，受泥沙粒徑變化影響小，長時間工作穩(wěn)定性較好，并提供了數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)闹悄芙涌?，便于?shù)據(jù)遠程傳輸，為實現(xiàn)水文測量數(shù)字化打下了基礎。

3.6 激光法

激光測沙法是基于激光衍射的原理，將測得的水中懸浮物質(zhì)的體積分布轉(zhuǎn)換為重量分布來測量含沙量。趙昕等［22-23］在對激光法的試驗與研究中，探索出了激光類測沙儀應用于長江泥沙測驗的一套完整的操作方案，數(shù)據(jù)處理模式與方法以及測沙適應范圍，并編制了相應的技術(shù)文件與數(shù)據(jù)后處理軟件。杜耀東［24］等對含沙量的推算方法進行了改進，使用多元線性回歸法計算出含沙量，有效地增加了結(jié)果的精確性和穩(wěn)定性，但由于天然河流的復雜性，其應用有一定局限性，比如漲水過程中采集到的測量數(shù)據(jù)分布較亂，有待進一步研究。此外，體積濃度與重量含沙量之間的轉(zhuǎn)換方法仍需要改進。現(xiàn)場激光粒度分析儀 (ISST-100X)可以同時測量含沙量、顆分級配、水深、水溫、光透度、光的衰減等，長江水利委員會水文局目前已引進多臺現(xiàn)場激光粒度分析儀，并建立了三峽泥沙報汛系統(tǒng)，測站將數(shù)據(jù)輸入自動報汛系統(tǒng)，通過超短波、電話、衛(wèi)星等信道進行數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)的建立為泥沙的現(xiàn)場監(jiān)測和自動報汛提供了發(fā)展思路和研究參考。

4 結(jié)語

綜上所述，泥沙含量的直接測量方法操作簡單，測量結(jié)果較準確，其中傳統(tǒng)的重量法仍是目前使用最普遍的測量方法，但其無法連續(xù)、實時監(jiān)測泥沙濃度的變化過程。目前，在對港口和航道沖淤動態(tài)過程的研究中，現(xiàn)場快速、實時、準確地測量水體含沙量十分重要。為此，對基于物理學原理的間接測量法的研究越來越多，如光學方法中OBS能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)測量且已得到廣泛應用，但是影響其輸出值的因素較多，故現(xiàn)場標定的準確性尤為重要;γ射線法能夠較好地實現(xiàn)現(xiàn)場含沙量的測量，方法快捷、簡便、準確可靠，但在實現(xiàn)動態(tài)測量方面還存在一定的局限性;振動法測量含沙量范圍大，受泥沙粒徑變化影響小，長期穩(wěn)定性好，但需進一步的應用來驗證其適用性;激光類測沙儀已經(jīng)在長江三峽的泥沙報汛系統(tǒng)中得到應用，但由于其原理是將測得的水中懸浮物質(zhì)的體積分布轉(zhuǎn)換為重量分布，故將體積濃度轉(zhuǎn)換成重量含沙量的方法直接關系到數(shù)據(jù)的精度，需要進一步研究和完善;電導率法和比熱容法仍處于理論研究階段，無論是準確性還是測量范圍都有待于進一步提高。此外，懸沙儀和測量海洋動力要素的儀器組合成一個測量系統(tǒng)，對懸浮泥沙本身的特性及引起其運移的海洋動力條件進行綜合研究是非常必要的。

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