動態(tài)圖像儀與激光粒度儀的測試對比及其應用

羅 章，陳沈良*，張國安，蔡 斌

（1.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062；2.德國萊馳科技，上海 201204）

動態(tài)圖像儀與激光粒度儀的測試對比及其應用

羅 章1，陳沈良1*，張國安1，蔡 斌2

（1.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062；2.德國萊馳科技，上海 201204）

分別采用Camsizer XT型動態(tài)圖像儀和LS 13 320型激光粒度儀進行長江口沉積物粒度測試，并對測試結果進行分析比對。動態(tài)數(shù)字圖像儀的測量結果重復性比激光粒度儀好，其測得的等效球徑（Xarea）和激光法測量值更接近，且比投影寬度（Xcmin）和激光法測量值更穩(wěn)定。兩種方法粒度測量結果基本一致，粒度參數(shù)相關性好；動態(tài)圖像法在大顆粒測量上更準確，而激光法在亞微米顆粒測量上更具優(yōu)勢；動態(tài)圖像法的測量結果具有更豐富準確的粒度和粒形數(shù)據(jù)，并且測量時間短、效率高。以崇明東灘南北近岸為例，將動態(tài)數(shù)字圖像法應用于沉積物分析，結果表明：北部以細粉砂和極細粉砂為主，灘地略淤積，南部則以細砂和粗粉砂為主，灘地微侵蝕；北部沉積物分選性比南部好，峰度值比南部大，偏度值差別不大，大多表現(xiàn)為極正偏；向外沉積物顆粒變粗，球形度和寬長比變好，且南部的球形度和寬長比的變幅比北部大。

動態(tài)圖像法；激光粒度儀；沉積物；粒度分析；崇明東灘

沉積物粒度分析是海洋沉積動力學研究的必要手段[1-4]，它對解釋沉積物來源、判斷沉積環(huán)境和水動力條件具有重要意義。長期以來，學者們采用篩析法、沉降法以及激光粒度儀等來度量沉積物的粒徑，這些方法往往能夠有效地得到準確的粒度值，但在測量效率和顆粒形態(tài)分析上還有不足[5]。動態(tài)圖像儀是基于動態(tài)數(shù)字圖像分析技術的粒度粒形分析方法[6]，可有效地解決不規(guī)則沉積物顆粒的形態(tài)分析難題[7]。在國際上，已有眾多學者對其進行了研究應用，其中在海洋地質領域也有諸多應用[8-11]。本文選取長江口外及崇明東灘若干沉積物樣品，采用動態(tài)圖像儀和激光粒度儀分別進行測試并對比，然后利用動態(tài)圖像法的測試結果，分析崇明東灘南北近岸的沉積動力環(huán)境。

1 測量原理及操作

1.1 激光粒度儀

激光粒度儀是基于激光和樣品顆粒相互作用，利用光散射原理測量懸浮液體中的粒度分布[12-14]。本文研究采用美國Coulter公司生產的LS 13 320型激光粒度儀，該粒度儀是按照ISO 13320-1設計，主要部件包括測量系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、分散系統(tǒng)和運算軟件系統(tǒng)。測試時，將預處理過的樣品放入樣品槽，經儀器超聲波和水泵循環(huán)分散成懸浮液后即可測量；其測量范圍是20 nm～2 000 μm。

1.2 動態(tài)數(shù)字圖像儀

動態(tài)圖像儀是按照IOS13322-2標準，基于動態(tài)數(shù)字成像技術研制的粒度粒形分析儀。測試時將分散后樣品進入測試腔，被CCD鏡頭實時捕捉，然后通過圖像數(shù)字化分析得到顆粒的粒度和形態(tài)信息。本文采用的是德國Retsch Technology（萊馳科技）公司生產的Camsizer XT粒度粒形分析儀的濕法模塊，該儀器擁有雙CCD成像技術專利。樣品的前處理方法和激光粒度儀前處理一樣，測試時將分散后的懸浮樣品放入測試槽，待樣品在測試系統(tǒng)中循環(huán)均勻后開始測量；其測量范圍是1～30 000 μm。測量時，數(shù)字分析系統(tǒng)將鏡頭捕捉到的顆粒信息進行分析，得到不同定義的粒度和顆粒形態(tài)信息[7]；主要包括投影寬度（Xc）、等效球徑（Xarea）、弗雷特長度（XFe）以及定向等分徑（XMa）等粒度信息和球形度、寬長比、對稱性以及凹凸性等形態(tài)信息。Xarea指的是與投影面積相等的球形直徑，Xcmin是沿投影面所有測量方向上的最大弦的最小值。本文分別采用Xcmin和Xarea與激光粒度儀測量數(shù)據(jù)進行對比分析，探究其異同。

2 樣品采集與處理

圖1 長江河口及沉積物取樣位置

樣品在測試前都必須經過預處理[15]，首先取沉積物樣品置于玻璃杯中，加純凈水和0.5 mol/L的六偏磷酸鈉（[NaPO3]6）溶液浸泡24 h，每隔8 h輕輕攪拌1次，使其充分分散；然后加10%鹽酸煮沸，加入純水，靜置一夜后抽掉純水，反復清洗至除去酸離子為止；最后將樣品用超聲振蕩儀振蕩30 min，使其充分分散成懸浮液后倒入樣品測試槽。

3 測量數(shù)據(jù)及實驗結果

3.1 測量結果的重復性

重復性是指在短時間內同一操作人員在正確操作下使用同樣的方法在同一實驗室內用同一儀器對相同樣品做多個單次測試，所得測試結果之間的重合程度。重復性是反映儀器精密度和性能的一項重要指標。本次重復性實驗采用崇明東灘北部的一個沉積物樣品，分別用激光粒度儀和動態(tài)圖像儀做10次測量（表1）。

表1 LS 13 320和Camsizer XT重復性測試結果

統(tǒng)計結果顯示，激光法與動態(tài)圖像法的Xcmin值相比：D10的平均值約小3 μm，中值粒徑（D50）和平均粒徑（Mz）的平均值約大3 μm，D90的平均值約大15 μm，分選系數(shù)（σI）的平均值約大0.7，偏度（SKI）的平均值約大0.15，峰度（KG）的平均值約大0.1；激光法與動態(tài)圖像法的Xarea值相比：D10的平均值小3.8 μm左右，D90的平均值大5 μm左右，分選系數(shù)的平均值大0.6左右，偏度的平均值大0.2左右，峰度的平均值大0.1左右，D50和Mz的平均值二者相當。由標準偏差可以看出，三者的標準偏差都很小，三組數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)出D90的標準偏差值最大，Mz和D50次之的特點。通過總體比較可以得出，激光法的標準偏差最大，Xcmin次之，Xarea最小。從相對標準方差（RSD）來看，三組數(shù)據(jù)中偏度的RSD值最大（> 1.2%），D90、峰度和Mz次之；總體而言，激光法的相對標準偏差最大，Xcmin次之，Xarea最小。

從三組重復性測試結果來看，動態(tài)圖像法的數(shù)據(jù)值更穩(wěn)定，重復性更好；其中Xarea值較Xcmin穩(wěn)定，其各項參數(shù)和激光粒度儀的參數(shù)值更接近。

3.2 測量結果的比較

3.2.1 兩種方法粒度參數(shù)對比 沉積物粒度參數(shù)是反映粒徑分布的統(tǒng)計參數(shù)，表征粒度特性的重要數(shù)據(jù)，判斷沉積物來源、沉積環(huán)境和水動力條件的重要依據(jù)，在沉積物分析中具有重要意義。粒度參數(shù)計算方法主要有圖解法和矩法兩種[16]。本文采用圖解法中的Folk-Ward公式[17]來計算，分別將計算得的激光法和動態(tài)圖像法（Xcmin，Xarea）的粒度參數(shù)進行對比（圖2）。

城軌交通的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)信息呈J型趨勢增長，先前單位的檔案管理模式已無法滿足日益增加的數(shù)據(jù)量，大部分單位都在探索新時代下檔案管理辦法。單位人事檔案管理直接影響到單位的企業(yè)形象和單位的發(fā)展方向。單位領導們也開始注重各部門的檔案管理辦法基礎作用，[1]加強人事檔案管理人員的培訓和職業(yè)操守。檔案管理中基層的材料收集工作十分重要，如要做好必須要有扎實的基本功。為了快速解決目前所面臨的問題，文中設計了幾種信息化時代該如何快速實現(xiàn)檔案管理的辦法。[2]

圖2 動態(tài)圖像儀與激光粒度儀測得的粒度參數(shù)比較

圖2中左圖比較了激光法和動態(tài)圖像法Xcmin測量值計算的D50，MZ，σI，SKI和KG這5個粒度參數(shù)。可以看出，兩種方法測得的粒度參數(shù)值大小接近，變化趨勢一致；激光法測得的結果所計算的5個參數(shù)值均不同程度地比動態(tài)圖像法的Xcmin偏大，σI和SKI的差值比其他參數(shù)更明顯。究其原因主要是：激光粒度儀測得的顆粒粒徑相當于相同衍射角的球體的直徑[5]，對于不規(guī)則的顆粒來講，截面積的平均值要大于相同體積的球體[18]，所以激光粒度儀測得的不規(guī)則顆粒粒徑值大于等效球徑；而動態(tài)數(shù)字圖像儀的Xcmin是指沿投影面所有測量方向上的最大弦的最小值，其數(shù)值比等效球徑小[7]。因此，對于不規(guī)則顆粒的粒徑測量，激光法測量的粒徑和動態(tài)圖像法的Xcmin之間有著不同定義原理上的差別，也就造成了激光粒度儀測得數(shù)據(jù)計算出的平均粒徑比Xcmin的值偏大。

圖2中右圖是激光法和動態(tài)圖像法Xarea測量值計算的5個參數(shù)的對比圖，圖中動態(tài)圖像法測得Xarea的D50和MZ比激光法偏大，σI和SKI比激光法偏小，KG值二者交叉的特點。其主要原因主要是：二者量程不同，激光粒度儀的量程是0.2～2 000 μm，動態(tài)圖像儀的量程是1～30 000 μm，動態(tài)圖像儀測量的最小粒徑比激光粒度儀大，樣品中有一小部分亞微米顆粒測量不到，而激光粒度儀可以測量，因而動態(tài)圖像法測得的D50和MZ相對較粗[5]；由于量程差異造成了激光粒度儀粒度頻率累積曲線小粒徑部分相對動態(tài)圖像儀會左偏，大粒徑部分右偏，即兩條曲線相交（見圖3）。所以結合圖3，從Folk-Ward粒度參數(shù)計算公式[17]中就可以判斷出激光法的分選系數(shù)和偏度一定會比動態(tài)圖像法要大，而峰度值的大小不確定就會出現(xiàn)相互交叉的特點。

圖3 Camsizer XT和LS 13 320測得的體積級配曲線對比

3.2.2 相關性分析 對激光法和動態(tài)圖像法的Xcmin和Xarea分別進行回歸分析（圖4）。兩種方法測得的中值粒徑和平均粒徑都有很好的相關性，Xcmin和激光粒度儀的D50與Mz的相關系數(shù)分別為0.978 3和0.925 3，Xarea和激光粒度儀的D50與Mz的相關系數(shù)分別為0.984 4和0.927 2。

從圖4可以看出，圖像法測得的Xarea與激光法測得的粒度相關性更好，原因是兩者測量不規(guī)則顆粒粒徑的原理較類似，都是按照等效球徑來定義粒徑的；而圖像法測得的Xcmin是投影寬度，理論上會比Xarea偏小。但Xarea與激光法測得的粒徑仍有一定的偏差，主要是存在操作誤差、實驗器材誤差、實驗的樣本量以及量程不同等原因。另外，根據(jù)實驗結果，兩種方法測定的分選系數(shù)、偏度和峰度的相關性都很好，相關系數(shù)都在0.7以上，峰度的相關系數(shù)最好，達0.89以上。但總體來說，激光粒度儀與Xarea的相關系數(shù)比激光粒度儀與Xcmin的值大。

圖4 動態(tài)圖像儀和激光粒度儀測得中值和平均粒徑的相關性分析

3.3 優(yōu)缺點及誤差分析

激光粒度儀已使用了20多年，具有操作簡單、重復性好以及測量精度高的特點；動態(tài)數(shù)字圖像法是近年來研發(fā)的一種粒度粒形分析測量方法，和激光粒度儀在測量原理上有本質區(qū)別。相對激光粒度儀來講，動態(tài)圖像儀在不規(guī)則顆粒量化上更加完善和細致。

兩種方法的功能參數(shù)對比顯示（表2）：（1）動態(tài)圖像法在大顆粒測量上更準確，而激光法在亞微米顆粒測量上更具優(yōu)勢；（2）動態(tài)圖像法是針對不規(guī)則顆粒本身的量化，激光法是對相同衍射角球體的量化，因此動態(tài)圖像法具有更加準確的粒度和豐富的形態(tài)數(shù)據(jù)；（3）動態(tài)圖像法的測量時間更短，效率更高。

從表1可以看出，動態(tài)圖像法重復性測試的數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，說明此方法準確度更高；二者在樣品前處理上一致，因此取樣誤差和操作誤差基本相同；在測量誤差上，由于沉積物顆粒是不規(guī)則的，激光法將每個不規(guī)則顆粒都量化成相同衍射角的球體，而動態(tài)圖像法則是直接量化不規(guī)則顆粒本身，因此理論上動態(tài)圖像法的測量誤差比激光法要小。

表2 動態(tài)圖像法和激光法對比

目前，海洋地質領域常用的粒度測量方法有篩分法、沉降法、激光法以及動態(tài)圖像法等。篩分法和沉降法是經典的粒度測量方法，準確度高，并一直沿用至今，但其測量時間長、效率低。隨著科技的發(fā)展，新的測量方法和儀器不斷涌現(xiàn)，這些儀器具有準確度高、操作簡單和效率高的特點。盡管不同方法和儀器的測量結果有所差異，但一般認為新的粒度分析方法和儀器優(yōu)于傳統(tǒng)方法[19]。因此在進行科學研究時，最重要的是了解各種分析方法的優(yōu)點和不足，充分利用各自的優(yōu)點，以更準確地分析和利用沉積物的測試結果。

4 崇明東灘南北近岸沉積物分析

沉積物的粒度和形態(tài)特征受到沉積物來源、水動力條件以及海岸類型等因素的影響，其中水動力環(huán)境直接影響粒度和形態(tài)的分布[20]。反之，沉積物的粒度和形態(tài)分布特征也可反映不同位置水動力環(huán)境的強弱。以下以崇明東灘南北近岸為例，采用Camsizer XT型動態(tài)圖像儀測量數(shù)據(jù)，分析粒度和粒形分布特征及其反映的水動力強弱和沉積物來源。

4.1 表層沉積物中值粒徑、球形度、寬長比及對稱度分布特性

崇明東灘北部受徑流和波浪作用較小，潮流是對沉積物作用的主要動力條件[20-22]。根據(jù)實驗結果，沉積物以細粉砂為主，其次是極細粉砂和粗粘土。各斷面由1號點向3號點（圖5），沉積物球形度和寬長比變大，對稱度基本不變，沉積物顆粒總體變粗，這與徐志明[21]得出的潮灘到岸外粒度增大的結論一致，也與McLaren[23]指出的隨著水流能量降低，沉積物在搬運方向上的粒度會越來越細的理論相符。從圖中還能看出，球形度、寬長比與中值粒徑的大小趨勢一致，從近岸向外沉積物顆粒球形度和寬長比越來越好，呈現(xiàn)正相關的關系；從近岸向外沉積物顆粒的對稱度基本不變。

崇明東灘南部近岸靠近長江口北港，沉積物來源豐富[21]，受到強烈的漲落潮的影響，灘面出現(xiàn)沙波[22,24]，沉積物主要以粗粉砂和細砂為主，其次是細粉砂。從圖5可以看出，各斷面1號到3號點，沉積物中值粒徑逐漸變大，球形度和寬長比也逐漸變大，而且球形度和寬長比的變化幅度比東灘北部大。

總體來講，北部近岸受到的徑流和潮流作用較弱，沉積物粒度較細，球形度和寬長比相對穩(wěn)定，且日益淤淺；而南部近岸徑潮流作用較強，沉積物粒度大，球形度和寬長比的差值較大，灘地微侵蝕。

圖5 各采樣點的中值粒徑、球形度、對稱度和寬長比對比

4.2 頻率曲線、分選系數(shù)、偏度和峰度

崇明東灘北部沉積物的頻率曲線大多呈單眾數(shù)分布，少量雙眾數(shù)分布，但南部基本呈雙眾數(shù)曲線，且存在多眾數(shù)曲線。這主要是由于南部潮溝內部強烈的雙向流作用，即漲潮水流在口門處掀起的物質與北港落潮流帶出的物質混合沉積造成的[21]。崇明東灘北部沉積物的分選系數(shù)在0.9～1.3之間，南部分選系數(shù)在1.2～1.9之間，分選系數(shù)北部好于南部。分選系數(shù)是沉積物搬運方向的有效指示[22-23]，也說明北部水動力作用較弱，顆粒較細，南部則相反。北部沉積物粒度的峰度值在0.7～1.1之間，南部在0.6～0.9之間，峰度值北部大于南部。整個崇明東灘近岸沉積物的偏度除少數(shù)點出現(xiàn)微負偏外，偏度值一般在0.3～0.7之間，屬于極正偏。

綜上所述，動態(tài)圖像法可獲取沉積物的粒度和粒形參數(shù)，這為沉積物輸運和沉積動力環(huán)境分析提供更豐富的信息和有效的手段。

5 結論

分別采用動態(tài)圖像儀和激光粒度儀對長江口沉積物粒度進行了測試和比較，并將動態(tài)圖像儀的測量結果應用于崇明東灘南北近岸的沉積動力環(huán)境分析，得到以下認識：

（1）動態(tài)圖像儀的測試結果重復性很好，單樣測量的穩(wěn)定性較激光粒度儀好；動態(tài)圖像法中Xarea值比Xcmin值更穩(wěn)定，且Xarea值和激光法的值更接近。兩者方法測量的結果基本一致，粒度參數(shù)相關性很好。激光法測得的分選系數(shù)和偏度比動態(tài)圖像法偏大，D50和平均粒徑比Xcmin值偏大，比Xarea值偏小，峰度值二者相互交叉。激光法在亞微米顆粒測量上更具優(yōu)勢，而動態(tài)圖像法則在大顆粒測量上更準確，測量結果具有更準確的粒度和豐富的粒形數(shù)據(jù)，并且測量時間更短，效率更高。

（2）崇明東灘南部受到強勁的漲落潮和徑流作用，以細砂和粗粉砂為主，灘地微侵蝕；北部潮灘動力條件較弱，以極細粉砂和細粉砂為主，灘地略淤淺。東灘北部沉積物分選性比南部好，峰度值較南部大，偏度值差別不大，大多表現(xiàn)為極正偏；向外沉積物顆粒變粗，球形度變好，寬長比變大，且南部球形度的變化幅度比北部大。

（3）本次實驗測試的均為長江口細顆粒沉積物，中值粒徑在10～100 μm之間。研究表明，動態(tài)圖像法和激光法在粒度測量上可以相互替換，而且各有優(yōu)缺點；動態(tài)圖像法在不規(guī)則顆粒的粒度和形態(tài)量化分析上比激光法更精準，具有更高的科研價值。

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Comparison and Application of the Dynamic Image Analyzer with Laser Particle Size Analyzer

LUO Zhang1,CHEN Shen-liang1,ZHANG Guo-an1,CAI Bin2
1.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research,East China Normal University,Shanghai 200062,China; 2.Retsch Technology,Shanghai 201204,China

In this paper,samples of sediment taken from the Yangtze Estuary have been measured by dynamic image analyzer Camsizer XT and laser particle analyzer LS 13 320,and the results obtained from the two methods have been compared and analyzed respectively.Two testing methods were adopted to test the reproducibility,and the results show that the variability of statistical parameters of the dynamic image analysis is lower than that of the laser particle size analysis.It also shows that the reproducibility of results from Camsizer XT is more satisfactory.In the present study,the Xareaobtained from the dynamic image analysis is closer to the results of the laser particle size analysis,and is more stable than the Xcminand the results of laser particle size analysis.The two methods have acquired almost the same measurement results of particle size,and the relevance of the particle size parameters is rather good,and the measurement results of large particles through dynamic image analysis are more accurate than those of the other method.In addition,the laser method is superior to the dynamic image analysis method in the measurement of submicron particles.The measurement results of the dynamic image analysis method are more abundant and accurate in particle size and shape than those of the laser method,and the dynamic image analysis method can achieve higher efficiency than the laser method.The grain size analysis of sediment samples in the north and south nearshore of Chongming Dongtan shows that the composition of sediment in the north is coarse clay and fine silt,while in the south is coarse silt and fine sand.There is slight siltation in the north Chongming Dongtan,while,on the contrary,the south has been slightly eroded.The sediments in the northern part have better sorting and higher kurtosis than in the south, while the skewness is approximate to each other,and the sediments in both north and south show positive skewness. As for the outward sediments,the grain size is becoming coarser and the sphericity and the symmetry are becoming better.Furthermore,the variation of sphericity and symmetry in the south was larger than that in the north.

dynamic image analysis;laser particle size analyzer;sediment;grain size analysis;Chongming Dongtan

P736.21

A

1003-2029（2017）02-0046-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.008

2016-05-26

科技部基礎性工作專項資助項目（2013FY112000）；海洋公益性行業(yè)科研專項經費資助項目（201405037）

羅章（1990-），男，碩士研究生，主要從事港口海岸及近海工程研究。E-mail:51142601034@ecnu.cn

陳沈良，男，博士，教授，主要從事河口海岸學研究。E-mail:slchen@sklec.ecnu.edu.cn