激光粒度分析儀在水利河道沉積物分析中的應(yīng)用

劉建紅，邵 紅,劉紅艷

(1.延安水文水資源勘測局， 陜西 延安 716000；2.榆林水文水資源勘測局，陜西 榆林 719052)

1 檢測儀器選型與實(shí)驗(yàn)樣本來源

1.1 激光粒度分析儀性能指標(biāo)與標(biāo)定校準(zhǔn)

為實(shí)現(xiàn)對水利河道沉積物中顆粒物質(zhì)的分析，選擇黃委中游水文局泥沙室的兩臺激光粒度分析儀作為樣本測定的主要儀器[1-2]。儀器型號為YRCC·NKG-2800型，制造日期為2020年3月。儀器工作原理如圖1,在此基礎(chǔ)上，設(shè)定此次實(shí)驗(yàn)中儀器操作性能指標(biāo)，如表1所示。

圖1 激光粒度分析儀工作原理

本次試驗(yàn)選在黃委中游水文局泥沙室，符合儀器規(guī)定要求的使用環(huán)境及安裝條件，因此，通過采樣后實(shí)驗(yàn)室檢測即可。

YRCC·NKG-2800型激光粒度分析儀使用標(biāo)準(zhǔn)粒子(碳酸鈣CaCO3)進(jìn)行儀器自校準(zhǔn)(標(biāo)定)[3-4]。標(biāo)定校準(zhǔn)是確保儀器在應(yīng)用中具有較高精準(zhǔn)度與較強(qiáng)實(shí)操性的主要措施之一，此次標(biāo)定機(jī)組結(jié)果準(zhǔn)確性符合出廠標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。標(biāo)定結(jié)果如表2所示。

表1 激光粒度分析儀性能指標(biāo)

表2 YRCC·NKG-2800型激光粒度分析儀標(biāo)定校準(zhǔn)結(jié)果

綜合上述標(biāo)定校準(zhǔn)結(jié)果可知，選用的儀器準(zhǔn)確性符合此次應(yīng)用實(shí)驗(yàn)需要。

1.2 水利河道沉積物樣本

本次用于試驗(yàn)分析的樣本采集于黃河中游的黃河河曲水文站、無定河白家川水文站的懸移質(zhì)沙樣以及黃河山東利津河床質(zhì)[6-7]。實(shí)驗(yàn)樣本已經(jīng)經(jīng)過了1.0 mm的水篩處理。試驗(yàn)沙樣基本情況如表3。

表3 2021年顆粒質(zhì)量檢驗(yàn)試驗(yàn)沙樣基本情況

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

完成上述相關(guān)研究后，利用水利河道沉積物樣本中顆粒群具有的散射效應(yīng)，使用YRCC·NKG-2800型激光粒度分析儀，對水利河道沉積物樣本中的粒度分布進(jìn)行分析。將上述表3中采集的樣本放置在分析儀中，沉積物中的顆粒在儀器發(fā)射激光的照射下將發(fā)生散射反應(yīng)，此時，散射光的角度將與沉積物中顆粒直徑呈反比例變化關(guān)系，對應(yīng)的散射光強(qiáng)度也將在角度發(fā)生增加變化后，出現(xiàn)對數(shù)衰減規(guī)律。儀器在發(fā)出激光光束后，進(jìn)行光束的擴(kuò)束、濾波等處理，最終光束發(fā)生匯聚，匯聚后的激光光束照射到被測樣本區(qū)域，不同粒徑的沉積物在激光的照射下產(chǎn)生大量散射譜，對應(yīng)的散射譜將通過傅里葉鏡片聚焦，并被其后端的光電探測針主動接收。接收后的散射譜在儀器中沿著放大線路被持續(xù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行處理。按照此種方式，便可以在計(jì)算機(jī)設(shè)備的監(jiān)測終端，提取不同測試樣本的顆粒群粒度、空間分布等參數(shù)。將所獲取的參數(shù)信息導(dǎo)入粒度處理分析軟件，即可得到本次實(shí)驗(yàn)所需的多項(xiàng)水利河道沉積物粒度測試指標(biāo)。在進(jìn)行沉積物的分析中，對激光粒度儀的具體應(yīng)用操作如下：

第一步，使用蒸餾水對水利河道沉積物進(jìn)行浸泡，浸泡后在溶液中加入過氧化氫，避免水體中的有機(jī)物對激光粒度儀測定結(jié)果造成影響。

第二步，調(diào)試激光粒度儀的測試范圍、測量速度SOP等功能。要保證相關(guān)操作在軟件規(guī)范化指導(dǎo)下實(shí)施，避免人為操作對激光粒度儀檢測結(jié)果造成偏差。

第三步，調(diào)整激光粒度儀的泵送速度，保證不同粒徑的沉積物可以均勻進(jìn)入檢測區(qū)域。

第四步，將計(jì)算機(jī)等輔助性工具與激光粒度儀進(jìn)行連接，對測量結(jié)果進(jìn)行整理與計(jì)算，統(tǒng)計(jì)沉積物中顆粒粒度與粒徑，根據(jù)測量結(jié)果繪制沉積物粒度眾數(shù)分布曲線。以此完成基于激光粒度儀的水利河道沉積物粒徑與分布測定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 誤差統(tǒng)計(jì)

在分析沉積物中顆粒粒度時，可以參照公式(1)計(jì)算：

C(i)=T(i)-D(i)×(1-γ)

(1)

式中：C(i)為測試樣品i的顆粒粒度百分含量，%；T(i)為全樣i的顆粒粒度百分含量，%；D(i)為樣本分散狀態(tài)下的顆粒粒度百分含量，%；γ表示為樣本中沉積物含量。實(shí)驗(yàn)中將儀器檢測得到的相關(guān)數(shù)據(jù)代入計(jì)算公式(1)，得到不同測試樣本的顆粒粒度。

實(shí)驗(yàn)過程中，對YRCC·NKG-2800型激光粒度分析儀的操作按照國家水利行業(yè)發(fā)行標(biāo)準(zhǔn)《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》(SL 42—2010)文件執(zhí)行，試驗(yàn)分析精度指標(biāo)按照規(guī)程SL 42—2010第7.2.8條規(guī)定執(zhí)行。

2.1.1 重復(fù)性測試誤差統(tǒng)計(jì)分析

通過上述實(shí)驗(yàn)，得出試驗(yàn)結(jié)果,如表4。

表4 YRCC·NKG-2800型激光粒度儀重復(fù)性測試誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

續(xù)表4

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，YRCC·NKG-2800型激光粒度儀重復(fù)性測試誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果滿足規(guī)程SL42—2010中7.2.8條對重復(fù)性規(guī)定的小于2的要求。

2.1.2 平行性測試誤差統(tǒng)計(jì)分析

通過上述試驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表5。

表5 YRCC·NKG-2800型激光粒度儀平行性測試誤差統(tǒng)計(jì)分析

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，YRCC·NKG-2800型激光粒度儀平行性測試誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果滿足規(guī)程SL 42-2010中7.2.8條對平行性規(guī)定的小于3的要求。

2.2 沉積物粒徑區(qū)間分布檢測結(jié)果

再利用激光粒度分析儀對沉積物粒徑分布的區(qū)間范圍進(jìn)行檢測，同樣將細(xì)沙1號、中沙2號和粗沙3號作為實(shí)驗(yàn)樣本，針對三種能夠類型沉積物在水利河道當(dāng)中的分布情況進(jìn)行探究，并將得到的結(jié)果繪制成圖2所示。

圖2 沉積物粒徑區(qū)間分布檢測結(jié)果

從圖2中得出的檢測結(jié)果可以看出，三種不同樣本類型呈現(xiàn)出在B分區(qū)和C分區(qū)體積較大，而在A分區(qū)和D分區(qū)體積較小的分布形式。這一分布情況與該水利河道實(shí)際三種沉積物的分布情況完全相同。

3 結(jié)果討論

基于激光粒度分析儀得到的測定結(jié)果，對水利河道當(dāng)中沉積物測定時影響測定精度的因素進(jìn)行分析[8]。在水利河道當(dāng)中的沉積物通常是方解石這一陸源碎屑，在測定中可通過顯微鏡直觀區(qū)分出方解石這一類型的沉積物，但在利用激光粒徑分析儀進(jìn)行測定時無法實(shí)現(xiàn)對生物成分與方解石碎屑成分的有效區(qū)分。因此，在成巖作用的影響下，方解石的存在會在一定程度上影響到最終的測定精度[9-10]。針對這一問題，在實(shí)際測定中可通過重力管的應(yīng)用解決，以此降低方解石對最終測定結(jié)果精度的影響程度，從而進(jìn)一步提升激光粒度分析儀的應(yīng)用效果。

4 結(jié) 語

利用激光粒徑分析儀進(jìn)行測定時無法實(shí)現(xiàn)對生物成分與方解石碎屑成分的有效區(qū)分，在后續(xù)應(yīng)用這一儀器設(shè)備對不同環(huán)境中的沉積物進(jìn)行測定時，可以結(jié)合本文上述論述內(nèi)容，通過重力管的應(yīng)用解決，不僅能夠確保分析結(jié)果的可靠性，同時還能夠結(jié)合分析得出的結(jié)果實(shí)現(xiàn)對沉積物分布特點(diǎn)的分析。將這一儀器設(shè)備與其他測量方法結(jié)合，也可進(jìn)一步促進(jìn)分析結(jié)果的精度提升。