基于激光粒度儀的懸移質(zhì)泥沙顆粒級配試驗研究

摘要：

為探究國產(chǎn)激光粒度儀應(yīng)用于懸移質(zhì)泥沙顆粒級配分析時的準(zhǔn)確性及適用性，以贛江外洲水文站為例，利用國產(chǎn)YRCC.NEG-2800型激光粒度儀和馬爾文激光粒度儀對河流泥沙開展了準(zhǔn)確性、重復(fù)性、平行性試驗，并采用最小二乘法分析了兩者試驗結(jié)果的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：國產(chǎn)激光粒度儀的準(zhǔn)確性、重復(fù)性、平行性誤差小于3%，達到SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》要求，可應(yīng)用于江西省河流懸移質(zhì)泥沙顆粒級配分析。國產(chǎn)激光粒度儀與馬爾文激光粒度儀的比測誤差小，測試樣本中最大誤差僅為1.12%，分析的成果精度高。

關(guān)鍵詞：

顆粒級配； 懸移質(zhì)； 激光粒度儀； 最小二乘法； 外洲水文站； 贛江

中圖法分類號：TV142

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.07.002

文章編號：1006-0081（2024）07-0013-05

0 引 言

根據(jù)SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》，泥沙顆粒級配是指小于某粒徑的沙量占總沙量的百分比，泥沙粒徑通常以其質(zhì)地密度相同的球體的某種幾何、物理、化學(xué)性能等效來描述，如與球體等體積（等表面積）球的直徑、與顆粒有相同投影面積圓的直徑（投影面積直徑）、顆粒能通過的最小方孔的篩分直徑、在介質(zhì)中與球體運動特征（速度等）相同球體的直徑等。河流泥沙顆粒分析方法大致分為量測法（含尺量法、篩分法）、沉降法（含粒徑計法、吸管法、消光法、離心沉降法）和激光衍射法。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對泥沙顆粒級配分析技術(shù)進行了研究，楊秀麗等［1］對尺量法、篩分法等5種常用泥沙顆粒分析方法的原理、適用粒徑范圍和特點進行了歸納，對國產(chǎn)光電顆粒分析儀技術(shù)發(fā)展歷程和特點等進行了分析；王亮［2］開展了基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的泥沙顆粒分析研究，著重對分水嶺分割算法的圖像處理技術(shù)進行了試驗；蔣建平等［3］基于激光散射原理利用Bettersize 3000Plus激光粒度儀對含沙量快速施測進行了研究；牛占等［4］利用MS2000激光粒度儀對黃河泥沙顆粒進行了分析；劉建新等［5］對馬爾文MS2000型激光粒度儀在江西河流泥沙顆粒分析中的應(yīng)用進行了研究，結(jié)果表明，MS2000激光粒度儀具有速度快、精度高、人為因素影響小等特點，目前已在江西省水文系統(tǒng)泥沙顆粒分析中全面投入使用。以上研究推進了泥沙顆粒分析技術(shù)更新，但較少有研究對激光法國產(chǎn)儀器的應(yīng)用情況進行試驗分析。為了推進激光粒度儀國產(chǎn)化進程，2022年5月江西省水文監(jiān)測中心引進了一臺YRCC.NKG-2800型國產(chǎn)激光粒度儀，在外洲水文站開展了大量的試驗工作。本文以外洲水文站為例，就該儀器的準(zhǔn)確性、適應(yīng)性等情況進行試驗分析，并與馬爾文MS2000型激光粒度儀試驗結(jié)果進行對比，旨在為國產(chǎn)激光粒度儀的推廣應(yīng)用提供參考。

1 研究區(qū)域概況

外洲水文站設(shè)立于1949年10月，位于江西省南昌市青山湖區(qū)桃花鎮(zhèn)，東經(jīng)115°50′，北緯28°38′，集水面積80 948 km2，占整個贛江流域的97.8%，是長江流域贛江下游重要控制站、國家重要水文站。流量測驗為一類精度，泥沙測驗為二類精度。主要測驗項目有：水位、流量、降水量、懸移質(zhì)含沙量、懸移質(zhì)泥沙顆粒分析、蒸發(fā)、水溫、水質(zhì)等。該站多年平均流量2 160 m3/s，多年平均輸沙量266萬t，多年平均含沙量0.123 kg/m3。該站于1970年開展懸移質(zhì)泥沙顆粒分析項目，在引入馬爾文激光粒度儀之前采用粒徑計法進行顆粒分析。

2 比測設(shè)備及沙樣

本研究采用YRCC.NKG-2800激光粒度儀和馬爾文MS2000型激光粒度儀開展比測試驗。激光粒度儀工作原理是激光器發(fā)出單色光，經(jīng)光路變換為平面波的平行光，射向光路中間的透光試樣槽，分散在介質(zhì)中的大小不同顆粒遇光發(fā)生不同角度的衍射、散射，衍射、散射后產(chǎn)生的光投向布置在不同方向分立的光信息接收與光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器將衍射、散射轉(zhuǎn)換的信息傳給微計算機進行處理，轉(zhuǎn)化成粒子的分布信息［2］。其中，YRCC.NKG-2800 型激光粒度儀采用正反傅立葉結(jié)合光路設(shè)計，結(jié)合傾斜樣品池技術(shù)達到全角度測量，檢測角為165°（進口儀器為135°），測試范圍比馬爾文MS2000激光粒度儀更廣。

依據(jù)米氏理論計算馬爾文MS2000型激光粒度儀和YRCC.NKG-2800型激光粒度儀試驗結(jié)果，計算顆粒體積當(dāng)量等效球徑D，顆粒的體積V=πD3/6，測量成果用小于某粒徑級體積占樣本顆粒群體積的百分?jǐn)?shù)表示。

本次比測試驗收集了外洲水文站測驗斷面處懸移質(zhì)沙樣37份，采取的水樣均嚴(yán)格按照GB 50159-92《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》的懸移質(zhì)泥沙顆粒分析水樣取樣規(guī)定。每份水樣經(jīng)自然沉淀后，均由同一人分別使用YRCC.NKG-2800型激光粒度儀和馬爾文MS2000型激光粒度儀進行分析。

3 比測試驗

3.1 參數(shù)率定

根據(jù)SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》，使用激光法測試粒度分布之前需要進行參數(shù)率定，率定的參數(shù)主要有泵速、超聲波強度、超聲波持續(xù)時間、遮光度等。馬爾文MS2000型激光粒度儀參數(shù)采用設(shè)備投入使用時率定的參數(shù)，對YRCC.NKG-2800型激光粒度儀進行參數(shù)率定，結(jié)果見表1。

3.2 準(zhǔn)確性試驗

激光粒度儀測定的泥沙顆粒級配與被測泥沙真實級配的差值越小，其準(zhǔn)確度就越高［6］。為了確保兩款儀器的準(zhǔn)確性，參照SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》，按國際通行做法，使用標(biāo)準(zhǔn)粒子對儀器的準(zhǔn)確性進行檢測和校準(zhǔn)。

馬爾文儀器公司為MS2000型激光粒度儀配備了已知粒度分布、特征粒徑參數(shù)及分析誤差限的專用“標(biāo)準(zhǔn)粒子”，比測試驗前用“標(biāo)準(zhǔn)粒子”對該儀器進行了準(zhǔn)確性檢測，檢測結(jié)果見表2。YRCC.NKG-2800型激光粒度儀采用棕剛玉進行比對試驗，棕剛玉標(biāo)準(zhǔn)值采用校準(zhǔn)后的馬爾文MS2000型激光粒度儀測量結(jié)果作為真值，比測試驗結(jié)果見表3。

從表2～3可知，馬爾文MS2000型激光粒度儀D10，D50，D90特征粒徑等參數(shù)均在該標(biāo)準(zhǔn)粒子規(guī)定的上下限值以內(nèi)，由此認(rèn)為該儀器的測量結(jié)果是準(zhǔn)確、可信。YRCC.NKG-2800型激光粒度儀與經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)粒子檢驗合格的馬爾文MS2000型對比結(jié)果表明，D10，D50，D90特征粒徑檢測結(jié)果最大相對誤差為2.7%，可認(rèn)為YRCC.NKG-2800型激光粒度儀結(jié)果準(zhǔn)確、可信。

3.3 重復(fù)性試驗

本次試驗選取了具有代表性的3個泥沙樣品，分成2份，分別對2臺儀器進行重復(fù)性試驗，每個沙樣重復(fù)測試20次組成級配樣本系列Gij。

按照SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》檢驗的相關(guān)要求，采用下列公式統(tǒng)計各測次級配系列的均值Gi、標(biāo)準(zhǔn)差σ和隨機不確定度X（要求置信水平為95%）。

Gi=∑Nj=1GijN（1）

σi=∑Nj=1（Gij－Gi）2N－1（2）

X=zσ（3）

式中：Gi為各粒徑級多次測量值系列的統(tǒng)計平均值，%；σi為某粒徑級系列的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差；X為樣本系列不確定度（置信度φ=95%時，z取2.0）；N為重復(fù)試驗次數(shù)。

按照SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》中的規(guī)定，各沙型各粒徑級小于某粒徑沙量百分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差σi均需小于2，樣本系列不確定度X為2倍標(biāo)準(zhǔn)差，即需小于4。

經(jīng)分析，馬爾文MS2000型和YRCC.NKG-2800型激光粒度儀重復(fù)性試驗誤差檢驗成果見表4～5，標(biāo)準(zhǔn)差σi及不確定度X均符合SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》的要求。

通過重復(fù)性檢驗，說明在相同測量條件下，對同一樣品采用國產(chǎn)激光粒度及馬爾文激光粒度儀分別進行多次重復(fù)試驗，馬爾文MS2000型與YRCC.NEG-2800型激光粒度儀重復(fù)性試驗最大標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.22%，0.3%，說明各相應(yīng)粒徑級級配值均非常接近，成果具有較好的一致性。

3.4 平行性試驗

選取4份沙樣，用YRCC.NKG-2800型激光粒度儀進行平行性試驗，每個沙樣平行測試20次，每次取3次測量平均值作為此份沙樣顆粒分析結(jié)果，計算標(biāo)準(zhǔn)差和隨機不確定度。根據(jù)SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》，YRCC.NKG-2800型激光粒度儀測得的各級小于某粒徑體積百分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差滿足小于3%的要求。試驗結(jié)果見表6。

4 相關(guān)關(guān)系分析

選取全部37份沙樣分別用國產(chǎn)YRCC.NEG-2800型激光粒度儀與馬爾文MS2000型激光粒度儀進行分析比測。按照SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》附錄B相關(guān)規(guī)定，將YRCC.NEG-2800型激光粒度儀相應(yīng)級配分析成果數(shù)據(jù)系列定義為x序列（被轉(zhuǎn)換量），馬爾文MS2000型激光粒度儀相應(yīng)級配分析成果數(shù)據(jù)系列定義為y序列（轉(zhuǎn)換目標(biāo)量）。采用最小二乘法，利用計算機EXCEL數(shù)據(jù)處理軟件，將兩個成果數(shù)據(jù)系列生成相關(guān)關(guān)系見圖1。

4.1 方程擬合

根據(jù)相關(guān)關(guān)系，通過點群中心，采用最小二乘法擬合的一次方程式為

y=0.985x+0.7393，R2=0.9965（4）

用上述公式，將YRCC.NEG-2800型激光粒度儀級配成果Y換算為馬爾文MS2000型激光粒度儀成果Y2，計算誤差序列δ=Y-Y2，采用公式（5）計算誤差系列的均方差σ，用公式（6）計算系統(tǒng)誤差ε，具體誤差檢驗成果見表7。各粒徑級的系統(tǒng)誤差和均方差滿足規(guī)范要求，因此，認(rèn)為公式（4）可作為YRCC.NEG-2800型激光粒度儀與馬爾文MS2000型激光粒度儀的轉(zhuǎn)換公式。

σ= ∑δ2n（5）

ε=∑δn（6）

4.2 誤差評定

根據(jù)圖1所示，由于各相關(guān)點點帶趨勢明顯，密集度較高，考慮不進行轉(zhuǎn)換，直接用YRCC.NEG-2800型激光粒度儀分析成果作為顆粒分析成果，以馬爾文MS2000型級配成果作為真值，計算系統(tǒng)誤差及均方差，誤差檢驗成果見表8?？梢钥闯?，國產(chǎn)激光粒度儀與馬爾文激光粒度儀的比測結(jié)果誤差小，測試樣本中最大系統(tǒng)誤差僅為1.12%。各粒徑級的系統(tǒng)誤差和均方差滿足規(guī)范要求，可以直接將國產(chǎn)激光粒度儀的成果作為泥沙顆粒級配成果。

5 結(jié) 論

本文介紹了國產(chǎn)激光粒度儀，以外洲水文站實測泥沙為樣本，開展了準(zhǔn)確性、重復(fù)性、平行性試驗，對試驗結(jié)果進行了相關(guān)分析和誤差分析，主要結(jié)論如下：

（1） 采用YRCC.NEG-2800型激光粒度儀分析懸移質(zhì)泥沙級配重復(fù)性、平行性好，各項指標(biāo)均符合SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定的允許誤差指標(biāo)。

（2） YRCC.NEG-2800型激光粒度儀與馬爾文MS2000型激光粒度儀的比測結(jié)果誤差小，測試樣本中最大誤差僅為1.12%，分析的成果精度高、不受人為因素影響，可滿足河流泥沙顆粒分析要求。

（3） YRCC.NEG-2800型激光粒度儀可應(yīng)用于江西省懸移質(zhì)泥沙顆粒分析工作。

參考文獻：

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［6］ 劉明堂，吳思琪，黨元初，等.基于Kalman-GOCNN最優(yōu)融合模型的懸移質(zhì)含沙量在線檢測［J］.水利水電快報，2022，43（5）：20-27.

（編輯：江 文）

Experimental study on particle gradation of suspended sediment based on laser particle size analyzer

WU Wen1，LIU Tielin2，CHA Yingpeng3

（1.Fuhe Hydrology and Water Resources Monitoring Center，F(xiàn)uzhou 344000，China； 2.Jiangxi Provincial Hydrology Monitoring Center，Nanchang 330000，China； 3.Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330099，China）

Abstract：

In order to explore the accuracy and applicability of the domestic laser particle size analyzer in the analysis of suspended sediment particles，the accuracy，repeatability and parallelism tests of river sediment were carried out by using the domestic YRCC.NEG-2800 laser particle size analyzer and Malvern laser particle size analyzer at Waizhou Hydrological Station in Ganjiang River. We used the least square method to analyze the correlation between the two test results. The results showed that the accuracy，repeatability，and parallelism error of the domestically produced laser particle size analyzer were less than 3%，which met the requirements of SL 42-2010 Regulations for River Sediment Particle Analysis，and YRCC.NEG-2800 laser particle size analyzer could be applied to the analysis of suspended sediment particle size distribution in rivers in Jiangxi Province. The comparison error between domestic laser particle size analyzer and Marvin laser particle size analyzer was small，and the maximum error in the test sample was only 1.12%. YRCC.NEG-2800 laser particle size analyzer has a high accuracy according to the analysis results.

Key words：

particle gradation； suspended sediment； laser particle size analyzer； least square method； Waizhou Hydrological Station； Ganjiang River