付艷紅，時(shí)鐵彬，徐 巖

（吉林省水文水資源局白城分局，吉林 白城137000）

土壤侵蝕中的徑流含沙量是衡量水土流失的重要參數(shù)之一。無(wú)論是評(píng)價(jià)流域還是河道的侵蝕程度，都必須測(cè)定其含沙量。只有合理測(cè)定含沙量才有可能準(zhǔn)確模擬土壤侵蝕動(dòng)力過(guò)程，并為水土流失治理決策提供合理的科學(xué)依據(jù)。目前測(cè)量含沙量的方法較多，由于其測(cè)量原理不同，測(cè)量適用的范圍和精度也不同，加之現(xiàn)有測(cè)量方法中還有一些方法處于研究探索階段，在實(shí)際測(cè)量條件下可采用的方法并不多。在此對(duì)含沙量各種測(cè)量方法進(jìn)行對(duì)比，分析各種方法的測(cè)量原理，研究其適用范圍、精度，以為人們?cè)诓煌h(huán)境下，選擇合適的測(cè)量方法提供參考依據(jù)，也為現(xiàn)有測(cè)量方法的提高與改進(jìn)提供一定的思路。

1 含沙量測(cè)量方法原理分析及比較

根據(jù)測(cè)量原理的不同，含沙量測(cè)量方法可分為：直接測(cè)量方法和間接方法。直接測(cè)量方法包括：烘干法和比重法；間接方法有光度法、紅外線法、電容法、振動(dòng)法 、超聲波法、激光法和γ射線法。

1.1 直接測(cè)量方法

1）烘干法。烘干法又稱稱重法，即取一定量的樣品，測(cè)量其原重和烘干后的重量，從而確定泥水中的含沙量。采用烘干法可測(cè)量?jī)煞N形式的含沙量：重量含沙量ρm(kg/kg)和體積含沙量ρv(m3/m3)，兩者的關(guān)系可用式（1）表示：

式中：ρs=2.65×103kg/m3，為標(biāo)準(zhǔn)泥沙比重；ρw=1.0×103kg/m3，為清水密度。

隨著電子天平的使用，稱重精度得到很大提高，烘干法測(cè)量含沙量被認(rèn)為是目前最準(zhǔn)確的方法之一。但由于烘干法需對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行烘干，而烘干溫度一般為105℃，加熱需10 h以上，高溫與長(zhǎng)期加熱會(huì)造成土壤中有機(jī)質(zhì)被碳化，而使測(cè)量的含沙量偏小，對(duì)烘干溫度和加熱時(shí)間的要求也使得整個(gè)測(cè)量過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因而在野外測(cè)量中人們一般采用比重法。

2）比重法。比重法是根據(jù)泥沙對(duì)比重的影響來(lái)確定含沙量，測(cè)量時(shí)可采用比重計(jì)，也可用天平和量筒進(jìn)行測(cè)量，如測(cè)得樣品的總重量為G(kg)，體積為V(m3)，則樣品中的含沙量(kg/m3)為：

用此方法測(cè)量含沙量所用設(shè)備簡(jiǎn)單，測(cè)量方法更快更直接。但在含沙量較高時(shí)，由于量筒的數(shù)據(jù)很難讀準(zhǔn)，一定程度上影響了測(cè)量結(jié)果的精度。就測(cè)量精度而言，烘干法較比重法精度更高。

1.2 間接測(cè)量方法

1）分光光度法和紅外線法。可測(cè)量的含沙量極低，由于坡面侵蝕中徑流含沙量變化幅度較大，因此無(wú)法使用。

2）電容法。電容法利用泥水混合物中泥沙含量的變化會(huì)引起其介電常數(shù)變化這一電物理學(xué)性質(zhì)，通過(guò)測(cè)量電容的變化來(lái)測(cè)量含沙量變化。由于電容受溫度影響較大，電容兩端輸出電壓隨溫度、土壤含鹽量升高而呈非線形增加趨勢(shì)，加之徑流流速的影響，使得電容法的適用條件受到一定限制。在自然條件下坡面侵蝕過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量電容變化來(lái)確定含沙量變化難以實(shí)現(xiàn)。

3）振動(dòng)法。利用振動(dòng)學(xué)原理，根據(jù)諧振棒在不同含沙量的泥水中的振動(dòng)周期不同來(lái)推求含沙量。在泥沙比重、粒徑組成一定，泥沙顆粒運(yùn)動(dòng)速度相同時(shí)，諧振棒振動(dòng)周期T(s)與含沙量ρ近似呈線性正比關(guān)系：

式中：a，b—為常數(shù)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)事先率定。

試驗(yàn)證實(shí)對(duì)于材料一定的諧振棒，棒體密度與其振動(dòng)周期的平方成正比。由于實(shí)際測(cè)量中棒體的運(yùn)動(dòng)受水深、水流速度影響較大，測(cè)量設(shè)備一般采用金屬空管代替諧振棒，當(dāng)含沙水流進(jìn)入管體時(shí)，由于管子材料和體積一定，測(cè)量管的密度完全由管中液體的密度決定。如果水流中的含沙量發(fā)生變化，相當(dāng)于整個(gè)管體的密度發(fā)生了變化，則管體的振動(dòng)周期也隨之發(fā)生變化，此時(shí)測(cè)量出泥水的密度，由管體密度與振動(dòng)周期間的關(guān)系，通過(guò)式（3）可計(jì)算出泥水含沙量。

在坡面侵蝕中由于水流中泥沙不斷沉降，同時(shí)又有新的泥沙不斷被剝蝕而加入其中，致使泥沙比重、粒徑組成及泥沙顆粒運(yùn)動(dòng)情況變化復(fù)雜，使進(jìn)入管體水流的流速和密度隨時(shí)間不斷變化，因而運(yùn)用式（3）所得ρ將在一定程度上偏離真值。振動(dòng)法測(cè)量泥沙含量的結(jié)果穩(wěn)定性較差，零點(diǎn)漂移嚴(yán)重，加之測(cè)量?jī)x器體積較大，而坡面侵蝕中徑流水深較淺，振動(dòng)裝置無(wú)法正常工作，故此類(lèi)儀器不適用于徑流含沙量的測(cè)量，而只適用于河流中含沙量的測(cè)量。

4）超聲波法。超聲波法分為超聲波反射法和超聲波衰減法。前者根據(jù)超聲波的反射量與沙粒的多少呈正比例關(guān)系，從而測(cè)定含沙量。后者考慮泥沙顆粒對(duì)超聲波的散射、吸收和超聲波自身的擴(kuò)散因素，利用傳感器檢測(cè)其能量的衰減，來(lái)計(jì)算含沙量。超聲波反射法對(duì)于低含沙量水流較敏感，測(cè)量精度較高，只是測(cè)量范圍較窄，在0～3 kg/m3之間。超聲波衰減法利用聲波在泥水中傳播時(shí)聲波大小受到衰減的原理，通過(guò)接收換能器將衰減后的超聲波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)放大處理后得到隨含沙量變化的模擬電信號(hào)，依據(jù)其與含沙量間的關(guān)系來(lái)測(cè)量含沙量。模擬電信號(hào)隨含沙量變化的關(guān)系：

式中：a，b—常數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)事先標(biāo)定，大小主要取決于溶液濃度及溶質(zhì)粒子的粒徑的變化；I—電信號(hào)強(qiáng)度，W/cm2；ρ—體積含沙量。

超聲波法測(cè)量含沙量時(shí)，為保證超聲波經(jīng)衰減后信號(hào)能被接收到，其強(qiáng)度(頻率)不能太小。而超聲波強(qiáng)度較大時(shí)，當(dāng)其穿過(guò)泥水溶液時(shí)，超聲波會(huì)與泥沙顆粒發(fā)生相互作用而影響溶液濃度；同時(shí)還會(huì)造成大的泥沙顆粒粉碎而改變?cè)腥苜|(zhì)粒子的粒徑組成。此時(shí)用事先標(biāo)定好的式（4）來(lái)計(jì)算含沙量會(huì)產(chǎn)生很大的偏差。由于超聲波法會(huì)對(duì)水流造成擾動(dòng)而改變其原有的動(dòng)力學(xué)特征，且含沙量越大改變也越大，使得超聲波法測(cè)量泥沙含量的范圍較窄，更適合于低含沙溶液的測(cè)量。

5）激光法。光在水中傳輸時(shí)，由于水介質(zhì)的散射和吸收，使得光強(qiáng)發(fā)生衰減，且水中懸沙濃度不同，衰減也不同。激光法正是利用此原理對(duì)透射過(guò)泥水的激光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將其變?yōu)殡妷盒盘?hào)。依據(jù)電壓信號(hào)的強(qiáng)弱在水流速度較小且相同粒徑分布條件下與含沙濃度呈正比函數(shù)關(guān)系來(lái)確定含沙量。

由于在坡面侵蝕過(guò)程中，坡面泥沙不斷經(jīng)歷剝離、搬運(yùn)、沉積過(guò)程，其徑流中泥沙粒徑的組成隨時(shí)間不斷變化，這與測(cè)量原理中泥沙粒徑分布相同的假設(shè)相駁，而使此方法具有一定的理論誤差，加之用此方法設(shè)計(jì)的測(cè)試儀器成本較高，設(shè)備笨重、龐大，而無(wú)法正確有效地測(cè)量坡面水流中的含沙量。

6）γ射線法。依據(jù)γ射線在含沙溶液中經(jīng)泥沙顆粒的折射、散射和吸收作用，其透射強(qiáng)度將減小的原理測(cè)定含沙量。

當(dāng)γ射線通過(guò)由土壤固體顆粒和水組成的固、液兩相介質(zhì)的混合體時(shí)，其強(qiáng)弱服從以下指數(shù)變化規(guī)律：

式中：μmw，μms分別為水和泥沙的質(zhì)量吸收系數(shù)；ρw，ρs分別為單位泥水體積中水的質(zhì)量，kg，和泥沙的質(zhì)量，kg；L為γ射線透射的渾水厚度，m。

假設(shè)t1時(shí)刻γ射線穿過(guò)厚為L(zhǎng)的混合體后其強(qiáng)度為I1，t2時(shí)刻為I2，依據(jù)泥水總體積不變，即泥沙增(減)的體積等于水量減(增)的體積，在△t=t2-t1時(shí)間段內(nèi)：

ρs=2.65×103kg/m3為泥沙的比重，ρs=10×103kg/m3為清水密度。測(cè)出I1，I2，若已知t1時(shí)刻的泥沙含量，利用（6）式可算得不同時(shí)刻的含沙量。

由于γ射線水平透時(shí)，泥沙沉積和分層現(xiàn)象將對(duì)測(cè)量精度影響較大。γ射線測(cè)量?jī)x測(cè)量含沙量時(shí)，雖然水流經(jīng)過(guò)采樣室時(shí)停留時(shí)間較短，測(cè)量中依然會(huì)由于時(shí)間的滯后性而影響含沙量變化量的同步測(cè)量；同時(shí)水流流入、流出采樣室時(shí)會(huì)對(duì)水流的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，而一定程度上影響含沙量的準(zhǔn)確測(cè)量。

2 結(jié)語(yǔ)

綜上所述振動(dòng)法、超聲波法、激光法、γ射線法依據(jù)的測(cè)量原理各有不同，儀器設(shè)備也千差萬(wàn)別，不同程度地受到水流中泥沙運(yùn)動(dòng)情況及其粒徑組成的影響，而使含沙量的測(cè)量結(jié)果存在一定的局限性，要精確測(cè)量徑流中的含沙量還需要進(jìn)一步加以改進(jìn)。相比較而言，在現(xiàn)有測(cè)量方法中，烘干法、比重法和γ射線法是目前測(cè)量精度較高，應(yīng)用較廣泛的含沙量測(cè)量方法。