張帆一，韓 旭，洪亞?wèn)|，張 誠(chéng)

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

水體懸沙的分布、擴(kuò)散、沉降影響著港口及航道和生態(tài)環(huán)境等，所以其含量的測(cè)量對(duì)河口海洋沉積動(dòng)力學(xué)研究和近岸工程是十分關(guān)鍵的。

目前使用最普遍的泥沙含量測(cè)量方法是傳統(tǒng)的烘干稱(chēng)重法，但無(wú)法實(shí)時(shí)、在線測(cè)量泥沙含量的連續(xù)變化過(guò)程，且費(fèi)工費(fèi)時(shí)。20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)國(guó)內(nèi)外一方面努力發(fā)展利用光學(xué)、聲學(xué)和其他物理方法測(cè)量懸浮泥沙的技術(shù)，另一方面開(kāi)始把懸浮泥沙測(cè)量?jī)x和海洋動(dòng)力要素測(cè)量?jī)x器組合成一個(gè)系統(tǒng), 對(duì)懸浮泥沙本身的特性及引起其運(yùn)移的海洋動(dòng)力條件進(jìn)行綜合研究。水體含沙量的現(xiàn)場(chǎng)快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于港口和航道沖淤動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究十分重要。

目前利用物理學(xué)原理測(cè)量的方法主要涵蓋了光、聲、電、核子性質(zhì)，為此基于熱學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定懸移質(zhì)含沙量的儀器設(shè)計(jì)，為測(cè)沙儀的發(fā)展提供一種新的思路。

1 懸沙測(cè)量?jī)x器介紹

1.1 直接采樣測(cè)沙儀

從 20 世紀(jì) 50 年代開(kāi)始，全國(guó)水文系統(tǒng)多采用標(biāo)準(zhǔn)化的取樣烘干法或比重法測(cè)量含沙量。該法的討論重點(diǎn)在采樣方法和儀器的選擇上，研究初期主要采用橫式（瞬時(shí)）及普通瓶式采樣器。橫式采樣器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單耐用、操作方便，但對(duì)水流擾動(dòng)很大，普通瓶式未設(shè)開(kāi)關(guān)使得使用受限[1]；后期開(kāi)始對(duì)積點(diǎn)法取樣代表性不足反思；到 20 世紀(jì) 80 年代進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，完成了 15 個(gè)新型品種的優(yōu)化積時(shí)采樣器；90 年代傳統(tǒng)處理方法的稱(chēng)重和過(guò)濾（去水）技術(shù)得到革新，同時(shí)積時(shí)采樣標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)處理正在不斷推廣。

1.2 振動(dòng)測(cè)沙儀

利用含沙水密度變化帶來(lái)的振動(dòng)性質(zhì)改變的測(cè)沙研究，在 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)展起來(lái)。云南大學(xué)首先開(kāi)始研制并生產(chǎn)震動(dòng)式含沙量計(jì)，實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)量范圍較大，曾達(dá) 1 000 kg/m3；80 年代末期，黃河水資源保護(hù)科學(xué)研究所曾開(kāi)展壓差測(cè)沙的嘗試試驗(yàn)，利用清水和渾水自重壓力效應(yīng)測(cè)量含沙量，但是測(cè)沙精度和可測(cè)空間統(tǒng)一性不佳；2003 年黃委水文局在短振動(dòng)管測(cè)沙技術(shù)方面取得進(jìn)展，試制成功了新型測(cè)沙振動(dòng)管，測(cè)驗(yàn)精度較高。

1.3 同位素測(cè)沙儀

20 世紀(jì) 60 年代初至 70 年代末，黃委水利科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)黃科院）對(duì)放射性粒子在渾水中傳播的能衰現(xiàn)象進(jìn)行觀察試驗(yàn)，研制出了以銫135為放射源的 HF—422 的同位素含沙量計(jì)，最小量程為 3 kg/m3；70 年代末，黃科院等又研制出了以镅241為放射源的低含沙量同位素含沙量計(jì)，最小量程 1.0～1.2 kg/m3；90 年代以來(lái)長(zhǎng)江流域規(guī)劃辦公室和清華大學(xué)研制出在低含沙量下試驗(yàn)良好的 γ 測(cè)沙儀，改進(jìn)后最小量程達(dá) 0.6 kg/m3；雷廷武等[2]提出利用伽瑪射線測(cè)量徑流泥沙含量的理論計(jì)算公式計(jì)算質(zhì)量吸收系數(shù)的多點(diǎn)回歸分析方法，推導(dǎo)了用試驗(yàn)數(shù)據(jù)估計(jì)質(zhì)量吸收系數(shù)的回歸計(jì)算公式。

1.4 激光測(cè)沙儀

20 世紀(jì) 70 年代初，基于對(duì)光波在一定行程流體后能衰變化的研究，天津港務(wù)局回淤研究站研制了光電測(cè)沙儀，試驗(yàn)含沙量范圍未超過(guò) 10 kg/m3，對(duì)低于 2 kg/m3的含沙量，精度為 ±0.05 kg/m3[3]；90 年代以來(lái)，紅外線光電、激光測(cè)沙儀已經(jīng)得到較廣泛的應(yīng)用；Stumpf 等人在 Cordon[4]研究的基礎(chǔ)上，建立 NOAA/AVHRR 懸浮泥沙的提取實(shí)用系統(tǒng)；李四海[5]等人分析多時(shí)相 SesoViFS 數(shù)據(jù)建立了具有典型性且實(shí)用性高的長(zhǎng)江口懸浮泥沙遙感定量模式；方圣輝、張加晉[6]等研究了不同的觀測(cè)角度下水體光譜反射率與泥沙含量之間的變化關(guān)系，提出了差分泥沙光譜指數(shù)（NDSSI）建立泥沙反演模型。

1.5 聲波能衰測(cè)沙儀

20 世紀(jì) 80 年代利用聲波在含沙水中傳播特性的測(cè)沙研究中，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研制了直接發(fā)射—接收式的超聲波測(cè)沙儀，測(cè)沙范圍達(dá) 0.5～500.0 kg/m3，且相對(duì)誤差分析不超過(guò) ±10%；90 年代以來(lái)，張叔英主持完成了我國(guó)第 1 臺(tái)聲學(xué)懸沙觀側(cè)儀（ASSM）的研制，并應(yīng)用到長(zhǎng)江口等地的懸沙運(yùn)動(dòng)觀測(cè)研究中去； Land[7]等用聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）的聲波背向散射強(qiáng)度測(cè)量估測(cè)懸沙濃度，取得了良好的效果；Holdaway[8]等比較了 ADCP 與光學(xué)透射式濁度計(jì)的測(cè)量結(jié)果，認(rèn)為 ADCP 已具備利用回聲強(qiáng)度值與含沙量關(guān)系測(cè)量懸沙濃度的潛力；張鎖平[9]等指出聲學(xué)測(cè)沙的難點(diǎn)是對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，并提出觀測(cè)數(shù)據(jù)特征時(shí)刻的標(biāo)定方法；杜軍[10]等在對(duì)超聲測(cè)沙儀的研究中，采用超聲衰減法測(cè)量含沙量，并利用超聲波雙頻測(cè)量含沙平均粒徑修正含沙量可有效提高測(cè)量精度。

2 比熱容測(cè)沙儀的研究探討

2.1 原理分析

物理學(xué)上，比熱容是指單位質(zhì)量的物體升高或降低 1℃ 所吸收或放出的熱量，是表征物體吸放熱的能力的物理量。由于單位質(zhì)量的沙和水比熱容相差很大，使得一定體積下，含沙水的比熱容相對(duì)于純水會(huì)發(fā)生變化，而這種變化又可以通過(guò)電路加熱時(shí)間反映，從而計(jì)算出含沙水的比熱，再計(jì)算出水體含沙量。同時(shí)水體含沙量越大，比熱容的差異就越明顯，測(cè)量精度和范圍就會(huì)相應(yīng)提高。

2.2 儀器測(cè)量?jī)?nèi)輸曲線測(cè)定

對(duì)于比熱容測(cè)沙儀而言，需要事先將渾水比熱隨含沙量變化的關(guān)系在儀器內(nèi)部輸入，為此在 15℃溫度試驗(yàn)條件下采用 0.015 mm 粉煤灰水溶液測(cè)定比熱容—含沙量關(guān)系曲線，測(cè)定完畢后將其輸入儀器處理系統(tǒng)。

2.2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)沙洋為中值粒徑 0.015 mm 的粉煤灰，試驗(yàn)水樣為初始溫度接近 15℃ 的普通清水。試驗(yàn)時(shí)對(duì)每組溶液分別量取 100 mL 的液體體積加入到測(cè)量?jī)x器中進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)水樣的配置情況如表 1 所示。

表1 0.015 mm 中值粒徑粉煤灰水溶液配制情況

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

測(cè)定內(nèi)輸曲線是由 2 個(gè)依據(jù)物理標(biāo)準(zhǔn)自行改裝設(shè)計(jì)的量熱器完成的，同時(shí)也利用自行設(shè)計(jì)的電路連接成需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。量熱器實(shí)際上就是 1 個(gè)保熱性能較好的加熱裝置，可以利用電阻絲對(duì)內(nèi)部桶裝液體加熱，利用升高的溫度、加熱的時(shí)間、電阻阻值、額定電壓等參數(shù)進(jìn)行比熱的計(jì)算，從而得出液體比熱關(guān)系的相關(guān)結(jié)論，具體如表 2 所示。

表2 在 15℃ 溫度下 0.015 mm 粉煤灰水溶液 泥沙含量與比熱容的關(guān)系

以測(cè)得含沙水比熱值的倒數(shù)為縱坐標(biāo)，以對(duì)應(yīng)含沙量為橫坐標(biāo)，嘗試擬合出兩者的關(guān)系，如圖 1 所示。從圖 1 可以看出兩者線性相關(guān)度較強(qiáng)，因此得出含沙水含沙量與比熱值的關(guān)系公式：

式中：Chun為含沙水比熱值，J/(kg·K)；γms為質(zhì)量含沙量，kg/m3。將式（1）函數(shù)關(guān)系以一定算法內(nèi)輸進(jìn)儀器處理系統(tǒng)，作為處理系統(tǒng)得出含沙量結(jié)論的關(guān)系公式。

圖1 比熱值的倒數(shù)與渾水質(zhì)量含沙量的關(guān)系

2.2.3 零點(diǎn)誤差校正

利用得出的關(guān)系曲線公式（1）計(jì)算出質(zhì)量含沙量為零點(diǎn)時(shí)的計(jì)算比熱值，作為儀器測(cè)得的實(shí)驗(yàn)條件下的純水比熱容 CW：

已知在 1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度為 15℃ 時(shí)純水的比熱為 4 187 J/(kg·K)，則本裝置測(cè)量誤差 α 為

測(cè)出的純水比熱值偏大，是由于測(cè)量過(guò)程中的系統(tǒng)散熱造成的；由于系統(tǒng)達(dá)不到絕對(duì)密封，故必定有部分熱量與空氣交換而喪失，計(jì)算使用的電功較含沙水實(shí)際吸收的熱量偏大，故最后結(jié)果略偏大，在使用時(shí)可以對(duì)內(nèi)輸曲線進(jìn)行適當(dāng)修正，修正后的計(jì)算比熱值 Chun′ 計(jì)算公式如下：

2.3 邏輯功能部件設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)的比熱容測(cè)沙儀的邏輯結(jié)構(gòu)功能部件主要分為顯示和實(shí)時(shí)采樣 2 部分。

控制顯示部分主要起控制顯示作用，內(nèi)核是基于比熱容—含沙量關(guān)系的輸入輸出表，再依據(jù)相應(yīng)的測(cè)量值，如溫度、時(shí)間、電壓、電流等計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的含沙量。

實(shí)時(shí)采樣部分主要由控制伸縮和采樣容器 2 部分組成，控制伸縮部分起控制儀器采樣器在水中升降到指定水深位置處的作用；采樣容器又分具體采樣、實(shí)時(shí)加熱、溫度測(cè)量、計(jì)算數(shù)據(jù)傳遞等部分，其中采樣部分負(fù)責(zé)在水中具體某點(diǎn)處封閉一定待加熱水樣，實(shí)時(shí)加熱部分負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的加熱功率給水體升溫，溫度測(cè)量部分負(fù)責(zé)測(cè)量相應(yīng)溫度變化，數(shù)據(jù)傳遞部分負(fù)責(zé)傳遞前述的測(cè)量參量給控制顯示部分。由控制顯示部分接收相應(yīng)數(shù)據(jù)計(jì)算顯示最后結(jié)論。

實(shí)際使用中，將實(shí)時(shí)采樣部分迅速放入水體相應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置，相應(yīng)部件達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，由其中的實(shí)時(shí)加熱部分進(jìn)行加熱，加熱一定時(shí)間后由溫度測(cè)量部分測(cè)量加熱前后的溫度，并將數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳遞部分傳給控制顯示部分，所有操作包括加熱時(shí)間的計(jì)量均由控制顯示部分控制，所有數(shù)據(jù)在控制顯示器內(nèi)按照規(guī)定程序通過(guò)運(yùn)算，最終輸出泥沙溶液的含沙量。

3 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)外泥沙測(cè)驗(yàn)儀器仍然以器測(cè)法為主。盡管積時(shí)取樣器已有近 30 年的推廣歷程，但是當(dāng)前測(cè)量站網(wǎng)仍然有大批的橫式和瓶式采樣器繼續(xù)使用。因此對(duì)于器測(cè)法的發(fā)展趨勢(shì)，一方面室內(nèi)處理手續(xù)會(huì)因?yàn)橛?jì)算機(jī)的深入使用而繼續(xù)簡(jiǎn)化；另一方面，無(wú)論從技術(shù)還是管理上，克服一些影響積時(shí)采樣器推廣的不利因素的深入研究也會(huì)繼續(xù)。

物理測(cè)沙法的研究將是今后水體懸沙測(cè)量的重點(diǎn)方向。但是由于渾水體系的不均勻性，泥沙粒徑大小的不均勻性等因素，多種變量存在的現(xiàn)實(shí)干擾使得物理測(cè)沙的可靠性面臨問(wèn)題。因此實(shí)現(xiàn)物理測(cè)沙儀在工業(yè)規(guī)格上的統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化將成為工程技術(shù)人員的主要努力方向。

在 15℃ 實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)定含沙水質(zhì)量與比熱容的關(guān)系，在室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量范圍為 10～1 000 kg/m3時(shí)，含沙量與比熱的倒數(shù)值呈良好的線性關(guān)系。實(shí)際從原理來(lái)看，含沙量越高，含沙水與純水在比熱容上的差異越明顯，故本儀器從理論意義上在高含沙量的測(cè)量條件下有一定的應(yīng)用前景。但是由于儀器分辨率的問(wèn)題，本儀器在低含沙量情況下測(cè)量精度上仍需進(jìn)一步提高。

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