吳彰松，張根廣，梁宗祥，邢 茹

（西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100）

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比重瓶法測(cè)驗(yàn)低含沙量誤差分析

吳彰松，張根廣，梁宗祥，邢 茹

（西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100）

摘 要：在河流水文測(cè)驗(yàn)、河工模型試驗(yàn)、水質(zhì)評(píng)價(jià)及工農(nóng)業(yè)取水中，通常采用比重瓶法測(cè)驗(yàn)含沙量。在含沙量較小時(shí)，因水中溶解質(zhì)含量較大，用比重瓶法測(cè)驗(yàn)得到的含沙量往往大于實(shí)際含沙量，但測(cè)驗(yàn)者常常懷疑測(cè)驗(yàn)過(guò)程或測(cè)驗(yàn)儀器出現(xiàn)誤差，而忽略其真正原因。通過(guò)某城市供水沉沙池試驗(yàn)的含沙量測(cè)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，影響低含沙量測(cè)驗(yàn)誤差的潛在原因就是渾水中溶解質(zhì)含量，它對(duì)含沙量的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水體自身含沙量；此外，溫度測(cè)驗(yàn)誤差對(duì)含沙量的影響較大，并且含沙量越小，溫度測(cè)驗(yàn)誤差對(duì)含沙量的影響越大?；诖?，提出了比重瓶法測(cè)驗(yàn)低含沙量的改進(jìn)方法，得到了與烘干法基本一致的測(cè)驗(yàn)結(jié)果，為低含沙量測(cè)驗(yàn)提供了一些借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：比重瓶法；低含沙量；誤差影響因素；溫度；溶解質(zhì)

1 研究背景

水體中的含沙量測(cè)驗(yàn)，是河流水文觀(guān)測(cè)、河工模型試驗(yàn)、水質(zhì)評(píng)價(jià)及工農(nóng)業(yè)取水中必不可少的測(cè)驗(yàn)要素，對(duì)于上述課題研究領(lǐng)域具有舉足輕重的作用。根據(jù)測(cè)驗(yàn)原理的不同，含沙量的測(cè)驗(yàn)方法分為直接測(cè)驗(yàn)法和間接測(cè)驗(yàn)法。直接測(cè)驗(yàn)法主要有烘干稱(chēng)重法和比重瓶法［1］。烘干稱(chēng)重法通常取一定量的渾水樣，經(jīng)過(guò)沉淀或?yàn)V紙過(guò)濾后，在烘箱中烘干，由秤稱(chēng)出重量，計(jì)算得到含沙量。比重瓶法也稱(chēng)為置換法，它是采用預(yù)先率定好的比重瓶灌裝渾水水樣，進(jìn)行稱(chēng)重及水溫測(cè)驗(yàn)，之后用渾水重減去同溫度清水重，兩者差值除以比重瓶體積，再乘以水沙置換系數(shù)即得到水體含沙量［2］。間接測(cè)驗(yàn)法主要有光電測(cè)沙儀法、同位素測(cè)沙儀法、激光測(cè)沙儀法和超聲波測(cè)沙儀法等［1］。與直接測(cè)驗(yàn)法相比，間接測(cè)驗(yàn)法還處于研發(fā)階段，測(cè)驗(yàn)精度低；另外，間接測(cè)驗(yàn)法采用的儀器都是基于光電、同位素、超聲波以及核能等原理生產(chǎn)的，投資高、費(fèi)用大。因此，現(xiàn)階段水體含沙量普遍采用直接測(cè)驗(yàn)法。

烘干法是測(cè)定泥沙濃度最廣泛的方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，方法易行，有較高的精度，且常作為評(píng)價(jià)其他方法的標(biāo)準(zhǔn)［3］。但由于烘干法需對(duì)待測(cè)水樣進(jìn)行沉淀、過(guò)濾和烘干（烘干溫度一般為105℃，時(shí)間10 h以上），使得整個(gè)測(cè)驗(yàn)過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力［4］，因而，在實(shí)際含沙量測(cè)驗(yàn)中，通常采用比重瓶法。在實(shí)驗(yàn)室，采用比重法進(jìn)行含沙量測(cè)驗(yàn)時(shí)，通常用蒸餾水或去離子水進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，這對(duì)于含沙量較大水體而言，因水質(zhì)對(duì)含沙量的影響比較小，觀(guān)測(cè)人員一般也不會(huì)考慮水質(zhì)對(duì)含沙量的影響；但當(dāng)含沙量較小時(shí)，水質(zhì)對(duì)含沙量的影響就不可忽視，甚至水質(zhì)對(duì)含沙量的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水體自身的含沙量。鑒于上述原因，論文結(jié)合某城市供水沉沙池試驗(yàn)，對(duì)比重瓶法測(cè)驗(yàn)低含沙量可能產(chǎn)生的原因及影響因素進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明：水樣中溶解質(zhì)含量是引起含沙量測(cè)驗(yàn)誤差的重要原因，其含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水體自身的含沙量，溫度誤差對(duì)含沙量的測(cè)驗(yàn)誤差影響也較大?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，試驗(yàn)采用了模型循環(huán)水作為清水，并采用了精度較高的電子溫度儀進(jìn)行水樣溫度測(cè)量，使得含沙量測(cè)驗(yàn)結(jié)果與烘干稱(chēng)重法測(cè)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，可為同類(lèi)試驗(yàn)研究提供借鑒和參考。

2 比重瓶法測(cè)驗(yàn)含沙量原理和方法

比重瓶法具體計(jì)算過(guò)程如下：

式中：Ws為泥沙質(zhì)量；Wws為比重瓶加渾水的質(zhì)量；Ww為同溫度下比重瓶加清水的質(zhì)量；ρs為泥沙密度；ρ為水的密度；k為置換系數(shù)。

沙樣含沙量計(jì)算公式為

式中V為比重瓶容積。

將式（3）中的單位統(tǒng)一為國(guó)際單位制，則含沙量的計(jì)算公式變?yōu)?/p>

在日常測(cè)驗(yàn)工作中，實(shí)驗(yàn)人員通常用蒸餾水或去離子水作為實(shí)驗(yàn)用水。為了計(jì)算方便，事先將不同溫度的蒸餾水或去離子水重Ww制成表格以備查用。在計(jì)算含沙量時(shí)，根據(jù)瓶加渾水稱(chēng)重時(shí)所測(cè)得的水溫，查出Ww值，即可由式（4）求出含沙量。

3 含沙量測(cè)驗(yàn)誤差分析

3．1 測(cè)驗(yàn)誤差分析

在某城市供水沉沙池試驗(yàn)過(guò)程中，需要測(cè)定沉沙池出口的含沙量及出池泥沙級(jí)配，根據(jù)上述含沙量的測(cè)驗(yàn)方法，出池含沙量均在0．9 kg／m3左右，見(jiàn)表1。由于出池泥沙級(jí)配較細(xì)，需要采用水分析法確定泥沙級(jí)配，根據(jù)測(cè)驗(yàn)規(guī)范，水分析法至少需要15 g沙樣。根據(jù)上述含沙量實(shí)測(cè)值可知，取渾水水樣20 kg，通過(guò)沉淀、烘干即可得到15 g以上沙樣量，但實(shí)際實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，20 kg渾水中僅有幾克沙樣，含沙量還不足0．1 kg／m3，與比重瓶法測(cè)驗(yàn)的結(jié)果差異很大；之后，反復(fù)取樣測(cè)驗(yàn)分析，得到的結(jié)果基本一致。說(shuō)明沉沙池出池含沙量確實(shí)很小。因此，作者就懷疑含沙量測(cè)驗(yàn)過(guò)程可能出現(xiàn)誤差，并對(duì)實(shí)測(cè)過(guò)程的每個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行分析，也對(duì)測(cè)驗(yàn)儀器進(jìn)行了比對(duì)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)2種方法測(cè)驗(yàn)誤差較大的原因。后來(lái)一個(gè)偶然的做法，揭開(kāi)了問(wèn)題的根源所在，即比較同溫度自來(lái)水和去離子水的質(zhì)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩者差異很大。用比重瓶法測(cè)驗(yàn)，計(jì)算自來(lái)水的含沙量，自來(lái)水的含沙量將達(dá)到0．9 kg／m3左右，也就是說(shuō)，純凈的自來(lái)水水中溶解質(zhì)含量已達(dá)到了0．9 kg／m3左右。因此，通過(guò)用自來(lái)水代替去離子水，進(jìn)行含沙量測(cè)驗(yàn)，得到的含沙量與烘干法基本一致。之后，為了提高含沙量測(cè)驗(yàn)精度，測(cè)驗(yàn)含沙量的清水均用模型試驗(yàn)循環(huán)水經(jīng)過(guò)若干天澄清過(guò)濾的水代替去離子水，同時(shí)為了分析其它因素對(duì)含沙量測(cè)驗(yàn)造成的誤差，以及誤差影響的程度，作者對(duì)實(shí)驗(yàn)用水和溫度可能造成的誤差及影響程度也進(jìn)行了分析。

3．2 溫度誤差對(duì)含沙量測(cè)量誤差的影響

比重瓶法測(cè)驗(yàn)含沙量需要利用溫度計(jì)測(cè)量渾水、清水溫度，因溫度計(jì)自身精度誤差或其它原因造成的溫度偏離實(shí)際溫度，也將造成含沙量測(cè)驗(yàn)誤差。為了分析溫度誤差對(duì)含沙量測(cè)驗(yàn)結(jié)果的影響程度，假設(shè)表1中水樣溫度偏高1℃，則其含沙量測(cè)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1　某城市供水沉沙池試驗(yàn)測(cè)驗(yàn)的含沙量Table 1 Test results of sediment concentration of desilting basin for water supply in a city

對(duì)比表1和表2中的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)測(cè)得水樣溫度比實(shí)際溫度高1℃時(shí)，測(cè)得的水樣含沙量是實(shí)際含沙量的1．17～1．41倍。可見(jiàn)，溫度測(cè)驗(yàn)誤差對(duì)含沙量測(cè)驗(yàn)誤差影響較大，含沙量測(cè)驗(yàn)中應(yīng)采用文獻(xiàn)［5］中規(guī)定的示值為0．1℃的溫度計(jì)測(cè)驗(yàn)溫度，并定期對(duì)溫度計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)。

表2　表1中水樣溫度偏高1℃含沙量測(cè)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of sediment concentration of desilting basin for water supply in a city with the temperature 1℃higher than that in table 1

3．3 水樣中溶解質(zhì)對(duì)含沙量的影響

將模型試驗(yàn)中循環(huán)水經(jīng)過(guò)沉淀、過(guò)濾后的清水代替實(shí)驗(yàn)室去離子水，然后測(cè)得與渾水同溫度下的瓶加清水重Ww，代替表1中的瓶加蒸餾水重那一欄，計(jì)算得渾水含沙量見(jiàn)表3。

可見(jiàn)，表3中的含沙量明顯小于表1中的含沙量，且表3中的含沙量與用烘干稱(chēng)重法計(jì)算值基本吻合。因此，在所取水樣含沙量較低時(shí)，要獲得準(zhǔn)確的含沙量測(cè)驗(yàn)結(jié)果，就必須采用水樣母體的清水代替實(shí)驗(yàn)室蒸餾水或去離子水進(jìn)行含沙量測(cè)驗(yàn)，方可消除溶解質(zhì)對(duì)低含沙量測(cè)驗(yàn)誤差的影響，保證含沙量測(cè)驗(yàn)精度。

同樣的，為分析上述更小含沙量測(cè)量時(shí)溫度誤差對(duì)含沙量測(cè)驗(yàn)結(jié)果的影響程度，假設(shè)表3中水樣溫度偏高1℃，則其含沙量測(cè)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

比較表2、表4計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，水樣含沙量越小，由溫度測(cè)驗(yàn)誤差引起的含沙量誤差越大。

表3　利用模型試驗(yàn)清水代替蒸餾水含沙量測(cè)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of sediment concentration by using clean water in the model instead of distilled water

表4　表3中水樣溫度偏高1℃含沙量測(cè)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of sediment concentration test with the temperature 1℃higher than that in table 3

4 結(jié) 論

論文結(jié)合某城市供水沉沙池試驗(yàn)，分析了影響比重瓶法測(cè)驗(yàn)低含沙量的誤差因素，得到了以下結(jié)論：

（1）用比重瓶法進(jìn)行低含沙量測(cè)驗(yàn)時(shí)，水樣中溶解質(zhì)含量遠(yuǎn)大于水體的含沙量，對(duì)含沙量測(cè)驗(yàn)精度影響很大。為消除水樣中溶解質(zhì)對(duì)含沙量測(cè)驗(yàn)帶來(lái)的誤差，提高水樣低含沙量測(cè)驗(yàn)精度，需要用水樣母體清水代替實(shí)驗(yàn)室蒸餾水或去離子水進(jìn)行含沙量測(cè)量。

（2）溫度誤差對(duì)含沙量影響也較大，并且含沙量越小，溫度誤差對(duì)含沙量的影響越大，因此在含沙量測(cè)驗(yàn)中，應(yīng)采用規(guī)范規(guī)定的示值為0．1℃的溫度計(jì)測(cè)驗(yàn)溫度，并定期對(duì)溫度計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 陳 誠(chéng)，賈寧一，蔡守允．模型試驗(yàn)測(cè)驗(yàn)技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］．水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2011，（4）：154－158．

［2］ 蔡守允，朱其俊，張曉紅．模型試驗(yàn)含沙量測(cè)驗(yàn)儀器的分析研究［J］．水資源與水工程學(xué)報(bào)，2007，18（5）：83－85．

［3］ 陳敏杰，王偉聰．淺析含沙量的測(cè)驗(yàn)［J］．價(jià)值工程，2010，（3）：37．

［4］ 付艷紅，時(shí)鐵彬，徐 巖．含沙量測(cè)驗(yàn)方法及比較分析［J］．東北水利水電，2010，（9）：35－36．

［5］ SL99—2012，河工模型試驗(yàn)規(guī)程［S］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2012．

［6］ GB／T50123—1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1999．

（編輯：趙衛(wèi)兵）

Error Analysis of Low Sediment Concentration Measured by Pycnometer Method

WU Zhang?song，ZHANG Gen?guang，LIANG Zong?xiang，XING Ru
（College of Water Resources and Architectural Engineering，Northwest A＆F University，Yangling 712100，China）

Abstract：Pycnometer method has been widely used in sediment concentration measurements such as river hydrolog?ical measurement，model test of river engineering，evaluation of water quality and water intake in industry and agri?culture．However，when sediment concentration is low，the sediment concentration measured by pycnometer method is usually greater than the actual value because the content of dissolved matter is big．In face of such phenomenon，test engineers often doubt error of test instruments or test process，but can’t find the real reasons．Through the sedi?ment concentration measurement of desilting basin test of water supply in a city，we found that the content of dis?solved matter in the water is crucial to the measurement error of low sediment concentration；nevertheless，tempera?ture greatly affects sediment concentration，and the smaller the sediment concentration is，the bigger the effect of temperature error is．On this basis，we put forward the improved pycnometer method to measure low sediment con?centration，and test results by the method is basically consistent with those by drying method．Finally，it can pro?vide reference for test with low sediment concentration．

Key words：pycnometer method；low sediment concentration；influencing factors of error；temperature；dissolved matter

通訊作者：梁宗祥（1964－），男，陜西寶雞人，高級(jí)工程師，主要從事水工水力學(xué)方面的研究，（電話(huà)）13772180505（電子信箱）liangzx＠nw?suaf．edu．cn。

作者簡(jiǎn)介：吳彰松（1992－），男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事水利水電工程研究，（電話(huà)）15249188271（電子信箱）wuzs812＠163．com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51279170）

收稿日期：2014－10－13；修回日期：2014－12－13

中圖分類(lèi)號(hào)：TV149．1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－5485（2016）03－0005－04