崔 俊
(西安水文水資源勘測中心,陜西 西安 710100)
陜西省西安水文水資源勘測局下屬北洛河狀頭、灞河馬渡王、漆水河耀縣、沮河柳林、澇河澇峪口等5 站有泥顆分析任務(wù)。每年要分析多達(dá)幾百個(gè)泥沙樣品。當(dāng)前我局泥沙顆粒分析方法為移液管、篩吸結(jié)合分析法,即使用數(shù)種不同網(wǎng)眼的篩子進(jìn)行篩選,計(jì)算各篩子上剩下的粒子重量,根據(jù)比例來求分布的方法,其分析結(jié)果為質(zhì)量百分比。該方法作業(yè)流程從全樣靜置抽水到篩上篩下分別計(jì)算,操作過程繁瑣、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大,單樣分析需要兩天時(shí)間,批量分析需五六個(gè)人分工合作,兩天30 個(gè)樣品。傳統(tǒng)法具有以下缺點(diǎn):下限62μm、人為因素較大、重復(fù)性差、不規(guī)則形狀粒子誤差大及分析速度慢。滿足不了新時(shí)代下對泥沙分析數(shù)據(jù)“大量、及時(shí)、準(zhǔn)確”的要求。
現(xiàn)今防洪、河道治理、城市供水,水資源管理、水生態(tài)監(jiān)測、水資源評價(jià)都需要快速、準(zhǔn)確、及時(shí)水文信息,而傳統(tǒng)顆分方法難以滿足要求。黃河水利委員會(huì)水文局2000 年通過水利部“948”項(xiàng)目,引進(jìn)的英國馬爾文公司的激光粒度分析技術(shù)解決了這一問題。其后,黃河水利委員會(huì)下屬三門峽水文局、呂梁水文局、榆次水文局,以及我省寶雞水文局、延安水文局先后開始在黃河流域使用英國馬爾文公司的馬爾文MS2000 激光粒度顆粒分析儀進(jìn)行泥沙顆粒分析工作,通過這些年的使用,該儀器測量簡單快速、測量結(jié)果穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)精度高;測試結(jié)果為體積百分?jǐn)?shù)分布,具有傳統(tǒng)方法所無法比擬的高精度、高效率、高自動(dòng)化程度的顯著優(yōu)勢。
2018 年年初陜西省西安水文水資源勘測局引進(jìn)馬爾文MS3000 激光粒度顆粒分析儀。馬爾文MS3000 激光粒度顆粒分析儀在MS2000 激光粒度顆粒分析儀基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級,其精度更高。
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,水資源管理、評價(jià)及水利工程規(guī)劃對泥沙顆粒級配分析的時(shí)效性、準(zhǔn)確性的要求會(huì)越來越高,如何快速、準(zhǔn)確的實(shí)施泥沙及粒度的有效監(jiān)測,為河流的治理、管理、開發(fā)提供有效技術(shù)支撐,因此改變傳統(tǒng)的分析方式,運(yùn)用新的儀器進(jìn)行顆粒分析十分必要。
馬爾文MS3000 激光粒度儀基本配置有:儀器主機(jī)1 套、濕法分散系統(tǒng)(包括螺旋槳機(jī)械攪拌系統(tǒng)和內(nèi)置式超聲波探頭)1 套、儀器操作軟件1 套、計(jì)算機(jī)及激光打印機(jī)(自配)。
表1 傳統(tǒng)法和MS3000 激光粒度顆粒分析儀對比表
本次測試選用張家山站2019 沮河柳林站16 個(gè)、漆水河耀縣站16、狀頭站38 個(gè),共計(jì)70 個(gè)泥沙顆粒樣品進(jìn)行分析測試,測試執(zhí)行《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》(SL 42-2012)相關(guān)規(guī)定及《馬爾文MS3000 激光粒度顆分儀操作規(guī)程》。
黃河水利委員會(huì)水文局于2002 年~2004 年完成了馬爾文MS2000 激光粒度顆粒分析儀泥顆樣品試算分析比對工作,采用激光儀與移液管、篩吸結(jié)合分析兩種方法,歷時(shí)3 年對2000 多個(gè)(包括中、粗、細(xì)各種類型)泥顆樣品進(jìn)行了比對試算,率定出了適合黃河流域河流泥沙顆粒級配特性的儀器參數(shù),我局目前承擔(dān)泥沙顆粒分析任務(wù)的水文站均分布于黃河流域,因此本次測試采用黃河水利委員會(huì)水文局率定的儀 器參數(shù)進(jìn)行試算,參數(shù)見表2。
表2 測量黃河泥沙顆粒級配的參數(shù)值表1(HYDRO 2000MU 型)
本次測試對2019 年沮河柳林站16 個(gè)、漆水河耀縣站16 個(gè)、北洛河狀頭站38 個(gè),共計(jì)70 個(gè)樣品進(jìn)行了測試,測試結(jié)果以粒度分布數(shù)據(jù)表、分布曲線、D0.1 、D0.5 、D0.9等方式顯示,打印和記錄。
樣品遮光度的合適值范圍為5%~15%(經(jīng)由儀器工程師確認(rèn)不影響樣品測試結(jié)果),由實(shí)際分析可知,本次樣品遮光度都接近遮光度最佳值15%;殘差最大0.34%,最小0.04%,都滿足殘差小于2%的儀器規(guī)定使用要求。
本次分析選取70 個(gè)泥顆樣品,采用吸管、篩分析方法進(jìn)行了對比分析。
樣品選取原因:
1)樣品代表性好,不同粒徑沙重百分?jǐn)?shù)分布均勻,顆粒級配曲線分布比較合理。
2)有利于篩上及篩下部分全面進(jìn)行對比分析。
3)當(dāng)沙重較小時(shí),因?yàn)楹Y上部分沙重幾乎為零,不利于兩種方法進(jìn)行對比分析。故挑選具有代表性分析成果進(jìn)行對比分析。
對比分析情況見表3。
表3 西安局實(shí)測懸移質(zhì)單樣激光儀與篩吸結(jié)合分析顆粒級配對比成果表
續(xù)表3
由表3 可以看出:
1)重量法分析的沙量百分?jǐn)?shù)多數(shù)大于儀器法分析的結(jié)果,且粒徑級在0.002 mm~0.016 mm 之間,結(jié)果差別較大;粒徑級在0.031 mm~2.0 mm 之間,結(jié)果差別小,粒徑級越大,結(jié)果越接近。
2)各站經(jīng)過對兩種方法的中數(shù)粒徑(D50)對比發(fā)現(xiàn),23個(gè)泥顆樣本中數(shù)粒徑(D50)不相等。施測號數(shù)171、174、185、212、213、309 及337 泥顆中數(shù)粒徑偏差最小,偏差為0.001,施測號數(shù)226 泥顆中數(shù)粒徑偏差最大,偏差為0.007,25個(gè)泥顆樣本中數(shù)粒徑平均偏差為0.002。其中中數(shù)粒徑(D50)偏差≤0.001 的累計(jì)概率為36%, 中數(shù)粒徑(D50)偏差≤0.002 的累計(jì)概率為68%,中數(shù)粒徑(D50)偏差≤0.003 的累計(jì)概率為88%,中數(shù)粒徑(D50)偏差≤0.004 的累計(jì)概率為96%,中數(shù)粒徑(D50)偏差≤0.007 的累計(jì)概率為100%,。
將篩吸結(jié)合分析所得數(shù)據(jù)與MS3000 激光粒度顆粒分析儀所得進(jìn)行結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,分析其相關(guān)系數(shù),結(jié)果見表4。
表4 西安局實(shí)測懸移質(zhì)單樣激光儀與篩吸結(jié)合分析顆粒級配擬合數(shù)據(jù)表
續(xù)表4
從表4 我們可以看出,篩吸結(jié)合分析所得數(shù)據(jù)與MS3000激光粒度顆粒分析儀所得數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)均大于0.9,擬合度較好。
1)該儀器靈敏度高,對工作環(huán)境要求較高,實(shí)驗(yàn)室應(yīng)不受陽光直接照射,不受震源和噪聲影響;能經(jīng)常保持干燥,無浮塵,無有害氣體及灰塵侵入,溫度和濕度比較穩(wěn)定,溫度宜控制在10℃~26℃,相對濕度宜控制在20%~70%;
2)對分析用水要求較高,建議用無氣泡的蒸餾水或純水。自來水應(yīng)經(jīng)曝氣處理或提前4 h~6 h 將其接入儲(chǔ)水容器先攪動(dòng)后靜置釋放氣泡,避免直接取用水管中自來水;
3)沙樣前期處理需去雜質(zhì),靜置后直接將濃度調(diào)整為既能充分混勻又易取樣的稠糊狀漿體;
4)將一次抽取的有充分代表性的樣品完全加入貯樣容器中,應(yīng)保證加入1~3 次達(dá)到遮光度要求的范圍(粗沙樣的遮光度取正常范圍上限,細(xì)沙樣的遮光度取正常范圍下限),然后進(jìn)入實(shí)際測量。
1)本次分析25 個(gè)樣品遮光度在9.52%~16.13%,均處在允許值5%~20%范圍之內(nèi),樣品的遮光度比較穩(wěn)定,儀器測試最佳值為15%;殘差均小于2%,其范圍為0.28%~0.58%,符合黃河流域泥沙顆粒級配特性,在今后測試樣品時(shí),建議可直接采用黃河水利委員會(huì)水文局率定的儀器參數(shù)進(jìn)行泥顆測試工作。
2)通過使用激光粒度顆粒分析儀分析,分析報(bào)告中的粒度分布曲線光滑,擬合性好,測量范圍較傳統(tǒng)方法寬;成果精度高且性能穩(wěn)定,具有傳統(tǒng)方法所無法比擬的高精度、高效率、高自動(dòng)化程度的顯著優(yōu)勢。
3)我局目前承擔(dān)泥沙顆粒分析任務(wù)的水文站均處于黃河流域的中游。我局水文站和黃河水利委員會(huì)水文站在北洛河流域、渭河流域均分布,相互交叉,泥沙顆粒特性基本一致,黃河水利委員會(huì)水文站泥沙顆粒樣品均已實(shí)現(xiàn)使用MS2000激光粒度顆粒分析儀分析,結(jié)果穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)精度高。MS3000 激光粒度顆粒分析儀在MS2000 激光粒度顆粒分析儀基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級,精度更高一些,因此在今后的泥顆分析工作中建議使用該儀器相關(guān)參數(shù)。