柳 波 韋方洋 劉 金

（碧興物聯(lián)科技（深圳）股份有限公司，廣東 深圳 518101）

河流中沙含量情況反映水土流失狀況、河流水生物的生長(zhǎng)環(huán)境。河流中泥沙會(huì)影響水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，泥沙含量對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)主要污染指標(biāo)CODMn、氨氮、 BOD5以及重金屬的分析檢測(cè)有重大影響。穆伊舟等發(fā)現(xiàn)黃河水體中含有的大量泥沙，在對(duì)水質(zhì)造成影響的同時(shí)，對(duì)入河污染物具有吸附、遷移和凈化作用，給水質(zhì)評(píng)價(jià)帶來很多問題和困難。因此，研究河流中泥沙含量有非常重要的生態(tài)意義。

常用的泥沙含量測(cè)量方法可以分類為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。直接測(cè)量法一般作為間接測(cè)量法的衡量標(biāo)準(zhǔn)，需要在實(shí)驗(yàn)室人工操作。間接測(cè)量法可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)，解放人工，省時(shí)省力。

1.直接測(cè)量法

直接測(cè)量法是實(shí)驗(yàn)室含沙量手工測(cè)定廣為使用的測(cè)量方法，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、方法易行且精度較高等優(yōu)點(diǎn)。該法需要經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)取樣，然后通過過濾、烘干等方法將泥沙中的水去除，以確定其含沙量，因此測(cè)量周期長(zhǎng)，無法連續(xù)測(cè)量，很難在在線儀表上實(shí)現(xiàn)。直接測(cè)量法有稱重法和比重法等。

1.1 稱重法

稱重法是應(yīng)用最廣泛的測(cè)定泥沙濃度的方法，常被作為評(píng)價(jià)其他方法的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)上含沙量測(cè)量是采用取樣稱重的方法，取一定體積的具有代表性的樣品， 經(jīng)過預(yù)處理，然后烘干、稱重，即可求知含沙量。具體步驟為：量水樣容積，沉淀濃縮水樣，烘干烘杯并稱重，將濃縮水樣倒入烘杯，烘干、冷卻，最后稱量沙重。隨著電子天平的使用，稱重精度得到很大提高，該法測(cè)量水中含沙量被認(rèn)為是目前最準(zhǔn)確的方法之一。

1.2 比重法

比重法是根據(jù)泥沙對(duì)含沙水樣比重的影響來確定含沙量，即需要測(cè)得水樣容積、水樣溫度、比重瓶裝滿后的重量。比重法可以使用比重計(jì)，也可以使用天平、量筒等測(cè)量含沙量。該法比烘干稱重法更快更直接，但是精度低于烘干稱重法。

稱重法和比重法受人工采樣的隨機(jī)性影響很大，同時(shí)測(cè)量周期長(zhǎng)，主觀誤差大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，無法滿足快速準(zhǔn)確獲取泥沙含量數(shù)據(jù)的需要。

2.間接測(cè)量法

基于經(jīng)典測(cè)量方法，發(fā)展出了許多類型的間接測(cè)量方法。間接測(cè)量方法可以快速及時(shí)的在線監(jiān)測(cè)水體含沙量。間接測(cè)量方法主要有光度法、紅外線法、電容法、振動(dòng)法、超聲波法、激光法和γ射線法。

本文主要介紹在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域使用較為成熟廣泛的紅外法（光學(xué)法）、超聲波法（聲學(xué)法）、振動(dòng)法以及商用的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備。

2.1 紅外法

含沙水流可以透射部分光線，一部分光線被吸收和散射，剩余的光線則被反射。隨著含沙量的增加，泥沙對(duì)光線的反射增強(qiáng)。因此入射光源強(qiáng)度一定時(shí)，水流含沙量與反射光產(chǎn)生的電壓信號(hào)強(qiáng)度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以來表征水流含沙量的大小。系統(tǒng)是將泥沙監(jiān)測(cè)儀安裝在單沙點(diǎn)或者具有斷面代表性的點(diǎn)，通過建立單沙點(diǎn)與斷面平均含沙量的關(guān)系，經(jīng)比測(cè)得到斷面平均含沙量。適用于天然河道、渠道、水庫等水體中懸移質(zhì)泥沙含量水體測(cè)量。

紅外法是目前國(guó)內(nèi)外在線含沙量監(jiān)測(cè)設(shè)備最常使用的監(jiān)測(cè)方法，表1列舉了主流廠家的相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備。

表1 水體含沙量在線監(jiān)測(cè)設(shè)備

2.2 超聲波法

超聲波法可以分為超聲波反射法和超聲波衰減法。超聲波反射法是根據(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。系統(tǒng)通過測(cè)量一定深度剖面內(nèi)的泥沙或其他懸浮顆粒反射回來的信號(hào)來計(jì)算粒徑和含沙量數(shù)據(jù)。它可以測(cè)量1~2米水深范圍內(nèi)的剖面分布數(shù)據(jù)，每一采樣深度間隔可設(shè)定，設(shè)定范圍2.5毫米到幾厘米。泥沙監(jiān)測(cè)應(yīng)用一般可監(jiān)測(cè)剖面深度為1~2米，疏浚回淤研究中可測(cè)剖面深度達(dá)10米。

超聲波衰減法則是考慮泥沙顆粒對(duì)超聲波的散射、吸收和超聲波自身擴(kuò)散，利用傳感器檢測(cè)其能量的衰減來計(jì)算水體含沙量。其量程范圍寬，測(cè)量速率高，重復(fù)精度高，采樣頻率高。

超聲波法設(shè)備應(yīng)用于河口、河流、水庫及海洋含沙量、粒徑測(cè)量監(jiān)測(cè)，可以用于泥沙運(yùn)動(dòng)研究、泥沙（懸浮顆粒）剖面分布、水下沙丘演變，疏?；赜傺芯康?。超聲波法在低含沙量水體監(jiān)測(cè)時(shí)有較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，因而在線含沙量監(jiān)測(cè)設(shè)備也有諸多使用，表2列舉了主流廠家的相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備。

表2 水體含沙量在線監(jiān)測(cè)設(shè)備

2.3 振動(dòng)法

振動(dòng)法是根據(jù)振動(dòng)學(xué)原理，兩端固定的諧振棒的諧振頻率隨流經(jīng)的水體含沙量而變化，不同含沙量的水體對(duì)應(yīng)的諧振棒振動(dòng)周期不同，與泥沙粒徑無關(guān)，從而通過測(cè)量振動(dòng)周期或者振動(dòng)頻率就可以得到含沙量。

當(dāng)含沙水體穿過振動(dòng)管時(shí)，振動(dòng)管的振動(dòng)頻率隨水體含沙量變化，測(cè)控板把振動(dòng)頻率的變化量轉(zhuǎn)換為含沙量，實(shí)現(xiàn)含沙量的自動(dòng)在線測(cè)量。表3列舉了主流廠家的相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備。

表3 水體含沙量在線監(jiān)測(cè)設(shè)備

3.測(cè)量方法對(duì)比

目前的水體含沙量測(cè)量方法較多，每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用在特定領(lǐng)域。表4對(duì)各類測(cè)量方法的測(cè)量原理、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比。

表4 不同含沙量測(cè)量方法優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)對(duì)比

稱重法和比重法主要用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，可以作為紅外法和超聲波法測(cè)量結(jié)果的比較基準(zhǔn)。

同位素法（γ射線或X射線）由于放射源輻射問題存在較大安全隱患，不符合綠色安全環(huán)保的理念要求，同位素法的推廣應(yīng)用較為受限。雷廷武等首次嘗試采用 γ射線透射法測(cè)量土壤侵蝕徑流中的含沙量，結(jié)果表明，γ射線透射通過泥沙溶液的強(qiáng)度與水流含沙量間有極度顯著的線性相關(guān)關(guān)系，并與理論計(jì)算結(jié)果高度一致，表明可由γ射線透射強(qiáng)度穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確地確定含沙量值。

振動(dòng)法儀器整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，頻率傳感器易受水流沖擊影響測(cè)量精度。目前國(guó)內(nèi)北京美科華儀的懸移質(zhì)測(cè)沙儀SV-150可實(shí)現(xiàn)含沙量的在線監(jiān)測(cè)，輸出時(shí)間、含沙量、水深和水溫等信息，且無需現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，長(zhǎng)期穩(wěn)定性良好。

紅外法和超聲波法由于其快速實(shí)時(shí)的檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)，適用于無人值守的在線監(jiān)測(cè)工況。目前采用紅外法和超聲波法作為測(cè)量原理的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備較多，也說明了應(yīng)用技術(shù)較為成熟。王麗萍等通過對(duì)河水中超聲波的衰減規(guī)律進(jìn)行了理論推導(dǎo)和分析， 提出了用增益補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)對(duì)河水泥沙含量進(jìn)行測(cè)量的新方法。該方法為實(shí)現(xiàn)對(duì)河水泥沙含量的自動(dòng)測(cè)控奠定了理論基礎(chǔ)。

電容法的測(cè)量原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用成本低，響應(yīng)速度快。但電容法受溫度、水體流速、鹽度等因素影響較大，水體中含沙量的測(cè)量結(jié)果易受干擾，因此電容法目前并沒有得到廣泛應(yīng)用。

遙感光譜分析法是通過對(duì)懸沙水體進(jìn)行遙感光譜反射率的測(cè)量來間接測(cè)量水體的含沙量。遙感光譜分析法適用于大面積水域的檢測(cè)，比如湖泊、水庫、河?？?，并受氣象條件的限制影響。遙感光譜分析法由于應(yīng)用場(chǎng)景受限、技術(shù)門檻高、測(cè)量成本高，因此應(yīng)用較少。

4.結(jié)語

當(dāng)今社會(huì)，人們對(duì)水質(zhì)狀況越來越關(guān)注，因此，如何快速、準(zhǔn)確地測(cè)量含沙量是環(huán)保水利工作者和設(shè)備廠商的研究重點(diǎn)。含沙量測(cè)量方法多種多樣，各有適應(yīng)場(chǎng)景。隨著科技進(jìn)步， 測(cè)量含沙量的方法日趨完善。但是，由于水中泥沙顏色、粒徑以及本身運(yùn)動(dòng)狀況較為復(fù)雜，目前含沙量的測(cè)量結(jié)果存在一定的局限性，含沙量的精確測(cè)量還需要進(jìn)一步研究，測(cè)量設(shè)備功能進(jìn)一步提升。