宋品江，楊 晨，魏 鐸

（漢中水文水資源勘測(cè)中心,陜西 漢中 723000）

1 基本情況

1.1 研究背景

河流泥沙顆粒分析作為水文重要的測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目之一,主要是收集泥沙顆粒級(jí)配的斷面分布和變化過程資料,為河道河床演變分析和水利工程設(shè)計(jì)、水庫庫容計(jì)算和防洪灌溉服務(wù)。漢中水文水資源勘測(cè)中心承擔(dān)略陽、武侯鎮(zhèn)（壩）、洋縣（二）、馬道四個(gè)水文站的泥沙顆粒分析任務(wù),泥沙顆粒分析方法為移液管、篩吸相結(jié)合的分析方法。該方法作業(yè)時(shí)需四五人分工合作,樣品從復(fù)稱、打樣、吸樣到進(jìn)電烘箱需要近6 小時(shí)以上,再經(jīng)2 個(gè)工作日的烘干后,用標(biāo)準(zhǔn)分析篩分離稱重,手工計(jì)算取得泥沙顆粒級(jí)配曲線成果。該方法操作過程繁瑣、效率低、時(shí)效性差、自動(dòng)化程度低、手工操作環(huán)節(jié)多、成果精度受人為因素影響,嚴(yán)重制約水文泥沙顆粒分析的發(fā)展,難以滿足新形勢(shì)下水文工作需求。而激光粒度分析儀是一種較先進(jìn)的顆粒分析儀器,其出色的性能和智能化程度,已經(jīng)在水文泥沙顆粒分析工作中得到大力推廣使用。

1.2 激光粒度分析儀性能指標(biāo)

近年來我省先后引進(jìn)國外激光粒度分析儀用于泥沙顆粒分析工作,分析成果精度滿足規(guī)范要求。但隨著我國科技創(chuàng)新的提升,國產(chǎn)激光粒度分析技術(shù)已相對(duì)成熟,主要性能指標(biāo)不遜于國外,在價(jià)格上、軟件再開發(fā)及售后服務(wù)上更有優(yōu)勢(shì)。為改變傳統(tǒng)的分析方式,對(duì)泥沙顆粒實(shí)施有效及時(shí)監(jiān)測(cè),漢中水文中心于2020 年引進(jìn)了河南黃河水文科技有限公司生產(chǎn)的全自動(dòng)YRCC.NKG-2800 激光粒度儀作適用性分析研究,同步開展泥沙顆粒對(duì)比分析。YRCC.NKG-2800 激光粒度儀性能指標(biāo)：

（1）測(cè)試范圍：0.02μm～2800μm。

（2）進(jìn)樣方式：自動(dòng)循環(huán)分散系統(tǒng)。

（3）重復(fù)誤差：≤0.5%（國家標(biāo)樣 D50 偏差）。

（4）樣品用量：0.005 g/次～10 g/次。

（5）分散介質(zhì)：水或其他合適液體。

（6）測(cè)試時(shí)間：1 min/次～3 min/次。

（7）光源：進(jìn)口光纖激光器,波長35 nm,功率 3 MW。

（8）電源：AC220V50/60 Hz,主機(jī)功率：200 W。

（9）測(cè)試結(jié)果：累積粒度分布（數(shù)據(jù)和曲線）；區(qū)間粒度分布（數(shù)據(jù)和直方圖）；中位徑（D50）；平均徑；比表面積等。

（10）數(shù)據(jù)傳輸方式：USB2.0 或 USB3.0 標(biāo)準(zhǔn)方式。

（11）操作系統(tǒng)：運(yùn)行于 Windows 操作系統(tǒng)。

（12）打印機(jī)：各種激光打印機(jī)、噴墨打印機(jī)。

2 測(cè)試依據(jù)、基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置

2.1 樣品選用及測(cè)試依據(jù)

本次測(cè)試分析選取漢江洋縣（二）站和嘉陵江略陽站2021 年63 個(gè)泥沙顆粒樣品和2022 年47 個(gè)泥沙顆粒樣品進(jìn)行平行對(duì)比分析。樣品選取原則：

（1）樣品代表性好,不同粒徑沙重百分?jǐn)?shù)分布均勻；

（2）包括篩上及篩下部分,有利于全面進(jìn)行對(duì)比分析；

（3）當(dāng)沙重較小時(shí),篩上部分沙重幾乎為零,不利于兩種方法進(jìn)行對(duì)比分析。

測(cè)試分析嚴(yán)格執(zhí)行《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》（SL 42-2010）相關(guān)規(guī)定及《YRCC.NKG-2800 激光粒度顆分儀操作規(guī)程》。

2.2 參數(shù)設(shè)置

為確保新儀器的準(zhǔn)確性,YRCC.NKG-2800 在出廠前已經(jīng)用國標(biāo)樣品和工作標(biāo)準(zhǔn)樣品經(jīng)過嚴(yán)格的準(zhǔn)確性標(biāo)定,在現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試,又經(jīng)過安裝工程師嚴(yán)格測(cè)試,率定出了適合長江流域河流泥沙顆粒級(jí)配特性的儀器參數(shù),我中心目前承擔(dān)泥沙顆粒分析任務(wù)的水文站均分布于長江流域,參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 YRCC.NKG-2800 型激光粒度儀測(cè)量泥沙顆粒級(jí)配參數(shù)值表

3 平行對(duì)比測(cè)試情況

3.1 激光粒度儀測(cè)試分析

本次測(cè)試分析選取漢江洋縣（二）站和嘉陵江略陽站共110 個(gè)泥沙顆粒樣品進(jìn)行激光粒度儀法和篩吸結(jié)合法平行對(duì)比分析,并進(jìn)行了循環(huán)泵速為600 r/min、800 r/min、1200 r/min的測(cè)試,測(cè)試結(jié)果以粒度分布數(shù)據(jù)表、分布曲線、D10 、D50、D90、D99.99 等方式顯示、打印和記錄。

3.2 傳統(tǒng)方法篩吸結(jié)合分析

篩吸結(jié)合法包括篩分法和吸管法,粒徑0.062 mm 以上適用篩分法,粒徑0.062 mm 以下適用吸管法,懸移質(zhì)單樣篩吸結(jié)合法處理流程見圖1。

圖1 懸移質(zhì)單樣篩吸結(jié)合法處理流程圖

3.3 對(duì)比分析

對(duì)比分析數(shù)據(jù)情況見表2。

表2 漢中中心 激光粒度儀（不同泵速）與篩吸結(jié)合分析泥沙顆粒級(jí)配成果對(duì)比表（部分摘錄）

由表2 可以看出：

（1）粒徑級(jí)在0.002 mm～0.008 mm 之間,篩吸結(jié)合法分析的沙量百分?jǐn)?shù)多數(shù)大于激光粒度儀法分析的結(jié)果,且結(jié)果差別較大；粒徑級(jí)在0.008 mm～0.5 mm 之間,結(jié)果差別小,且粒徑級(jí)越大,結(jié)果越接近。

（2）對(duì)比兩種方法得出的中數(shù)粒徑（D50）,激光粒度儀法不同泵速下的中數(shù)粒徑與篩吸結(jié)合法中數(shù)粒徑偏差絕對(duì)值為0～0.020 mm；激光粒度儀法泵速為600 r/min 時(shí),中數(shù)粒徑平均值為0.016 mm；泵速為800 r/min 時(shí),中數(shù)粒徑平均值為0.015 mm；泵速為1200 r/min 時(shí),中數(shù)粒徑平均值為0.015 mm；全部樣品篩吸結(jié)合法中數(shù)粒徑平均值為0.016 mm。

（3）通過兩種方法分別繪制級(jí)配曲線發(fā)現(xiàn),儀器分析級(jí)配曲線光滑,擬合性好,測(cè)量范圍寬；傳統(tǒng)分析方法級(jí)配曲線光滑性與擬合性較差,測(cè)量范圍窄。

4 激光粒度儀參數(shù)適用性優(yōu)化

通過以上對(duì)比測(cè)試,可對(duì)激光粒度儀基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行適用性優(yōu)化,基礎(chǔ)參數(shù)主要有分散時(shí)間、循環(huán)泵速（r/min）、光學(xué)模式、分布類型、樣品折射率、介質(zhì)（水）、折光率和殘差8 個(gè)。

4.1 遮光率

通過激光粒度儀在不同泵速下的相關(guān)統(tǒng)計(jì),不同泵速下的統(tǒng)計(jì)值都接近遮光率最佳值10%,表明經(jīng)過儀器廠家工程師現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試及嚴(yán)格測(cè)試率定的遮光率,是適合漢中地區(qū)河流泥沙顆粒級(jí)配特性的儀器參數(shù)。也符合《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》（SL 42-2010）中細(xì)沙定義標(biāo)準(zhǔn)為：中數(shù)粒徑D50 ≤0.025 mm,遮光率的合適值范圍為8%～15%。

4.2 泵速

激光粒度儀法泵速分別為600 r/min、800 r/min、1200 r/min時(shí),其中數(shù)粒徑與篩吸結(jié)合法中數(shù)粒徑有一定偏差,通過對(duì)不同偏差的樣品個(gè)數(shù)占總樣品個(gè)數(shù)的百分比進(jìn)行比較分析,激光粒度儀在循環(huán)泵速為800 r/min 時(shí),中數(shù)粒徑偏差較小且較為穩(wěn)定,即經(jīng)過儀器廠家工程師現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試及嚴(yán)格測(cè)試而率定的泵速800 r/min,是適合長江流域河流泥沙顆粒級(jí)配特性的儀器參數(shù)。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

（1）激光粒度儀法分析獲得的懸移質(zhì)顆粒級(jí)配成果符合測(cè)試樣品泥沙顆粒級(jí)配特性；激光粒度儀法中數(shù)粒徑和傳統(tǒng)篩吸結(jié)合法中數(shù)粒徑基本接近；激光粒度儀法級(jí)配曲線光滑且擬合性好、測(cè)量范圍寬、效率高。

（2）經(jīng)過儀器廠家工程師現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試及嚴(yán)格測(cè)試率定的遮光率及泵速,是適合漢中地區(qū)河流懸移質(zhì)顆粒級(jí)配特性的儀器參數(shù),該型號(hào)激光粒度儀可用水文泥沙顆粒分析。

5.2 建議

（1）激光粒度儀在正常狀態(tài)下每6 個(gè)月應(yīng)標(biāo)定一次,特別是在重新安裝軟件、維修時(shí)更換激光器和探測(cè)器時(shí)要重新標(biāo)定。

（2）激光粒度儀屬于精密設(shè)備,應(yīng)放置平穩(wěn)、牢固,避免震動(dòng)、敲擊、滑落等現(xiàn)象。

（3）分析用水。激光法泥沙分析,宜采用以水為分散介質(zhì),分析用水應(yīng)滿足以下要求：可用無氣泡的蒸餾水或純水；可用有足夠潔凈度的或通過靜置降低濁度的自來水,自來水應(yīng)經(jīng)曝氣處理或提前4 h～6 h 將其接入儲(chǔ)水容器靜置以釋放氣泡；對(duì)分析用水測(cè)量的背景值不應(yīng)超過儀器限定值；分析用水的溫度應(yīng)與室溫保持一致,若溫差太大時(shí),可在分析用水中適當(dāng)加入熱水,以避免測(cè)試時(shí)出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。

（4）樣品預(yù)處理。執(zhí)行中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》（SL 42-92）中的“3 試驗(yàn)制備”一章。若為濕樣,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（稠糊狀漿體是指在保證顆粒具有很好流動(dòng)性時(shí)的最大濃度）,或經(jīng)試驗(yàn)控制為以能滿足最佳取樣代表性為標(biāo)準(zhǔn)。

（5）取樣。從具有代表性的沙樣中取出測(cè)試樣品,這個(gè)環(huán)節(jié)若控制不好,可能是造成測(cè)量差異的最大原因。因此確定并執(zhí)行正確的取樣方法,是至關(guān)重要的。具體操作：在保證樣品是糊狀的情況下,充分從底部兜起攪拌均勻,然后分二到三次加入,直到滿足遮光率要求。