摘要：

為探究國產激光粒度儀應用于懸移質泥沙顆粒級配分析時的準確性及適用性，以贛江外洲水文站為例，利用國產YRCC.NEG-2800型激光粒度儀和馬爾文激光粒度儀對河流泥沙開展了準確性、重復性、平行性試驗，并采用最小二乘法分析了兩者試驗結果的相關關系。結果表明：國產激光粒度儀的準確性、重復性、平行性誤差小于3%，達到SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》要求，可應用于江西省河流懸移質泥沙顆粒級配分析。國產激光粒度儀與馬爾文激光粒度儀的比測誤差小，測試樣本中最大誤差僅為1.12%，分析的成果精度高。

關鍵詞：

顆粒級配； 懸移質； 激光粒度儀； 最小二乘法； 外洲水文站； 贛江

中圖法分類號：TV142

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.07.002

文章編號：1006-0081（2024）07-0013-05

0 引 言

根據SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》，泥沙顆粒級配是指小于某粒徑的沙量占總沙量的百分比，泥沙粒徑通常以其質地密度相同的球體的某種幾何、物理、化學性能等效來描述，如與球體等體積（等表面積）球的直徑、與顆粒有相同投影面積圓的直徑（投影面積直徑）、顆粒能通過的最小方孔的篩分直徑、在介質中與球體運動特征（速度等）相同球體的直徑等。河流泥沙顆粒分析方法大致分為量測法（含尺量法、篩分法）、沉降法（含粒徑計法、吸管法、消光法、離心沉降法）和激光衍射法。

近年來，國內外許多學者對泥沙顆粒級配分析技術進行了研究，楊秀麗等［1］對尺量法、篩分法等5種常用泥沙顆粒分析方法的原理、適用粒徑范圍和特點進行了歸納，對國產光電顆粒分析儀技術發(fā)展歷程和特點等進行了分析；王亮［2］開展了基于數字圖像處理技術的泥沙顆粒分析研究，著重對分水嶺分割算法的圖像處理技術進行了試驗；蔣建平等［3］基于激光散射原理利用Bettersize 3000Plus激光粒度儀對含沙量快速施測進行了研究；牛占等［4］利用MS2000激光粒度儀對黃河泥沙顆粒進行了分析；劉建新等［5］對馬爾文MS2000型激光粒度儀在江西河流泥沙顆粒分析中的應用進行了研究，結果表明，MS2000激光粒度儀具有速度快、精度高、人為因素影響小等特點，目前已在江西省水文系統(tǒng)泥沙顆粒分析中全面投入使用。以上研究推進了泥沙顆粒分析技術更新，但較少有研究對激光法國產儀器的應用情況進行試驗分析。為了推進激光粒度儀國產化進程，2022年5月江西省水文監(jiān)測中心引進了一臺YRCC.NKG-2800型國產激光粒度儀，在外洲水文站開展了大量的試驗工作。本文以外洲水文站為例，就該儀器的準確性、適應性等情況進行試驗分析，并與馬爾文MS2000型激光粒度儀試驗結果進行對比，旨在為國產激光粒度儀的推廣應用提供參考。

1 研究區(qū)域概況

外洲水文站設立于1949年10月，位于江西省南昌市青山湖區(qū)桃花鎮(zhèn)，東經115°50′，北緯28°38′，集水面積80 948 km2，占整個贛江流域的97.8%，是長江流域贛江下游重要控制站、國家重要水文站。流量測驗為一類精度，泥沙測驗為二類精度。主要測驗項目有：水位、流量、降水量、懸移質含沙量、懸移質泥沙顆粒分析、蒸發(fā)、水溫、水質等。該站多年平均流量2 160 m3/s，多年平均輸沙量266萬t，多年平均含沙量0.123 kg/m3。該站于1970年開展懸移質泥沙顆粒分析項目，在引入馬爾文激光粒度儀之前采用粒徑計法進行顆粒分析。

2 比測設備及沙樣

本研究采用YRCC.NKG-2800激光粒度儀和馬爾文MS2000型激光粒度儀開展比測試驗。激光粒度儀工作原理是激光器發(fā)出單色光，經光路變換為平面波的平行光，射向光路中間的透光試樣槽，分散在介質中的大小不同顆粒遇光發(fā)生不同角度的衍射、散射，衍射、散射后產生的光投向布置在不同方向分立的光信息接收與光電轉換器，光電轉換器將衍射、散射轉換的信息傳給微計算機進行處理，轉化成粒子的分布信息［2］。其中，YRCC.NKG-2800 型激光粒度儀采用正反傅立葉結合光路設計，結合傾斜樣品池技術達到全角度測量，檢測角為165°（進口儀器為135°），測試范圍比馬爾文MS2000激光粒度儀更廣。

依據米氏理論計算馬爾文MS2000型激光粒度儀和YRCC.NKG-2800型激光粒度儀試驗結果，計算顆粒體積當量等效球徑D，顆粒的體積V=πD3/6，測量成果用小于某粒徑級體積占樣本顆粒群體積的百分數表示。

本次比測試驗收集了外洲水文站測驗斷面處懸移質沙樣37份，采取的水樣均嚴格按照GB 50159-92《河流懸移質泥沙測驗規(guī)范》的懸移質泥沙顆粒分析水樣取樣規(guī)定。每份水樣經自然沉淀后，均由同一人分別使用YRCC.NKG-2800型激光粒度儀和馬爾文MS2000型激光粒度儀進行分析。

3 比測試驗

3.1 參數率定

根據SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》，使用激光法測試粒度分布之前需要進行參數率定，率定的參數主要有泵速、超聲波強度、超聲波持續(xù)時間、遮光度等。馬爾文MS2000型激光粒度儀參數采用設備投入使用時率定的參數，對YRCC.NKG-2800型激光粒度儀進行參數率定，結果見表1。

3.2 準確性試驗

激光粒度儀測定的泥沙顆粒級配與被測泥沙真實級配的差值越小，其準確度就越高［6］。為了確保兩款儀器的準確性，參照SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》，按國際通行做法，使用標準粒子對儀器的準確性進行檢測和校準。

馬爾文儀器公司為MS2000型激光粒度儀配備了已知粒度分布、特征粒徑參數及分析誤差限的專用“標準粒子”，比測試驗前用“標準粒子”對該儀器進行了準確性檢測，檢測結果見表2。YRCC.NKG-2800型激光粒度儀采用棕剛玉進行比對試驗，棕剛玉標準值采用校準后的馬爾文MS2000型激光粒度儀測量結果作為真值，比測試驗結果見表3。

從表2～3可知，馬爾文MS2000型激光粒度儀D10，D50，D90特征粒徑等參數均在該標準粒子規(guī)定的上下限值以內，由此認為該儀器的測量結果是準確、可信。YRCC.NKG-2800型激光粒度儀與經標準粒子檢驗合格的馬爾文MS2000型對比結果表明，D10，D50，D90特征粒徑檢測結果最大相對誤差為2.7%，可認為YRCC.NKG-2800型激光粒度儀結果準確、可信。

3.3 重復性試驗

本次試驗選取了具有代表性的3個泥沙樣品，分成2份，分別對2臺儀器進行重復性試驗，每個沙樣重復測試20次組成級配樣本系列Gij。

按照SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》檢驗的相關要求，采用下列公式統(tǒng)計各測次級配系列的均值Gi、標準差σ和隨機不確定度X（要求置信水平為95%）。

Gi=∑Nj=1GijN（1）

σi=∑Nj=1（Gij－Gi）2N－1（2）

X=zσ（3）

式中：Gi為各粒徑級多次測量值系列的統(tǒng)計平均值，%；σi為某粒徑級系列的統(tǒng)計標準差；X為樣本系列不確定度（置信度φ=95%時，z取2.0）；N為重復試驗次數。

按照SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》中的規(guī)定，各沙型各粒徑級小于某粒徑沙量百分數的標準差σi均需小于2，樣本系列不確定度X為2倍標準差，即需小于4。

經分析，馬爾文MS2000型和YRCC.NKG-2800型激光粒度儀重復性試驗誤差檢驗成果見表4～5，標準差σi及不確定度X均符合SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》的要求。

通過重復性檢驗，說明在相同測量條件下，對同一樣品采用國產激光粒度及馬爾文激光粒度儀分別進行多次重復試驗，馬爾文MS2000型與YRCC.NEG-2800型激光粒度儀重復性試驗最大標準差分別為0.22%，0.3%，說明各相應粒徑級級配值均非常接近，成果具有較好的一致性。

3.4 平行性試驗

選取4份沙樣，用YRCC.NKG-2800型激光粒度儀進行平行性試驗，每個沙樣平行測試20次，每次取3次測量平均值作為此份沙樣顆粒分析結果，計算標準差和隨機不確定度。根據SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》，YRCC.NKG-2800型激光粒度儀測得的各級小于某粒徑體積百分數的標準差滿足小于3%的要求。試驗結果見表6。

4 相關關系分析

選取全部37份沙樣分別用國產YRCC.NEG-2800型激光粒度儀與馬爾文MS2000型激光粒度儀進行分析比測。按照SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》附錄B相關規(guī)定，將YRCC.NEG-2800型激光粒度儀相應級配分析成果數據系列定義為x序列（被轉換量），馬爾文MS2000型激光粒度儀相應級配分析成果數據系列定義為y序列（轉換目標量）。采用最小二乘法，利用計算機EXCEL數據處理軟件，將兩個成果數據系列生成相關關系見圖1。

4.1 方程擬合

根據相關關系，通過點群中心，采用最小二乘法擬合的一次方程式為

y=0.985x+0.7393，R2=0.9965（4）

用上述公式，將YRCC.NEG-2800型激光粒度儀級配成果Y換算為馬爾文MS2000型激光粒度儀成果Y2，計算誤差序列δ=Y-Y2，采用公式（5）計算誤差系列的均方差σ，用公式（6）計算系統(tǒng)誤差ε，具體誤差檢驗成果見表7。各粒徑級的系統(tǒng)誤差和均方差滿足規(guī)范要求，因此，認為公式（4）可作為YRCC.NEG-2800型激光粒度儀與馬爾文MS2000型激光粒度儀的轉換公式。

σ= ∑δ2n（5）

ε=∑δn（6）

4.2 誤差評定

根據圖1所示，由于各相關點點帶趨勢明顯，密集度較高，考慮不進行轉換，直接用YRCC.NEG-2800型激光粒度儀分析成果作為顆粒分析成果，以馬爾文MS2000型級配成果作為真值，計算系統(tǒng)誤差及均方差，誤差檢驗成果見表8。可以看出，國產激光粒度儀與馬爾文激光粒度儀的比測結果誤差小，測試樣本中最大系統(tǒng)誤差僅為1.12%。各粒徑級的系統(tǒng)誤差和均方差滿足規(guī)范要求，可以直接將國產激光粒度儀的成果作為泥沙顆粒級配成果。

5 結 論

本文介紹了國產激光粒度儀，以外洲水文站實測泥沙為樣本，開展了準確性、重復性、平行性試驗，對試驗結果進行了相關分析和誤差分析，主要結論如下：

（1） 采用YRCC.NEG-2800型激光粒度儀分析懸移質泥沙級配重復性、平行性好，各項指標均符合SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》中相關規(guī)定的允許誤差指標。

（2） YRCC.NEG-2800型激光粒度儀與馬爾文MS2000型激光粒度儀的比測結果誤差小，測試樣本中最大誤差僅為1.12%，分析的成果精度高、不受人為因素影響，可滿足河流泥沙顆粒分析要求。

（3） YRCC.NEG-2800型激光粒度儀可應用于江西省懸移質泥沙顆粒分析工作。

參考文獻：

［1］ 楊秀麗，時文博，王德忠，等.黃河山東段泥沙顆粒分析技術綜述［C］∥山東省科學技術協會.山東水利科技論壇2007.濟南：山東科學技術出版社，2007.

［2］ 王亮.基于數字圖像處理技術的泥沙顆粒分析［D］.重慶：重慶交通大學，2014.

［3］ 蔣建平，朱漢華，吳立鍵.基于激光散射原理的含沙量快速施測方法研究［J］.人民長江，2020，51（7）：89-92.

［4］ 牛占，和瑞勇，李靜，等.激光粒度儀應用于黃河泥沙顆粒分析的實驗研究［J］.泥沙研究，2002（5）：6-14.

［5］ 劉建新，鄧凌毅，唐晶晶.激光粒度儀在江西河流泥沙顆粒分析中的應用［J］.江西水利科技，2015，41（4）：259-263.

［6］ 劉明堂，吳思琪，黨元初，等.基于Kalman-GOCNN最優(yōu)融合模型的懸移質含沙量在線檢測［J］.水利水電快報，2022，43（5）：20-27.

（編輯：江 文）

Experimental study on particle gradation of suspended sediment based on laser particle size analyzer

WU Wen1，LIU Tielin2，CHA Yingpeng3

（1.Fuhe Hydrology and Water Resources Monitoring Center，Fuzhou 344000，China； 2.Jiangxi Provincial Hydrology Monitoring Center，Nanchang 330000，China； 3.Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330099，China）

Abstract：

In order to explore the accuracy and applicability of the domestic laser particle size analyzer in the analysis of suspended sediment particles，the accuracy，repeatability and parallelism tests of river sediment were carried out by using the domestic YRCC.NEG-2800 laser particle size analyzer and Malvern laser particle size analyzer at Waizhou Hydrological Station in Ganjiang River. We used the least square method to analyze the correlation between the two test results. The results showed that the accuracy，repeatability，and parallelism error of the domestically produced laser particle size analyzer were less than 3%，which met the requirements of SL 42-2010 Regulations for River Sediment Particle Analysis，and YRCC.NEG-2800 laser particle size analyzer could be applied to the analysis of suspended sediment particle size distribution in rivers in Jiangxi Province. The comparison error between domestic laser particle size analyzer and Marvin laser particle size analyzer was small，and the maximum error in the test sample was only 1.12%. YRCC.NEG-2800 laser particle size analyzer has a high accuracy according to the analysis results.

Key words：

particle gradation； suspended sediment； laser particle size analyzer； least square method； Waizhou Hydrological Station； Ganjiang River