摘要：

為探究國(guó)產(chǎn)激光粒度儀應(yīng)用于懸移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配分析時(shí)的準(zhǔn)確性及適用性，以贛江外洲水文站為例，利用國(guó)產(chǎn)YRCC.NEG-2800型激光粒度儀和馬爾文激光粒度儀對(duì)河流泥沙開(kāi)展了準(zhǔn)確性、重復(fù)性、平行性試驗(yàn)，并采用最小二乘法分析了兩者試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：國(guó)產(chǎn)激光粒度儀的準(zhǔn)確性、重復(fù)性、平行性誤差小于3%，達(dá)到SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》要求，可應(yīng)用于江西省河流懸移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配分析。國(guó)產(chǎn)激光粒度儀與馬爾文激光粒度儀的比測(cè)誤差小，測(cè)試樣本中最大誤差僅為1.12%，分析的成果精度高。

關(guān)鍵詞：

顆粒級(jí)配； 懸移質(zhì)； 激光粒度儀； 最小二乘法； 外洲水文站； 贛江

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV142

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.07.002

文章編號(hào)：1006-0081（2024）07-0013-05

0 引 言

根據(jù)SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》，泥沙顆粒級(jí)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(zhì)地密度相同的球體的某種幾何、物理、化學(xué)性能等效來(lái)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(guò)的最小方孔的篩分直徑、在介質(zhì)中與球體運(yùn)動(dòng)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(cè)法（含尺量法、篩分法）、沉降法（含粒徑計(jì)法、吸管法、消光法、離心沉降法）和激光衍射法。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)泥沙顆粒級(jí)配分析技術(shù)進(jìn)行了研究，楊秀麗等［1］對(duì)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(diǎn)進(jìn)行了歸納，對(duì)國(guó)產(chǎn)光電顆粒分析儀技術(shù)發(fā)展歷程和特點(diǎn)等進(jìn)行了分析；王亮［2］開(kāi)展了基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的泥沙顆粒分析研究，著重對(duì)分水嶺分割算法的圖像處理技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)；蔣建平等［3］基于激光散射原理利用Bettersize 3000Plus激光粒度儀對(duì)含沙量快速施測(cè)進(jìn)行了研究；牛占等［4］利用MS2000激光粒度儀對(duì)黃河泥沙顆粒進(jìn)行了分析；劉建新等［5］對(duì)馬爾文MS2000型激光粒度儀在江西河流泥沙顆粒分析中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)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(diǎn)，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(jìn)了泥沙顆粒分析技術(shù)更新，但較少有研究對(duì)激光法國(guó)產(chǎn)儀器的應(yīng)用情況進(jìn)行試驗(yàn)分析。為了推進(jìn)激光粒度儀國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，2022年5月江西省水文監(jiān)測(cè)中心引進(jìn)了一臺(tái)YRCC.NKG-2800型國(guó)產(chǎn)激光粒度儀，在外洲水文站開(kāi)展了大量的試驗(yàn)工作。本文以外洲水文站為例，就該儀器的準(zhǔn)確性、適應(yīng)性等情況進(jìn)行試驗(yàn)分析，并與馬爾文MS2000型激光粒度儀試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，旨在為國(guó)產(chǎn)激光粒度儀的推廣應(yīng)用提供參考。

1 研究區(qū)域概況

外洲水文站設(shè)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(jīng)115°50′，北緯28°38′，集水面積80 948 km2，占整個(gè)贛江流域的97.8%，是長(zhǎng)江流域贛江下游重要控制站、國(guó)家重要水文站。流量測(cè)驗(yàn)為一類(lèi)精度，泥沙測(cè)驗(yàn)為二類(lèi)精度。主要測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有：水位、流量、降水量、懸移質(zhì)含沙量、懸移質(zhì)泥沙顆粒分析、蒸發(fā)、水溫、水質(zhì)等。該站多年平均流量2 160 m3/s，多年平均輸沙量266萬(wàn)t，多年平均含沙量0.123 kg/m3。該站于1970年開(kāi)展懸移質(zhì)泥沙顆粒分析項(xiàng)目，在引入馬爾文激光粒度儀之前采用粒徑計(jì)法進(jìn)行顆粒分析。

2 比測(cè)設(shè)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(kāi)展比測(cè)試驗(yàn)。激光粒度儀工作原理是激光器發(fā)出單色光，經(jīng)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(zhì)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(chǎn)生的光投向布置在不同方向分立的光信息接收與光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器將衍射、散射轉(zhuǎn)換的信息傳給微計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)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(jié)合光路設(shè)計(jì)，結(jié)合傾斜樣品池技術(shù)達(dá)到全角度測(cè)量，檢測(cè)角為165°（進(jìn)口儀器為135°），測(cè)試范圍比馬爾文MS2000激光粒度儀更廣。

依據(jù)米氏理論計(jì)算馬爾文MS2000型激光粒度儀和YRCC.NKG-2800型激光粒度儀試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算顆粒體積當(dāng)量等效球徑D，顆粒的體積V=πD3/6，測(cè)量成果用小于某粒徑級(jí)體積占樣本顆粒群體積的百分?jǐn)?shù)表示。

本次比測(cè)試驗(yàn)收集了外洲水文站測(cè)驗(yàn)斷面處懸移質(zhì)沙樣37份，采取的水樣均嚴(yán)格按照GB 50159-92《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》的懸移質(zhì)泥沙顆粒分析水樣取樣規(guī)定。每份水樣經(jīng)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(jìn)行分析。

3 比測(cè)試驗(yàn)

3.1 參數(shù)率定

根據(jù)SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》，使用激光法測(cè)試粒度分布之前需要進(jìn)行參數(shù)率定，率定的參數(shù)主要有泵速、超聲波強(qiáng)度、超聲波持續(xù)時(shí)間、遮光度等。馬爾文MS2000型激光粒度儀參數(shù)采用設(shè)備投入使用時(shí)率定的參數(shù)，對(duì)YRCC.NKG-2800型激光粒度儀進(jìn)行參數(shù)率定，結(jié)果見(jiàn)表1。

3.2 準(zhǔn)確性試驗(yàn)

激光粒度儀測(cè)定的泥沙顆粒級(jí)配與被測(cè)泥沙真實(shí)級(jí)配的差值越小，其準(zhǔn)確度就越高［6］。為了確保兩款儀器的準(zhǔn)確性，參照SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》，按國(guó)際通行做法，使用標(biāo)準(zhǔn)粒子對(duì)儀器的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢測(cè)和校準(zhǔn)。

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(shù)及分析誤差限的專(zhuān)用“標(biāo)準(zhǔn)粒子”，比測(cè)試驗(yàn)前用“標(biāo)準(zhǔn)粒子”對(duì)該儀器進(jìn)行了準(zhǔn)確性檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。YRCC.NKG-2800型激光粒度儀采用棕剛玉進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，棕剛玉標(biāo)準(zhǔn)值采用校準(zhǔn)后的馬爾文MS2000型激光粒度儀測(cè)量結(jié)果作為真值，比測(cè)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(shù)均在該標(biāo)準(zhǔn)粒子規(guī)定的上下限值以內(nèi)，由此認(rèn)為該儀器的測(cè)量結(jié)果是準(zhǔn)確、可信。YRCC.NKG-2800型激光粒度儀與經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)粒子檢驗(yàn)合格的馬爾文MS2000型對(duì)比結(jié)果表明，D10，D50，D90特征粒徑檢測(cè)結(jié)果最大相對(duì)誤差為2.7%，可認(rèn)為YRCC.NKG-2800型激光粒度儀結(jié)果準(zhǔn)確、可信。

3.3 重復(fù)性試驗(yàn)

本次試驗(yàn)選取了具有代表性的3個(gè)泥沙樣品，分成2份，分別對(duì)2臺(tái)儀器進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，每個(gè)沙樣重復(fù)測(cè)試20次組成級(jí)配樣本系列Gij。

按照SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》檢驗(yàn)的相關(guān)要求，采用下列公式統(tǒng)計(jì)各測(cè)次級(jí)配系列的均值Gi、標(biāo)準(zhǔn)差σ和隨機(jī)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(jí)多次測(cè)量值系列的統(tǒng)計(jì)平均值，%；σi為某粒徑級(jí)系列的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差；X為樣本系列不確定度（置信度φ=95%時(shí)，z取2.0）；N為重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)。

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(jí)小于某粒徑沙量百分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差σi均需小于2，樣本系列不確定度X為2倍標(biāo)準(zhǔn)差，即需小于4。

經(jīng)分析，馬爾文MS2000型和YRCC.NKG-2800型激光粒度儀重復(fù)性試驗(yàn)誤差檢驗(yàn)成果見(jiàn)表4～5，標(biāo)準(zhǔn)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(guò)重復(fù)性檢驗(yàn)，說(shuō)明在相同測(cè)量條件下，對(duì)同一樣品采用國(guó)產(chǎn)激光粒度及馬爾文激光粒度儀分別進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，馬爾文MS2000型與YRCC.NEG-2800型激光粒度儀重復(fù)性試驗(yàn)最大標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.22%，0.3%，說(shuō)明各相應(yīng)粒徑級(jí)級(jí)配值均非常接近，成果具有較好的一致性。

3.4 平行性試驗(yàn)

選取4份沙樣，用YRCC.NKG-2800型激光粒度儀進(jìn)行平行性試驗(yàn)，每個(gè)沙樣平行測(cè)試20次，每次取3次測(cè)量平均值作為此份沙樣顆粒分析結(jié)果，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差和隨機(jī)不確定度。根據(jù)SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》，YRCC.NKG-2800型激光粒度儀測(cè)得的各級(jí)小于某粒徑體積百分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差滿足小于3%的要求。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

4 相關(guān)關(guān)系分析

選取全部37份沙樣分別用國(guó)產(chǎn)YRCC.NEG-2800型激光粒度儀與馬爾文MS2000型激光粒度儀進(jìn)行分析比測(cè)。按照SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》附錄B相關(guān)規(guī)定，將YRCC.NEG-2800型激光粒度儀相應(yīng)級(jí)配分析成果數(shù)據(jù)系列定義為x序列（被轉(zhuǎn)換量），馬爾文MS2000型激光粒度儀相應(yīng)級(jí)配分析成果數(shù)據(jù)系列定義為y序列（轉(zhuǎn)換目標(biāo)量）。采用最小二乘法，利用計(jì)算機(jī)EXCEL數(shù)據(jù)處理軟件，將兩個(gè)成果數(shù)據(jù)系列生成相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖1。

4.1 方程擬合

根據(jù)相關(guān)關(guān)系，通過(guò)點(diǎn)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(jí)配成果Y換算為馬爾文MS2000型激光粒度儀成果Y2，計(jì)算誤差序列δ=Y-Y2，采用公式（5）計(jì)算誤差系列的均方差σ，用公式（6）計(jì)算系統(tǒng)誤差ε，具體誤差檢驗(yàn)成果見(jiàn)表7。各粒徑級(jí)的系統(tǒng)誤差和均方差滿足規(guī)范要求，因此，認(rèn)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(zhuǎn)換公式。

σ= ∑δ2n（5）

ε=∑δn（6）

4.2 誤差評(píng)定

根據(jù)圖1所示，由于各相關(guān)點(diǎn)點(diǎn)帶趨勢(shì)明顯，密集度較高，考慮不進(jìn)行轉(zhuǎn)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(jí)配成果作為真值，計(jì)算系統(tǒng)誤差及均方差，誤差檢驗(yàn)成果見(jiàn)表8?？梢钥闯觯瑖?guó)產(chǎn)激光粒度儀與馬爾文激光粒度儀的比測(cè)結(jié)果誤差小，測(cè)試樣本中最大系統(tǒng)誤差僅為1.12%。各粒徑級(jí)的系統(tǒng)誤差和均方差滿足規(guī)范要求，可以直接將國(guó)產(chǎn)激光粒度儀的成果作為泥沙顆粒級(jí)配成果。

5 結(jié) 論

本文介紹了國(guó)產(chǎn)激光粒度儀，以外洲水文站實(shí)測(cè)泥沙為樣本，開(kāi)展了準(zhǔn)確性、重復(fù)性、平行性試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)分析和誤差分析，主要結(jié)論如下：

（1） 采用YRCC.NEG-2800型激光粒度儀分析懸移質(zhì)泥沙級(jí)配重復(fù)性、平行性好，各項(xiàng)指標(biāo)均符合SL 42-2010 《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定的允許誤差指標(biāo)。

（2） YRCC.NEG-2800型激光粒度儀與馬爾文MS2000型激光粒度儀的比測(cè)結(jié)果誤差小，測(cè)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(yīng)用于江西省懸移質(zhì)泥沙顆粒分析工作。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 楊秀麗，時(shí)文博，王德忠，等.黃河山東段泥沙顆粒分析技術(shù)綜述［C］∥山東省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì).山東水利科技論壇2007.濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

［2］ 王亮.基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的泥沙顆粒分析［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，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(cè)方法研究［J］.人民長(zhǎng)江，2020，51（7）：89-92.

［4］ 牛占，和瑞勇，李靜，等.激光粒度儀應(yīng)用于黃河泥沙顆粒分析的實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(zhì)含沙量在線檢測(cè)［J］.水利水電快報(bào)，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，F(xiàn)uzhou 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