黃河泥沙顆粒分析新技術(shù)的引進與應(yīng)用分析

丁心瑞丁萌

（1.黃委會河南水文水資源局，河南鄭州 450000；2.黃委會水文局工程建設(shè)處，河南鄭州 450000）

黃河泥沙顆粒分析新技術(shù)的引進與應(yīng)用分析

丁心瑞1丁萌2

（1.黃委會河南水文水資源局，河南鄭州 450000；2.黃委會水文局工程建設(shè)處，河南鄭州 450000）

利用激光粒度分析技術(shù)科學(xué)實現(xiàn)了黃河泥沙顆粒分析作業(yè)的自動化，利用動態(tài)泥沙粒形分析技術(shù)擴大了人類對黃河泥沙顆粒形貌特征的認知范圍，利用在線粒度分析技術(shù)有效提高了黃河泥沙粒度分析的野外在線作業(yè)水平。通過引進和應(yīng)用黃河泥沙顆粒分析的新技術(shù)，逐步構(gòu)建了一套新型的、高效的自動化黃河泥沙顆粒分析體系。

黃河 泥沙顆粒分析 激光法 圖像法

泥沙顆粒分析是一項應(yīng)用極為廣泛的技術(shù)，當(dāng)前已經(jīng)成長為一門專業(yè)學(xué)科。研究泥沙的顆粒組成，對了解泥沙的運動特點、物理性質(zhì)等具有重要意義，為水利工程的建設(shè)和使用提供重要的資料參考。

1 引進黃河泥沙顆粒分析新技術(shù)的必要性

黃河泥沙顆粒分析是黃河泥沙治理的重要手段，多年的黃河治理實踐表明，黃河的主要癥結(jié)在于沙多水少、沙水的關(guān)系不協(xié)調(diào)。因此，深入研發(fā)和引進科學(xué)的泥沙顆粒分析技術(shù)能為黃河的治理和管理提供有效的技術(shù)保障。雖然我國在20世紀(jì)50年代就對黃河水文開展了泥沙顆粒分析工作，泥沙顆粒分析技術(shù)也經(jīng)歷了尺量法、篩析法、粒徑計法、吸管法、消光法等階段，但是這些傳統(tǒng)的技術(shù)多數(shù)是對泥沙的粒度進行分析，有關(guān)泥沙的粒形分析還遠遠不夠，甚至處于空白，需要研發(fā)和引進新型科學(xué)的泥沙顆粒分析技術(shù)，以實現(xiàn)對黃河的綜合治理，增強黃河泥沙顆粒分析作業(yè)的自動化程度，提高泥沙分析結(jié)果的精準(zhǔn)度。

黃河泥沙顆粒分析技術(shù)的選擇總體上要根據(jù)已有的實踐資料和泥沙的具體特點，具體體現(xiàn)在以下幾點：①泥沙粒徑大小。黃河泥沙的粒徑大小不一，且相差懸殊，大的能到百余厘米，小的僅為微米。②在泥沙顆粒分析工作中，時常會用到沉速，加之沉速一般是由泥沙的粒徑換算得到的，當(dāng)有多種技術(shù)選擇時，可以采用沉速技術(shù)。③對多級泥沙顆粒級配的分析技術(shù)選用時，要根據(jù)顆粒級配成果能否進行相互換算，且在接頭處是否進行平滑連接而定，只有這樣才能確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。④黃河泥沙較多，在選用具體的泥沙顆粒分析技術(shù)時也要將含沙量大小納入選用標(biāo)準(zhǔn)中。

2 黃河泥沙顆粒分析新技術(shù)及其具體應(yīng)用

2.1 激光粒度分析技術(shù)及其應(yīng)用

激光粒度分析技術(shù)，簡稱激光法，原理是弗朗霍夫衍射和米氏全散射理論。當(dāng)前黃河激光粒度分析技術(shù)使用的分析儀器的信號是Mastersizer2000型，在0.02-2000μm范圍內(nèi)的乳化液、懸浮液、噴霧粒度和干粉粒度中應(yīng)用廣泛。實際應(yīng)用中，技術(shù)人員使用一束平行單色光對泥沙池中的顆粒進行照射，以讓其產(chǎn)生光的散射和衍射，經(jīng)過散射和衍射后的顆粒光投向各個方向的檢測器，并將接受的光能信息利用計算機模型生成粒級級配分布的信息，完成對泥沙粒徑級配的檢測。

該技術(shù)的主要應(yīng)用價值是能實現(xiàn)黃河泥沙顆粒分析作業(yè)的自動化。隨著黃河泥沙顆粒分析工作量的不斷增大，傳統(tǒng)的泥沙顆粒分析技術(shù)在正常情況下處理一個泥沙要半小時，且手工的環(huán)節(jié)較多，而利用激光法能大大增強泥沙顆粒分析的工作效率，提高自動化水平。相關(guān)研究表明，利用激光粒度分析技術(shù)對泥沙顆粒進行分析，從對泥沙的預(yù)處理、測量到生產(chǎn)數(shù)據(jù)并傳輸只要幾分鐘，提高了幾十倍的工作效率［1］。可見，在黃河泥沙顆粒分析工作中，利用激光粒度分析技術(shù)不僅解決了泥沙粒徑級配資料在整理過程中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)錯誤問題，還有效提高了作業(yè)的自動化水平，增強了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 動態(tài)泥沙粒形分析技術(shù)及其應(yīng)用

動態(tài)泥沙粒形分析技術(shù)，簡稱為圖像法。在對黃河泥沙顆粒進行分析時，技術(shù)人員可以利用頻閃捕捉技術(shù)和照相技術(shù)對運動中的顆粒進行拍攝，并制作成視頻。然后將制成的視頻信息輸入計算機，計算機就會自動進行數(shù)字化處理，識別顆粒邊緣、計算顆粒的粒徑和球形度，以獲得更為精準(zhǔn)有效的粒形信息。同時，測試的結(jié)果也可以借助圖表、粒子庫等形式輸出。

該技術(shù)的主要應(yīng)用價值是擴大了人類對黃河泥沙顆粒形貌特征的認知范圍。使用該技術(shù)對黃河泥沙進行顆粒分析，能有效獲取泥沙顆粒的圖像資料、粒徑、長細比、球形度等信息。從獲取的這些泥沙顆粒信息上來看，可選擇如FRITE徑、等效球體直徑等不同表征方式，能直接給出顆粒的平均粒徑、邊界粒徑和中數(shù)粒徑等信息，且長細比、球形度等能滿足不同的需求。分析結(jié)果的精確性上來看，圖像法具有自動化測試功能，其計算模型較為完善，測試結(jié)果的精準(zhǔn)度是人工計算無法比擬的。此外，該技術(shù)在對黃河泥沙追蹤溯源的應(yīng)用及黃河動床模型試驗中使用粉煤灰替代泥沙的等效性等研究中取得了顯著效果。

2.3 在線粒度分析技術(shù)及其應(yīng)用

在線粒度分析技術(shù)，簡稱超聲法，原理是超聲衰竭、測量基礎(chǔ)是Lambert-Beer定律、頻段范圍是100kHz-200MHz。利用該技術(shù)進行黃河泥沙顆粒分析時，工作人員可以在這個范圍內(nèi)任意選擇一個子頻段，并將選定的子頻段劃分為31個頻率點，從高到底進行檢測，整個過程控制在一分中內(nèi)。然后將這31個頻率點的測驗信號代入模型內(nèi)，構(gòu)成31個方程，計算出30個粒度值和1和濃度值，就是泥沙顆粒的級配信息和含沙量。

該技術(shù)的主要應(yīng)用價值是提高了黃河泥沙粒度分析的野外在線作業(yè)水平。超聲法沖破了傳統(tǒng)的“野外采樣、長途運輸、實驗室測試”的工作模式，技術(shù)人員能直接在河流上入水進行泥沙粒度及含沙量的測試，實現(xiàn)了實時在線監(jiān)測。這不僅很好的消除了傳統(tǒng)室內(nèi)測試作業(yè)可能存在的樣品變質(zhì)、漏灑、絮凝等風(fēng)險，還滿足了黃委會水文水源局對泥沙粒度資料要準(zhǔn)確、及時的要求。可見，在線粒度分析技術(shù)作為一種新技術(shù)，在黃河泥沙顆粒分析工作中的具有較高的應(yīng)用價值，值得推廣，并在不斷的實踐中得到完善。

3 結(jié)果

總之，研發(fā)和引進新的黃河泥沙顆粒分析技術(shù)是提高黃河泥沙顆粒分析結(jié)果精準(zhǔn)度，增強黃河綜合治理的重要發(fā)展。目前水文水資源局大多都已經(jīng)引進和應(yīng)用了激光粒度分析技術(shù)、動態(tài)泥沙粒形分析技術(shù)和在線粒度分析技術(shù)等新技術(shù)，構(gòu)建出了一套新型的、高效的自動化黃河泥沙顆粒分析體系，并取得了一定的成果。

［1］劉俊峰，金瑞琴，谷碩.黃河泥沙顆粒分析新技術(shù)的引進及應(yīng)用［J］.人民黃河，2014，36（09）：26-27.

丁心瑞（1958—），男，漢族，河南鄧州人，中專學(xué)歷，工程師，從事水文水資源研究工作。