馬爾文MS2000激光粒度顆分儀測試分析

◎趙建波　張　婷

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馬爾文MS2000激光粒度顆分儀測試分析

◎趙建波張婷

◆作者系陜西省寶雞水文水資源勘測局工程師

1　基本情況

在水利工程中，需要研究解決的泥沙問題內容十分廣泛，但總的來說不外乎兩個方面：一是研究泥沙在水中的運動規律，以達到了解自然的目的；二是運用上述規律采取工程措施，達到興利除害改造自然的目的。泥沙顆粒分析（簡稱顆分）資料在上述兩個方面都有著重要的作用。寶雞水文局目前承擔泥顆分析任務的水文站為拓石、千陽、魏家堡、林家村4站，一直沿用分析方法為吸管、篩吸結合分析法，其分析結果為質量百分比，該方法操作過程繁瑣、效率低、勞動強度大，分析一個泥顆樣品打樣、吸樣到稱重需要6個多小時的時間，加之人工操作存在人為誤差，影響分析質量；同時資料計算通過手工方式，難以及時取得分析成果，不能滿足河流治理開發、管理對泥沙顆粒級配資料的實效和精度要求，這與新形勢下水文工作的需求很不適應。

黃委三門峽水文局從2005年至今已使用英國馬爾文公司的馬爾文MS2000激光粒度顆分析儀進行泥顆分析工作，經過十年運行使用，該儀器測量簡單快速、測量結果穩定可靠、數據精度高；測試結果為體積百分數分布，具有傳統方法所無法比擬的高精度、高效率、高自動化程度的顯著優勢，具體表現在：

（1）儀器分析粒徑范圍為0.02um～2000um，對一個單沙樣品測量過程完成全部分析內容。

（2）樣品預處理，測量到數據輸出只需3min,與傳統方法相比，極大提高了工作效率。

（3）通過軟件設置標準操作程序，實現了泥沙顆粒級配過程的全自動控制。

隨著社會經濟的飛速發展，水資源管理、評價及水利工程規劃對泥沙顆粒級配分析的時效性、準確性的要求會越來越高，如何快速、準確的實施泥沙及粒度的有效監測，為河流的治理、管理、開發提供有效技術支撐，因此改變傳統的分析方式，運用新的儀器進行顆粒分析十分必要。

2　測試依據及參數設置

表1　測量黃河泥沙顆粒級配參數值（HYDRO 2000MU型）

2.1樣品選用及測試依據

本次測試選用拓石站2015年30個泥顆樣品進行測試，測試執行《河流泥沙顆粒分析規程》（SL42.2012）相關規定及《馬爾文MS2000激光粒度顆分儀操作規程》。

表2　拓石站泥沙粒度分析報告參數一覽表

2.2參數設置

黃委三門峽水文局于2002至2004完成了馬爾文MS2000激光粒度顆分析儀進行泥顆試算分析比對工作，采用激光儀與移液管、篩吸結合分析兩種方法，歷時三年對2000多個（包括中、粗、細各種類型）泥顆樣品進行了比對試算，率定出了適合黃河流域河流泥沙顆粒級配特性的儀器參數，本次測試采用三門峽水文局率定的儀器參數進行試算，詳見表1。

3　測試情況

3.1儀器測試

本次測試對2015年拓石站30個泥顆樣品進行了測試，測試結果以粒度分布數據表、分布曲線、D0.1、D0.5、D0.9等方式顯示，打印和記錄。

樣品遮光度的合適值范圍為10% ～20%，由表2分析可知，除施測號數為27、31、46樣品的遮光度偏大，其余樣品遮光度都基本接近遮光度最佳值15%；殘差最大0.358%，最小0.241%，都滿足殘差小于2%的儀器規定使用要求。詳見表2

3.2移液管、篩吸結合分析

本次分析選取13個沙重為8g～10g的泥顆樣品，采用吸管、篩分析方法進行了對比分析，施測號數為48的泥顆樣品級配曲線與粒徑沙重百分數50%的垂直線無交點，該泥顆樣品無中數粒徑，舍棄該樣本，對比分析總計為12個泥顆樣本。

表3　渭河拓石站實測懸移質單樣激光儀與篩吸結合分析顆粒級配對比成果表

樣品選取原因：

1.樣品代表性好，不同粒徑沙重百分數分布均勻，顆粒級配曲線分布比較合理；

2.有利于篩上部分粒徑分析，篩上粒徑分析在0.062mm～1.0mm范圍之間，因為沙重太小，雖然有沙重，但無法進位，一般篩上部分級配曲線和儀器分析曲線比較，人工繪制曲線較短。

本次對比分析情況，詳見拓石站實測懸移質單樣激光儀與移液管、篩分析顆粒級配對比成果表3；同時手工繪制了同一泥顆樣品兩種方法分析結果級配曲線圖。

由表3可以看出

1.粒徑級在0.002mm～0.016mm之間，重量法分析的沙量百分數總是大于儀器法分析的結果，且結果差別較大；粒徑級在0.031mm～2.0mm之間，結果差別小，且粒徑級越大，結果越接近。

2.經對兩種方法的中數粒徑（D50）對比發現，12個泥顆樣本中數粒徑（D50）不相等。施測號數43泥顆中數粒徑偏差最小，偏差為0.001，施測號數46泥顆中數粒徑偏差最大，偏差為0.004，12個泥顆樣本平均偏差為0.003。其中中數粒徑（D50）偏差≤0.001的累計概率為8.33%，中數粒徑（D50）偏差≤0.002的累計概率為33.3%，中數粒徑（D50）偏差≤0.003的累計概率為91.7%，中數粒徑（D50）偏差≤0.004的累計概率為100%。

3.由兩種分析結果對比分析可知，儀器分析級配曲線光滑、擬合性好，測量范圍寬，成果精度高；傳統方法分析級配曲線光滑性、擬合性較差，測量范圍窄，成果精度低。

4　原因分析：

（1）人工分析時，在打樣的均勻程度、吸管深度、吸樣量的準確度、樣品稱量等的人為誤差，還有天平稱量狀態是否正常及溫度、濕度等因素的影響，可能導致出現較大人為偶然誤差和系統誤差，在沙重小、粒徑小的情況下，出現誤差的可能性越大。

（2）儀器分析從打樣、分析、計算全部自動完成，避免了人為操作偶然誤差，只要做好工作環境中振動、灰塵、溫度、濕度等影響因素及樣品前期處理、管理維護和規范操作等環節的控制工作，系統誤差相對固定，測試結果不會出現較大波動。

5　整編試算

三門峽水文局對泥顆成果整編采用數據錄入，成果計算采用北方片整編軟件進行整編計算，為此我們完成30個樣品測試后，進行數據錄入，用南方片整編軟件進行了試算，完成了拓石站實測懸移質單樣顆粒級配成果表。

6　結論

（1）30個樣品的遮光度處在合適值10%～20%范圍之內，樣品的遮光度比較穩定，且殘差小于2%，符合黃河流域泥沙顆粒級配特性，在今后測試樣品時，建議可直接采用三門峽水文局率定的儀器參數進行泥顆測試工作。

（2）粒度分析報告中的粒度分布曲線光滑，擬合性好，該測量范圍比傳統方法的測量范圍寬；成果精度高且性能穩定，具有傳統方法所無法比擬的高精度、高效率、高自動化程度的顯著優勢，建議在今后的泥顆分析工作中，該儀器可推廣使用。

7　經驗

（1）該儀器靈敏度高，對工作環境要求較高，如周圍的振動、灰塵、溫度、濕度要相對穩定，否則對儀器測量分析均有影響；

（2）對沙樣前期處理要求高，特別是去雜質步驟不能省，否則影響測量精度；

（3）測定泥沙濃度控制，通常1.3次加樣量達最佳遮光度為適宜濃度；

（4）分析用水，由于汽泡對測量結果影響較大，因此消除水中汽泡至關重要；

（5）取樣誤差是測量誤差的最大原因，因此具體操作應嚴格掌握。陜西水利

參考文獻：

（1）SL42.2012《河流泥沙顆粒分析規程》；中華人民共和國水利部；2012

（2）《馬爾文MS2000激光粒度顆分儀操作規程》；英國馬爾文公司

（3）SL247.2012《水文資料整編規范》中華人民共和國水利部；2012

（4）水利電力部水利司，《水文測驗手冊》「M」，北京：水利電力出版社，1975。

（責任編輯：王劍）