河流泥沙顆粒分析中激光粒度儀的應用

◎ 鐘憑源

引言：激光粒度儀的測量原理總得來說為光的衍射和散射，當然，既然本文分析的是河流中泥沙顆粒的測量，那么此處便是通過光在顆粒之間進行衍射和散射時，記錄光的傳播時延來達到一個整體的河流空間宏觀整體分析的目的，之所以用光在河水中進行測量，是因為在測試的過程當中，不會受到顆粒密度和顆粒表面粗糙狀態(tài)，以及溫度，河床下水流或其他物質黏度的影響，激光粒度儀要做的，僅僅是把河流中的泥沙顆粒均勻的置于激光束當中，相比沉淀法，篩分法等步驟繁多，誤差又大的方法，可謂既省時又省力，這對于實際工程中，提高測量時的效率，保證施工進程的時效性，高效性，穩(wěn)定性有著不可輕視的作用，接下來將具體介紹激光粒度儀在河流泥沙顆粒中的應用。

一、激光測量原理及分析方法

1.激光測量原理。工程中既然要使用激光粒度儀分析河流泥沙顆粒，所以著重討論激光粒度測量的具體原理，此方法用到的主要工具為激光，激光頻率高，波長短，具有良好的反射性質，激光的光譜也比較特殊，它有較高的辨識度，單色性便于機器接收識別，進一步為計算機的計算分析提供了便利，同時如前面所述，波長短這一特性突出了激光的單向性，幾乎很少會發(fā)生散射的現(xiàn)象，有利于在被測量顆粒樣本表面進行快速的反射，計算機通過激光的在空間當中的反射情況，更加合理的分析出河流中泥沙顆粒的分布，得出的結論誤差往往更小，更加準確，適合實際工程中的測量。另一方面，測量的原理也與散射的強度有關，如果從散射方向的角度來看，前進方向的強度如果最大的話，其現(xiàn)象便稱作衍射，這時，當被測樣本中的顆粒越大時，那么散射光線矢量方向與主光束矢量方向之間產(chǎn)生的夾角也會越小，因此在測量時，可以根據(jù)這一過程來判斷出河流泥沙顆粒的數(shù)量，激光粒度儀發(fā)出的主光束在直射過程中產(chǎn)生的散射現(xiàn)象越強，那么說明泥沙顆粒的密度越高。

2.激光測量分析方法。光敏探測裝置將客觀上反映樣本泥沙顆粒密度的空間分布信息的光信號，裝換成電信號模擬量，模擬量離散為數(shù)字量后就可以被計算機識別，獲得信息后，需要將測得的空間分布物體形狀轉換成許許多多大小直徑不等的球形顆粒，其實本質上是一種替代的分析方式，通過計算機的智能分析和模擬，我們能得出一個比較精確的測量結果，相比之前的方法，誤差能夠保持在符合技術指標的閾值范圍內。

3.激光法中的干擾問題。在分析反饋與誤差的系統(tǒng)時，不僅要考慮迭代的過程中最終結果是否收斂或者達到穩(wěn)定，進而判斷穩(wěn)定狀態(tài)和實際情況之間的誤差，還要考慮到反饋控制理論中噪聲的干擾，因為噪聲干擾也是會影響到最終結果的準確性的，盡管一些小的噪聲是可以基本忽略的，但也不能排除會對激光產(chǎn)生影響的重大因素，其次也應該考慮到樣本或者水下環(huán)境的影響因素，根據(jù)泥沙顆粒特性，顆粒表面可能會有粘性介質，這勢必會影響到顆粒表面的粗糙程度，我們都知道的常識是，光在光滑表面和粗糙表面的反射情況是不同的，而某些河流流域中的顆粒表面可能就會產(chǎn)生這種類似光滑的效果，而且顆粒之間是否會產(chǎn)生團聚的現(xiàn)象，也是不能一概而論的，要看具體的水質環(huán)境及形成歷史等因素，因此采用激光粒度儀測量時，也要根據(jù)環(huán)境來調整不同的誤差閾值，更新興的技術便是根據(jù)人工智能學習算法來進行場景的積累和數(shù)據(jù)的修正。

4.河水流速對測量誤差的影響。在討論河水流速的影響前，應該先對泥沙顆粒透明度進行一個辯證分析，眾所周知，砂礫是晶體，它是具有一定的透明度的，那么水中的激光在照射到透明晶體表面時，不同的介質之間，一定會產(chǎn)生折射現(xiàn)象，對于利用散射現(xiàn)象原理的測量來說，也會產(chǎn)生誤差，但是砂礫晶體是大顆粒，激光對于小顆粒的散射現(xiàn)象還是比較準確的，大顆粒首先可能會篩選出去，不管是人工還是計算機智能辨別，誤差應該都在可接受范圍內，因為此種誤差出現(xiàn)的概率比較小。那么如果采用取樣的方式，在實際測量中不同于在河流中直接測量，能否準確的模擬河水的流動各個方面，如流速，水流的走勢，等成為了一個關鍵難題，泥沙顆粒的分布也與河流水勢有關，舉個例子，河流中經(jīng)常會產(chǎn)生對流或旋渦，但是在取樣采集測量時這是很難進行模擬的，可能會用到一種隨機化的概率方法，但對于誤差和精度的要求仍舊是一項不小的挑戰(zhàn)。

二、河流泥沙顆粒分布特征分析

1.泥沙顆粒粒級配特征。對于大河流域的顆粒分布，不同地區(qū)因為地質，大氣環(huán)境的不同，也會呈現(xiàn)出各種各樣奇妙的特征，比如說大部分的地區(qū)泥沙顆粒的直徑相對較短，這也就意味著顆粒較小，因此同一體積或容量下的數(shù)量可能就較多，密度更高，主要存在的是粉砂，也有少量大顆粒的砂礫，在這種情況下，前文所考慮的激光在透明晶體中的折射產(chǎn)生的誤差幾乎可以忽略不計。不僅是不同的地區(qū)，就同一河流，從空間上來說，不同河段的情況也會不同，從時間的維度來考慮，同一河段，不同時期的泥沙顆粒分布亦有不同的呈現(xiàn)。

2.雨季對泥沙顆粒分配的影響。一年之內，根據(jù)季節(jié)的不同，顆粒分布也會存在變化，宏觀上來看，這是根據(jù)時間維度來考慮的，這其中影響尤為顯著的便是雨季的到來，降雨比較集中的月份會導致泥沙顆粒粒徑的減小，更嚴重的方面來考慮，洪水和泥石流現(xiàn)象在某些地區(qū)相比之下是比較常見的，與之相對的還有旱期的影響，如果平時土地的沙土比較干燥，那么在洪水到來時，其中的泥沙將會更加容易的被沖刷如河流當中，不論是較大的顆粒還是較小的顆粒，但洪水時期大部分的泥沙都是大顆粒，而且河水在此時也是異常渾濁，這是河底泥沙被水流沖擊上來的體現(xiàn)，總的來說，洪汛期一般都是沖擊大顆粒，河道分布也以此為主，而旱期則是相反，河流中泥沙顆粒較細小柔和，激光粒度法在旱期的測量結果的精確度應該是高于汛期的。

3.泥沙顆粒分布年均變化。單單針對某一時期的河流泥沙顆粒分布討論意義可能不大，要考慮的是年均變化，大多數(shù)的地區(qū)，每年平均粒徑的變化幅度還是比較大的，與此同時也需要考慮到年份也是有大水，普通，干旱之分的，從前文得到的結論是年平均粒徑基本上和上述順序是呈現(xiàn)反比的，這只是宏觀上來看，因為各種其他因素的影響，并不是呈現(xiàn)線性分布，相比自然因素，人工因素也要考慮在內，各種水利工程也會影響泥沙顆粒的分布，比如水庫蓄水功能就會降低河水流速，流速減少，顆粒也會減少，不僅如此，粒徑也會不斷變小。

三、結論

如上所述，本文已經(jīng)針對激光粒度儀在河流泥沙中的應用中可能存在的種種問題和分析解決方式進行了系統(tǒng)全面詳盡的闡述，同時也從空間和時間上對泥沙顆粒分布進行了充分的討論，為激光粒度法提供的堅實的理論支持，相信在今后對河流的測量工作中將會起到巨大的推動作用。