MS2000 激光粒度分析儀在石門站的應用

朱苑榕，匡永清

（常德水文水資源勘測中心，湖南 常德 415000）

1 概 述

1.1 測站基本情況

石門站是澧水干流總控制站，設立于1950 年1 月1 日，位于石門縣楚江鎮東方橋路（因三江口水電站的修建，原三江口水文站于1980 年下遷至現址），東經111°23′，北緯29°37′，集水面積為15 307 km2，干流長度322 km，距河口66 km。屬于國家基本站網中的重要水文站。主要觀測項目有：水位、水溫、流量、降水量、懸移質泥沙、懸移質顆粒分析、水質分析，流量、泥沙測驗均屬一類精度站，懸移質顆粒分析屬二類精度站。

1.2 馬爾文MS-2000 激光粒度儀簡介

MS-2000 激光粒度儀為英國馬爾文有限公司生產，是世界最著名的激光粒度儀專業生產廠家，其產品廣泛應用于石化、石油、陶瓷、粉體、涂料、制藥、水泥、軍工等各個領域，占有世界絕大部分激光粒度儀市場，許多領域指定要用該儀器進行質量檢測和控制。

2 基礎試驗

基礎試驗的內容分為儀器參數率定和儀器性能測試兩個部分。由于不同物質顆粒的物理化學性質的差異，測量不同物質時基本參數設置是不一樣的，即便是同一種物質，因其結構和組成不一樣，在參數設置時也會有所差別，所以在儀器投產前進行全面的基礎試驗是必不可少的工作。

3 平行性（重現性）試驗

平行試驗包括重現性試驗和準確性試驗。重現性試驗是將1 個泥沙樣品等分成32 份，用激光粒度儀對每份沙樣逐一測量，并與32 份沙樣的平均值進行對比。準確性試驗是指用激光粒度儀與傳統分析方法的對比分析試驗。

3.1 重現性試驗

根據規范的要求，選取粗型（D50≥0.050 mm）、中型（0.025 mm＜D50＜0.050 mm）、細型（D50≤0.025 mm）各一組泥沙樣品，分別將每份沙樣利用分沙器等分32 份，然后分別對每份沙樣進行激光法分析（即重現性）。

平行性測試標準差計算公式如下：

式中 Vi——單次小于某粒徑的體積百分數（%）；

V——系列小于某粒徑的體積百分數樣本均值（%）；

n——系列小于某粒徑的體積百分數樣本總數（n=32）；

i——小于某粒徑的體積百分數樣本個數（i=1，2，…，n）。

從表1 的數據可以看出：小于某粒徑的體積百分數的標準差均小于2%，滿足《河流泥沙顆粒分析規程》（SL 42-2010）第7.2.8 條第2 款“平行性實驗和要求宜符合規定：各型沙各粒徑級小于某粒徑沙量百分數的標準差均小于3”的要求，一方面說明儀器的重現性能較好，另一方面也檢驗了分樣器的分樣誤差與分析人員的操作誤差是符合要求的。

表1 懸移質泥沙激光法重現性試驗誤差統計

3.2 準確性測試

轉換數據比測分析是指用激光粒度儀與傳統分析方法之間的轉換分析。

粒徑計法與激光粒度儀法的主要區別有以下幾方面：

1）測量原理的不同。粒徑計法是以重量為基準，使用沉降原理來測量泥沙顆粒大小的，通過不同粒徑泥沙在靜水中的沉降速度來換算沙重，從而得出級配成果，激光粒度儀是激光衍射的原理以體積為基準、用等效球體來表現測量結果的，利用顆粒能使激光產生散射這一原理來換算顆粒的體積大小，從而得出級配成果。

2）成果表達方式的不同。粒徑計法得出的級配成果是小于某粒徑的沙重百分數，激光粒度儀法則是小于某粒徑的體積百分數。

3）兩種測量方法在測量過程都并不是直接測定每一個顆粒的大小，而是根據顆粒的大小不同而劃分成若干個粒徑級，再按照每個粒徑級的顆粒占總量的多少而計算出相應的百分數。

3.2.1 數據樣本

轉換關系建立的泥沙樣品主要來源于2018 年洪水中同步施測的單樣和斷沙中垂線取樣，仍分別利用1.0 mm、2.0 mm 洗篩，去除試樣中的雜草浮物等非沙物質及不規則大顆粒（MS-2000 激光粒度儀不能分析大于2.0 mm 范圍）。即在某垂線上同步取樣兩個泥沙樣品，一份做泥沙重量分析，一份用于粒徑計和激光粒度儀分析。

石門站收集的采樣單樣、斷顆垂線樣（含相應單樣），共有效沙樣共31 次。有效沙樣經分沙器分為兩份樣本，其中一份用來做粒徑計法，另一份用做激光粒度儀法。

3.2.2 數據轉換

體積法和質量法，是表述泥沙顆粒級配的兩種不同的方法。為了保持泥沙顆粒分析資料的連續性，需要對兩種方法的數據建立轉化關系，在轉換過程中本次分析僅對激光粒度儀所分析數據轉換成粒徑計數據。

標準級配樣本為同一泥沙樣品，分別采用激光粒度儀法與粒徑計法，按規范分析操作所得出一組對應級配數據，即單次激光粒度儀顆粒級配（粒徑～體積百分數），粒徑計法（粒徑～小于某粒徑沙重百分數）顆粒級配。標準樣本來自的條件（包括不同水沙級、不同泥沙顆粒組成，不同泥沙或物質比值、形狀、密度、體積等）越不同、越廣泛，代表性就越好、轉換準確性越高。

3.2.3 數據篩選

3.2.3.1 數據相關系數計算

本次分析將2018 年數據進行分析，對2018 年收集的沙樣兩種方法分析出的兩組泥沙顆粒級配數據計算相關系數，并逐次計算兩種方法分析級配累計百分數的相關系數R2，對于相關系數R2＜0.9，不合乎標準樣本庫的要篩選，并剔除，經篩選后共31 份有效數據。

3.2.3.2 數據方程擬合

1）利用計算機中Excel 軟件為背景，將31 次級配成果資料數據輸入表格中，一列為激光粒度儀分析粒徑的級配值，定義為X 序列，一列為常規粒徑計分析粒徑的級配值，定義為Y 序列。

2）用數據處理軟件的圖表功能作X、Y 序列的散點圖，分析點距趨勢，分別作二或三次方多項式的趨勢線，擬合Y=f（X）方程，且標注方程式和相關指數R2值。經擬合方程計算誤差，其小于某粒徑百分數系統誤差、標準差均符合《河流泥沙顆粒分析規程》（SL 42-2010）誤差指標要求。

3）經擬合，擬合二次方程為：Y=0.000 07X2+0.989 58 X+0.11173，擬合曲線見圖1。

圖1 激光粒度儀與粒徑計擬合關系圖

4 轉換誤差計算與分析

4.1 轉換誤差計算

將這31 次的實測資料各粒徑級對應的粒徑沙量百分數按照以上轉化公式，并計算各級的系統誤差、標準差，具體結果見泥沙標準樣本轉換差值與誤差統計表2。

表2 泥沙標準樣本庫轉換差值與誤差統計表

根據《河流泥沙顆粒分析規程》（SL 42-2010）附錄B第B.0.2 條第10 款“選擇應用的兩種方法級配成果互換關系的精度應控制在小于某粒徑百分數系統誤差不大于3，均方差不大于8。此系統誤差、隨機誤差（均方差）采用確定方程曲線的統計數值”。經統計，系統誤差和標準差均在規范規定的允許范圍內，滿足規范要求。并且兩種方法級配成果互換關系的精度均在小于某粒徑百分數系統誤差不大于3，均方差（標準差）不大于8 的允許范圍內。

4.2 轉換誤差分析

兩種分析方法的原理不同。粒徑計法是依據沉降原理；激光粒度儀法是依據光的散射原理，不同分析方法之間存在系統性偏差。

兩種劃分方法測試的結果表示方法不同。粒徑計法是以重量表示，即粒徑～小于某粒徑沙重百分數；激光法則是以體積表示，即粒徑～小于某粒徑體積百分數。由于河流泥沙樣品中每個顆粒的比重不完全相同，因此，即使通過兩種方法之間的換算也可能不完全一致。

分析中存在一定的誤差。誤差受多方面因素制約，包括人為操作誤差，取樣誤差，激光粒度儀自身性能，工作環境，轉化軟件的局限性等等。為了更加有效地減小誤差，滿足規定，在諸多環節都要更加保證質量，保證精度。

激光粒度分析儀泥沙顆粒級配轉換精度的高低，主要取決于級配樣本的代表性程度，樣本中的對應關系是極其復雜的，決非簡單的一一對應的關系，同時也不能簡單理解收集樣本越多，其轉換精度就一定越高；樣本是動態的，當前的樣本并不能替代和真實反映今后的結果，今后必須不斷擴充不同水沙條件下的樣本和數據。

5 數據檢驗

2019 年該站同步單顆和斷顆比測資料68 次，分別采用激光粒度儀和粒吸結合兩種方法分析數據，由于測站第一次采用粒吸結合分析，在分析中難免操作錯誤和操作不熟練，導致測量誤差較大，對其中6 次資料做舍去處理，不參與對比誤差統計，有效測次為62 次。

基本粒徑級劃分采用規范值：0.002 mm、0.004 mm、0.008 mm、0.016 mm、0.031 mm、0.062 mm、0.125 mm、0.250 mm、0.50 mm、1.0 mm。

利用原擬合公式Y=0.000 07X2+0.989 58X+0.111 73。經統計，系統誤差和標準差均在規范規定的允許范圍內，滿足規范要求。并且兩種方法級配成果互換關系的精度均在小于某粒徑百分數系統誤差不大于3，均方差（標準差）不大于8 的允許范圍內。統計結果見表3。

表3 2019 年轉換差值與誤差統計

6 結論與建議

6.1 結 論

1）經過分析數據和檢驗數據來看，激光粒度儀完全滿足精度要求，粒徑級配擬合二次方程為：Y=0.000 07 X2+0.989 58X+0.111 73。

2）采用激光粒度儀的分析數據進行泥顆資料整編。2019 年按省水文水資源勘測局監測處批復，全年采用激光粒度儀進行整編，并且滿足整編要求，投產使用可行。

6.2 建 議

1）激光粒度儀穩定正常，可以作為石門站泥沙顆粒分析的常規分析方式，人工分析作為激光粒度儀儀器故障時的備用分析方式。

2）對2018 年的比測資料進行轉換，有待今后增加同步泥沙樣品數據，建立好標準樣本庫，使泥沙標準樣品數據庫更加完整，從而提高傳統方法和激光粒度儀之間泥沙顆粒轉化成果質量。

3）目前的轉化體系還不完善，激光粒度儀法與粒徑計法相互轉化關系復雜，樣本庫本身是動態的，轉換數據也不是恒定的，還有待進一步深入研究。隨著泥沙標準樣品的增加，需要建立計算機軟件轉化程序，減少人工擬合轉化工作量。