馬爾文MS3000 激光粒度顆分儀測試分析

崔 俊

(西安水文水資源勘測中心，陜西 西安 710100)

1 基本情況

1.1 傳統顆分技術特點及存在問題

陜西省西安水文水資源勘測局下屬北洛河狀頭、灞河馬渡王、漆水河耀縣、沮河柳林、澇河澇峪口等5 站有泥顆分析任務。每年要分析多達幾百個泥沙樣品。當前我局泥沙顆粒分析方法為移液管、篩吸結合分析法，即使用數種不同網眼的篩子進行篩選，計算各篩子上剩下的粒子重量，根據比例來求分布的方法，其分析結果為質量百分比。該方法作業流程從全樣靜置抽水到篩上篩下分別計算，操作過程繁瑣、效率低、勞動強度大，單樣分析需要兩天時間，批量分析需五六個人分工合作，兩天30 個樣品。傳統法具有以下缺點:下限62μm、人為因素較大、重復性差、不規則形狀粒子誤差大及分析速度慢。滿足不了新時代下對泥沙分析數據“大量、及時、準確”的要求。

1.2 引進新技術的必要性和重要性

現今防洪、河道治理、城市供水，水資源管理、水生態監測、水資源評價都需要快速、準確、及時水文信息，而傳統顆分方法難以滿足要求。黃河水利委員會水文局2000 年通過水利部“948”項目，引進的英國馬爾文公司的激光粒度分析技術解決了這一問題。其后，黃河水利委員會下屬三門峽水文局、呂梁水文局、榆次水文局，以及我省寶雞水文局、延安水文局先后開始在黃河流域使用英國馬爾文公司的馬爾文MS2000 激光粒度顆粒分析儀進行泥沙顆粒分析工作，通過這些年的使用，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。

2018 年年初陜西省西安水文水資源勘測局引進馬爾文MS3000 激光粒度顆粒分析儀。馬爾文MS3000 激光粒度顆粒分析儀在MS2000 激光粒度顆粒分析儀基礎上進行了升級，其精度更高。

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。

馬爾文MS3000 激光粒度儀基本配置有:儀器主機1 套、濕法分散系統(包括螺旋槳機械攪拌系統和內置式超聲波探頭)1 套、儀器操作軟件1 套、計算機及激光打印機(自配)。

表1 傳統法和MS3000 激光粒度顆粒分析儀對比表

2 測試依據及參數設置

2.1 樣品選用及測試依據

本次測試選用張家山站2019 沮河柳林站16 個、漆水河耀縣站16、狀頭站38 個，共計70 個泥沙顆粒樣品進行分析測試，測試執行《河流泥沙顆粒分析規程》(SL 42-2012)相關規定及《馬爾文MS3000 激光粒度顆分儀操作規程》。

2.2 參數設置

黃河水利委員會水文局于2002 年～2004 年完成了馬爾文MS2000 激光粒度顆粒分析儀泥顆樣品試算分析比對工作，采用激光儀與移液管、篩吸結合分析兩種方法，歷時3 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，我局目前承擔泥沙顆粒分析任務的水文站均分布于黃河流域，因此本次測試采用黃河水利委員會水文局率定的儀 器參數進行試算，參數見表2。

表2 測量黃河泥沙顆粒級配的參數值表1(HYDRO 2000MU 型)

3 測試情況

3.1 儀器測試

本次測試對2019 年沮河柳林站16 個、漆水河耀縣站16 個、北洛河狀頭站38 個，共計70 個樣品進行了測試，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5%～15%(經由儀器工程師確認不影響樣品測試結果)，由實際分析可知，本次樣品遮光度都接近遮光度最佳值15%;殘差最大0.34%，最小0.04%，都滿足殘差小于2%的儀器規定使用要求。

3.2 移液管、篩吸結合分析

本次分析選取70 個泥顆樣品，采用吸管、篩分析方法進行了對比分析。

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)有利于篩上及篩下部分全面進行對比分析。

3)當沙重較小時，因為篩上部分沙重幾乎為零，不利于兩種方法進行對比分析。故挑選具有代表性分析成果進行對比分析。

3.3 對比分析情況

對比分析情況見表3。

表3 西安局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

續表3

由表3 可以看出:

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

2)各站經過對兩種方法的中數粒徑(D50)對比發現，23個泥顆樣本中數粒徑(D50)不相等。施測號數171、174、185、212、213、309 及337 泥顆中數粒徑偏差最小，偏差為0.001，施測號數226 泥顆中數粒徑偏差最大，偏差為0.007，25個泥顆樣本中數粒徑平均偏差為0.002。其中中數粒徑(D50)偏差≤0.001 的累計概率為36%， 中數粒徑(D50)偏差≤0.002 的累計概率為68%，中數粒徑(D50)偏差≤0.003 的累計概率為88%，中數粒徑(D50)偏差≤0.004 的累計概率為96%，中數粒徑(D50)偏差≤0.007 的累計概率為100%，。

4 數據擬合

將篩吸結合分析所得數據與MS3000 激光粒度顆粒分析儀所得進行結果進行數據擬合，分析其相關系數，結果見表4。

表4 西安局實測懸移質單樣激光儀與篩吸結合分析顆粒級配擬合數據表

續表4

從表4 我們可以看出，篩吸結合分析所得數據與MS3000激光粒度顆粒分析儀所得數據相關系數均大于0.9，擬合度較好。

5 問題

1)該儀器靈敏度高，對工作環境要求較高，實驗室應不受陽光直接照射，不受震源和噪聲影響;能經常保持干燥，無浮塵，無有害氣體及灰塵侵入，溫度和濕度比較穩定，溫度宜控制在10℃～26℃，相對濕度宜控制在20%～70%;

2)對分析用水要求較高，建議用無氣泡的蒸餾水或純水。自來水應經曝氣處理或提前4 h～6 h 將其接入儲水容器先攪動后靜置釋放氣泡，避免直接取用水管中自來水;

3)沙樣前期處理需去雜質，靜置后直接將濃度調整為既能充分混勻又易取樣的稠糊狀漿體;

4)將一次抽取的有充分代表性的樣品完全加入貯樣容器中，應保證加入1～3 次達到遮光度要求的范圍(粗沙樣的遮光度取正常范圍上限，細沙樣的遮光度取正常范圍下限)，然后進入實際測量。

6 結論

1)本次分析25 個樣品遮光度在9.52%～16.13%，均處在允許值5%～20%范圍之內，樣品的遮光度比較穩定，儀器測試最佳值為15%;殘差均小于2%，其范圍為0.28%～0.58%，符合黃河流域泥沙顆粒級配特性，在今后測試樣品時，建議可直接采用黃河水利委員會水文局率定的儀器參數進行泥顆測試工作。

2)通過使用激光粒度顆粒分析儀分析，分析報告中的粒度分布曲線光滑，擬合性好，測量范圍較傳統方法寬;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。

3)我局目前承擔泥沙顆粒分析任務的水文站均處于黃河流域的中游。我局水文站和黃河水利委員會水文站在北洛河流域、渭河流域均分布，相互交叉，泥沙顆粒特性基本一致，黃河水利委員會水文站泥沙顆粒樣品均已實現使用MS2000激光粒度顆粒分析儀分析，結果穩定可靠、數據精度高。MS3000 激光粒度顆粒分析儀在MS2000 激光粒度顆粒分析儀基礎上進行了升級，精度更高一些，因此在今后的泥顆分析工作中建議使用該儀器相關參數。