Bettersize2000W 型激光粒度分布儀在水文站含沙量測定中的適用性

祁曉勇，高玉方

（青海省水文水資源測報中心，西寧 810000）

水文觀測自動化是中國水文現(xiàn)代化發(fā)展的必然要求［1］，Bettersize2000W 型激光粒度分布儀等新技術(shù)、新裝備的應(yīng)用為實現(xiàn)水文現(xiàn)代化奠定了堅實的基礎(chǔ)，有助于擴(kuò)大水文資料收集范圍［2］，改進(jìn)水文工作向廣度和深度發(fā)展。水體含沙量監(jiān)測是水文要素觀測中十分重要的項目［3］，含沙量一般是指單位體積的渾水中所含干沙的質(zhì)量，通過系統(tǒng)地觀測和收集含沙量資料，研究分析河流內(nèi)泥沙的分布規(guī)律［4］。觀測站對單樣含沙量的觀測主要采用稱重法，該方法簡單、精度較高［5］，但施測過程耗時較長，無法在短時間內(nèi)得到水體含沙量數(shù)據(jù)［6］。隨著剛察水文站水文測驗方式、方法的不斷改進(jìn)，Bettersize 2000W 型激光粒度分布儀等新儀器、新設(shè)備的推廣應(yīng)用已成為重要課題［7，8］，在保證測驗質(zhì)量的基礎(chǔ)上，應(yīng)用先進(jìn)的觀測設(shè)施、設(shè)備不僅能降低水文測驗的工作強度［9］，提高工作效率，而且能節(jié)約一定的人力、財力，為全面開展水文監(jiān)測改革奠定基礎(chǔ)［10］。

1 剛察水文站概況

剛察（二）水文站位于青海省剛察縣沙柳河鎮(zhèn)，距西寧約196 km，位于東經(jīng)100°08′，北緯37°19′。剛察水文站的測驗河段位于彎道處，為窄深型河槽，左岸陡崖，右岸均為漿砌石護(hù)岸，高約2 m，右岸堤防背側(cè)灘地長滿雜草及灌木。主流靠右岸，河床由沙礫石組成，測驗斷面有一定的沖淤變化，屬于經(jīng)常性沖淤、整體沖淤，斷面不穩(wěn)定。洪水主要來源于融雪及降水，以暴雨洪水為主，洪峰過程多為單峰，暴漲暴落，主峰雨停時間至洪峰出現(xiàn)時間約為5 h，洪峰持續(xù)0.5～2.0 h，水沙峰基本相應(yīng)，輸沙量年內(nèi)分配不均，年際變化也較大，較大洪水過程一般持續(xù)1～2 d。

2 Bettersize2000W 型激光粒度分布儀介紹

Bettersize2000W 型激光粒度分布儀是由丹東百特儀器有限公司設(shè)計制造的雙鏡頭激光粒度儀，該系統(tǒng)包括激光粒度儀、自動循環(huán)分散系統(tǒng)以及電腦軟件系統(tǒng)等，通過自動循環(huán)分散系統(tǒng)將樣品輸送到激光粒度儀的測量區(qū)域，激光照射到樣品后將產(chǎn)生散射光，光電探測器陣列接收這些散射光信號并轉(zhuǎn)換成電信號，通過USB 接口將這些電信號傳輸?shù)诫娔X軟件中，依據(jù)Mie 散射理論對散射光產(chǎn)生的電信號進(jìn)行處理，就可以得到所測樣品的粒度分布及含沙量等結(jié)果。該套自動化監(jiān)測設(shè)備功能齊全、自動化程度高，監(jiān)測數(shù)據(jù)可實現(xiàn)實時測量及本地存儲。Bettersize2000W 型激光粒度分布儀見圖1。

圖1 Bettersize2000W 型激光粒度分布儀

3 誤差分析方法

1）系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差是在對同一被測量進(jìn)行多次測量過程中，出現(xiàn)某種保持恒定或按確定的方法變化的誤差。

式中，P為系統(tǒng)誤差；Ai為某個量的觀測值（采用激光粒度分布儀的觀測值）；A為某個量的真值（采用傳統(tǒng)儀器或方法的觀測值）；n為觀測次數(shù)。

2）絕對誤差。絕對誤差也稱真誤差，是指觀測值與真值之差，即相對于真值的誤差稱為絕對誤差。

式中，Δ 為絕對誤差。

3）相對誤差。相對誤差定義為觀測值的絕對誤差與其真值之比。

式中，δ為相對誤差。

4）標(biāo)準(zhǔn)差。標(biāo)準(zhǔn)差也稱均方差，是各數(shù)據(jù)偏離平均數(shù)的距離的平均數(shù)，反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度。

式中，s為標(biāo)準(zhǔn)差，%；Xi為第i個觀測數(shù)據(jù)；為N次觀測值的平均值；N為觀測次數(shù)。

5）合格率。合格率即對比觀測時段內(nèi)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)比測合格的百分比，計算式如下。

4 資料收集與分析

4.1 資料收集

分析資料為2021 年5—9 月收集烘干法和激光粒度分布儀法測得的115 組含沙量，所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過可靠性、一致性、有效性分析，剔除偶然誤差和人為操作誤差影響的無效數(shù)據(jù)，確保所參與分析的數(shù)據(jù)真實、準(zhǔn)確、有效。

4.2 誤差分析

根據(jù)2021 年5—9 月收集的115 組含沙量對比數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)激光粒度儀所測數(shù)據(jù)普遍偏大，偏大的數(shù)據(jù)占比為95.7%，絕對值最小的相對誤差為5.2%，絕對值最大的相對誤差為952.2%，平均相對誤差為255.8%，相對誤差絕對值小于10%（1 個）的占0.87%，相對誤差絕對值小于50%（14 個）的占12.17%，相對誤差絕對值大于50%（101 個）的數(shù)據(jù)占比為87.83%；絕對誤差在-0.212～3.412，最小絕對誤差為-0.212，最大絕對誤差為3.412，平均絕對誤差為0.277。原始數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果見表1。

表1 激光粒度分布儀與稱重法實測含沙量對比數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果

4.3 相關(guān)性分析

為探尋二者的相關(guān)性，建立線性方程，以檢驗是否滿足測驗精度的要求。對激光粒度分布儀法測得的含水量（y）與烘干法測得的含沙量（x）建立線性相關(guān)關(guān)系，如圖2 所示，發(fā)現(xiàn)二者可以建立一定的線性相關(guān)關(guān)系，并通過趨勢線確定最優(yōu)相關(guān)關(guān)系為y=3.014x，由圖2 可見，二者線性相關(guān)性一般。

圖2 線性關(guān)系對比分析

5 討論

1）根據(jù)分析結(jié)果，激光粒度分布儀測試含沙量的影響因素主要有以下幾個方面。一是采樣及操作人員技術(shù)水平不一造成的人為操作誤差。二是各種稱量器具對水樣體積的稱量誤差。三是若測試水溫過低，在激光測試窗口會形成凝結(jié)霧狀薄膜對激光測試結(jié)果產(chǎn)生影響。

2）激光粒度分布儀測試分析的過程中應(yīng)注意以下幾點。一是2 種方法測含沙量所取的水樣應(yīng)在同一位置及同一時間進(jìn)行取樣，這樣能排除取樣誤差的影響。二是加樣品量要精確用量杯稱量，并要將量杯中的樣品全部倒入循環(huán)池中，并用清水涮底。三是取樣中的雜質(zhì)問題，取樣過程中，現(xiàn)取現(xiàn)測，防止大顆粒沉淀，出現(xiàn)波動較大情況，重新取樣。

6 小結(jié)

從測試分析過程看，激光粒度分布儀測含沙量操作簡單方便，效率高，含沙量結(jié)果計算速度快，而人工烘干法測得的含沙量數(shù)值偏差較大，對激光粒度分布儀與烘干法測得含沙量建立線性相關(guān)關(guān)系，二者可以建立一定的線性相關(guān)關(guān)系，并通過趨勢線確定最優(yōu)相關(guān)關(guān)系為y=3.014x，此相關(guān)系數(shù)所得成果并不能作為正式資料使用，但在水文應(yīng)急監(jiān)測等精度要求不是很高的情況下可以參考使用，未來使用激光粒度分布儀測試含沙量作為正式資料還需要進(jìn)一步研究和論證。