黃河泥沙顆粒分析新技術(shù)的引進(jìn)與應(yīng)用分析

丁心瑞丁萌

（1.黃委會(huì)河南水文水資源局，河南鄭州 450000；2.黃委會(huì)水文局工程建設(shè)處，河南鄭州 450000）

黃河泥沙顆粒分析新技術(shù)的引進(jìn)與應(yīng)用分析

丁心瑞1丁萌2

（1.黃委會(huì)河南水文水資源局，河南鄭州 450000；2.黃委會(huì)水文局工程建設(shè)處，河南鄭州 450000）

利用激光粒度分析技術(shù)科學(xué)實(shí)現(xiàn)了黃河泥沙顆粒分析作業(yè)的自動(dòng)化，利用動(dòng)態(tài)泥沙粒形分析技術(shù)擴(kuò)大了人類對黃河泥沙顆粒形貌特征的認(rèn)知范圍，利用在線粒度分析技術(shù)有效提高了黃河泥沙粒度分析的野外在線作業(yè)水平。通過引進(jìn)和應(yīng)用黃河泥沙顆粒分析的新技術(shù)，逐步構(gòu)建了一套新型的、高效的自動(dòng)化黃河泥沙顆粒分析體系。

黃河 泥沙顆粒分析 激光法 圖像法

泥沙顆粒分析是一項(xiàng)應(yīng)用極為廣泛的技術(shù)，當(dāng)前已經(jīng)成長為一門專業(yè)學(xué)科。研究泥沙的顆粒組成，對了解泥沙的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、物理性質(zhì)等具有重要意義，為水利工程的建設(shè)和使用提供重要的資料參考。

1 引進(jìn)黃河泥沙顆粒分析新技術(shù)的必要性

黃河泥沙顆粒分析是黃河泥沙治理的重要手段，多年的黃河治理實(shí)踐表明，黃河的主要癥結(jié)在于沙多水少、沙水的關(guān)系不協(xié)調(diào)。因此，深入研發(fā)和引進(jìn)科學(xué)的泥沙顆粒分析技術(shù)能為黃河的治理和管理提供有效的技術(shù)保障。雖然我國在20世紀(jì)50年代就對黃河水文開展了泥沙顆粒分析工作，泥沙顆粒分析技術(shù)也經(jīng)歷了尺量法、篩析法、粒徑計(jì)法、吸管法、消光法等階段，但是這些傳統(tǒng)的技術(shù)多數(shù)是對泥沙的粒度進(jìn)行分析，有關(guān)泥沙的粒形分析還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，甚至處于空白，需要研發(fā)和引進(jìn)新型科學(xué)的泥沙顆粒分析技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對黃河的綜合治理，增強(qiáng)黃河泥沙顆粒分析作業(yè)的自動(dòng)化程度，提高泥沙分析結(jié)果的精準(zhǔn)度。

黃河泥沙顆粒分析技術(shù)的選擇總體上要根據(jù)已有的實(shí)踐資料和泥沙的具體特點(diǎn)，具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①泥沙粒徑大小。黃河泥沙的粒徑大小不一，且相差懸殊，大的能到百余厘米，小的僅為微米。②在泥沙顆粒分析工作中，時(shí)常會(huì)用到沉速，加之沉速一般是由泥沙的粒徑換算得到的，當(dāng)有多種技術(shù)選擇時(shí)，可以采用沉速技術(shù)。③對多級泥沙顆粒級配的分析技術(shù)選用時(shí)，要根據(jù)顆粒級配成果能否進(jìn)行相互換算，且在接頭處是否進(jìn)行平滑連接而定，只有這樣才能確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。④黃河泥沙較多，在選用具體的泥沙顆粒分析技術(shù)時(shí)也要將含沙量大小納入選用標(biāo)準(zhǔn)中。

2 黃河泥沙顆粒分析新技術(shù)及其具體應(yīng)用

2.1 激光粒度分析技術(shù)及其應(yīng)用

激光粒度分析技術(shù)，簡稱激光法，原理是弗朗霍夫衍射和米氏全散射理論。當(dāng)前黃河激光粒度分析技術(shù)使用的分析儀器的信號是Mastersizer2000型，在0.02-2000μm范圍內(nèi)的乳化液、懸浮液、噴霧粒度和干粉粒度中應(yīng)用廣泛。實(shí)際應(yīng)用中，技術(shù)人員使用一束平行單色光對泥沙池中的顆粒進(jìn)行照射，以讓其產(chǎn)生光的散射和衍射，經(jīng)過散射和衍射后的顆粒光投向各個(gè)方向的檢測器，并將接受的光能信息利用計(jì)算機(jī)模型生成粒級級配分布的信息，完成對泥沙粒徑級配的檢測。

該技術(shù)的主要應(yīng)用價(jià)值是能實(shí)現(xiàn)黃河泥沙顆粒分析作業(yè)的自動(dòng)化。隨著黃河泥沙顆粒分析工作量的不斷增大，傳統(tǒng)的泥沙顆粒分析技術(shù)在正常情況下處理一個(gè)泥沙要半小時(shí)，且手工的環(huán)節(jié)較多，而利用激光法能大大增強(qiáng)泥沙顆粒分析的工作效率，提高自動(dòng)化水平。相關(guān)研究表明，利用激光粒度分析技術(shù)對泥沙顆粒進(jìn)行分析，從對泥沙的預(yù)處理、測量到生產(chǎn)數(shù)據(jù)并傳輸只要幾分鐘，提高了幾十倍的工作效率［1］?？梢?，在黃河泥沙顆粒分析工作中，利用激光粒度分析技術(shù)不僅解決了泥沙粒徑級配資料在整理過程中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤問題，還有效提高了作業(yè)的自動(dòng)化水平，增強(qiáng)了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 動(dòng)態(tài)泥沙粒形分析技術(shù)及其應(yīng)用

動(dòng)態(tài)泥沙粒形分析技術(shù)，簡稱為圖像法。在對黃河泥沙顆粒進(jìn)行分析時(shí)，技術(shù)人員可以利用頻閃捕捉技術(shù)和照相技術(shù)對運(yùn)動(dòng)中的顆粒進(jìn)行拍攝，并制作成視頻。然后將制成的視頻信息輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)字化處理，識別顆粒邊緣、計(jì)算顆粒的粒徑和球形度，以獲得更為精準(zhǔn)有效的粒形信息。同時(shí)，測試的結(jié)果也可以借助圖表、粒子庫等形式輸出。

該技術(shù)的主要應(yīng)用價(jià)值是擴(kuò)大了人類對黃河泥沙顆粒形貌特征的認(rèn)知范圍。使用該技術(shù)對黃河泥沙進(jìn)行顆粒分析，能有效獲取泥沙顆粒的圖像資料、粒徑、長細(xì)比、球形度等信息。從獲取的這些泥沙顆粒信息上來看，可選擇如FRITE徑、等效球體直徑等不同表征方式，能直接給出顆粒的平均粒徑、邊界粒徑和中數(shù)粒徑等信息，且長細(xì)比、球形度等能滿足不同的需求。分析結(jié)果的精確性上來看，圖像法具有自動(dòng)化測試功能，其計(jì)算模型較為完善，測試結(jié)果的精準(zhǔn)度是人工計(jì)算無法比擬的。此外，該技術(shù)在對黃河泥沙追蹤溯源的應(yīng)用及黃河動(dòng)床模型試驗(yàn)中使用粉煤灰替代泥沙的等效性等研究中取得了顯著效果。

2.3 在線粒度分析技術(shù)及其應(yīng)用

在線粒度分析技術(shù)，簡稱超聲法，原理是超聲衰竭、測量基礎(chǔ)是Lambert-Beer定律、頻段范圍是100kHz-200MHz。利用該技術(shù)進(jìn)行黃河泥沙顆粒分析時(shí)，工作人員可以在這個(gè)范圍內(nèi)任意選擇一個(gè)子頻段，并將選定的子頻段劃分為31個(gè)頻率點(diǎn)，從高到底進(jìn)行檢測，整個(gè)過程控制在一分中內(nèi)。然后將這31個(gè)頻率點(diǎn)的測驗(yàn)信號代入模型內(nèi)，構(gòu)成31個(gè)方程，計(jì)算出30個(gè)粒度值和1和濃度值，就是泥沙顆粒的級配信息和含沙量。

該技術(shù)的主要應(yīng)用價(jià)值是提高了黃河泥沙粒度分析的野外在線作業(yè)水平。超聲法沖破了傳統(tǒng)的“野外采樣、長途運(yùn)輸、實(shí)驗(yàn)室測試”的工作模式，技術(shù)人員能直接在河流上入水進(jìn)行泥沙粒度及含沙量的測試，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。這不僅很好的消除了傳統(tǒng)室內(nèi)測試作業(yè)可能存在的樣品變質(zhì)、漏灑、絮凝等風(fēng)險(xiǎn)，還滿足了黃委會(huì)水文水源局對泥沙粒度資料要準(zhǔn)確、及時(shí)的要求?？梢姡诰€粒度分析技術(shù)作為一種新技術(shù)，在黃河泥沙顆粒分析工作中的具有較高的應(yīng)用價(jià)值，值得推廣，并在不斷的實(shí)踐中得到完善。

3 結(jié)果

總之，研發(fā)和引進(jìn)新的黃河泥沙顆粒分析技術(shù)是提高黃河泥沙顆粒分析結(jié)果精準(zhǔn)度，增強(qiáng)黃河綜合治理的重要發(fā)展。目前水文水資源局大多都已經(jīng)引進(jìn)和應(yīng)用了激光粒度分析技術(shù)、動(dòng)態(tài)泥沙粒形分析技術(shù)和在線粒度分析技術(shù)等新技術(shù)，構(gòu)建出了一套新型的、高效的自動(dòng)化黃河泥沙顆粒分析體系，并取得了一定的成果。

［1］劉俊峰，金瑞琴，谷碩.黃河泥沙顆粒分析新技術(shù)的引進(jìn)及應(yīng)用［J］.人民黃河，2014，36（09）：26-27.

丁心瑞（1958—），男，漢族，河南鄧州人，中專學(xué)歷，工程師，從事水文水資源研究工作。