上靜游水文站河道泥沙顆粒級配分析

胡德生

（太原市水文水資源勘測分局，山西 太原 030001）

泥沙顆粒級配是影響泥沙運動形式的重要因素，在水利工程設(shè)計管理，水庫淤積部位的預(yù)測，異重流產(chǎn)生條件與排沙能力的分析，河道整治與防洪、灌溉，渠道沖淤平衡與船閘航運設(shè)計和水力機械的抗磨研究工作，都需要了解泥沙顆粒級配資料。泥沙顆粒分析，是指確定泥沙樣品中各粒徑組泥沙量占樣品總量的百分?jǐn)?shù)。上靜游水文站位于嵐河上，是汾河水庫進(jìn)庫站之一，研究泥沙顆粒級配分析尤其重要。

1 水文站概況

1.1 流域自然地理情況

上靜游水文站位于婁煩縣境內(nèi)上靜游村嵐河下游，距汾河水庫入口處2.0 km，是汾河水庫進(jìn)庫站之一。水文站設(shè)立于1954年6月，本站上游集水面積1 140 km2，流域呈扇形，控制河長54.7 km，流域平均寬度20.8 km，河道縱坡4.3‰。在分水嶺附近有少量石山區(qū)，其余地類為黃土丘陵區(qū)。

1.2 測驗河段情況及測驗任務(wù)

上靜游水文站測驗河段順直，右岸為漿砌石公路，左岸為土石山，河床由砂卵石組成，沖淤變化不大。上游現(xiàn)有小型水庫3座，即嵐城水庫、蛤蟆神水庫、上明水庫。常規(guī)測驗項目包括水位、流量、含沙量、泥沙顆粒分析、降水量、氣溫、冰情、水溫等。

1.3 報汛任務(wù)

該水文站主要承擔(dān)向省防汛辦、太原市防汛辦、汾河水庫、太原市水文水資源勘測分局汛期報汛任務(wù)，提供雨水情實時信息。

2 泥沙顆粒級配取樣

2.1 測次布置

常規(guī)的顆粒分析以單樣含沙量的顆分測次（單顆），了解洪峰時期泥沙顆粒級配的變化過程。測次主要分布在含沙量較大的洪水時期。

2.2 取樣方法

采用瓶式主流邊一線0.6水深一點法取樣，取樣樣品含沙重不低于0.3 g；當(dāng)泥沙含沙量很小時，換用取沙桶取樣，防止沙重不足，不能泥沙顆粒級配分析。

2.3 取樣觀測項目

在取顆粒級配分析水樣時，輔助項目觀測記錄瞬時水位、取樣垂線水深及取相應(yīng)的單位含沙量等。

3 泥沙顆粒級配分析

3.1 分析儀器及方法

河道泥沙顆粒分析方法有篩分法、尺量法、沉降法等。多年來，上靜游水文站河道泥沙顆粒級配分析測量，一直采用沉降法即粒徑計法和吸管法結(jié)合，為提高泥沙顆粒級配測量技術(shù)的科技含量和水文測驗市場的競爭能力，目前采用英國馬爾文儀器有限公司生產(chǎn)的MS2000激光粒度分析儀對該水文站進(jìn)行泥沙顆粒級配分析。

3.2 工作原理

MS2000激光粒度分析儀通過測定樣品在不同角度上產(chǎn)生的衍射光強分布，應(yīng)用米氏散射理論，反演計算出顆粒的粒徑分布。具體為激光粒度分析儀中激光器產(chǎn)生單色相干性極好的激光，經(jīng)濾波擴(kuò)束系統(tǒng)后，得到一個擴(kuò)展的、照明散射顆粒理想化的光束，分散好的顆粒在樣品窗內(nèi)被激光光束照射產(chǎn)生衍射，并形成一定的空間光強分布，設(shè)在探測區(qū)的非均勻交叉排列扇形主檢測器，附加大面積輔助檢測器和大角度向前、背向檢測器，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑺腿胗嬎銠C，按事先編制的程序，根據(jù)衍射理論進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，把衍射譜的空間分布反演為顆粒大小的分布。

表1 嵐河上靜游站月年平均懸移質(zhì)顆粒級配表

3.3 操作流程

第一，儀器啟動與關(guān)閉。首先開儀器主機和濕法或干法進(jìn)樣器，然后開啟電腦，儀器需預(yù)熱15～30 min。關(guān)機順序為先關(guān)電腦軟件，再關(guān)濕法或干法進(jìn)樣器和儀器主機。

第二，對菜單進(jìn)行配置。新建SOP，彈出窗口后，在樣品處理單元選擇所使用的干法進(jìn)樣器類型，在物質(zhì)名稱欄選擇要測試的樣品，模型欄選擇通用模式；標(biāo)記下的樣品名稱下留空白，然后操作者說明跟注解欄，選擇測量前顯示說明；報告/保存欄不選擇任何設(shè)置，樣品測量時間分別設(shè)置為8 s和10 s，在高級選項測量中的遮光度界限設(shè)置中，不使用默認(rèn)限制，將下上限分別設(shè)置為0.5和6，自動啟動不設(shè)置任何選項，在遮光度篩選項中設(shè)置啟用篩選，時間設(shè)置為25 s；僅用紅光測量不設(shè)置，然后確定退出；隨后對進(jìn)樣器設(shè)置，保存時為SOP取一個文件名。

第三，分析測量程序。在桌面上雙擊Mastersizer 2000操作軟件，進(jìn)入操作軟件，打開已有文件或新建一個文件。單擊“測量”菜單中的“手動”按鈕，進(jìn)入測量窗口。然后點擊“對光”，對光好后進(jìn)入“選項”菜單，選擇合適的光學(xué)參數(shù)，選擇所測量的材料，在測量時間中設(shè)定測量時間為6 s，測量背景時間為8 s。再進(jìn)入“文檔”菜單，輸入樣品名稱，然后“確定”退出。單擊“開始”按鈕，系統(tǒng)開始測量背景，當(dāng)背景測量完成并提示“加入樣品”后，開始加入樣品到遮光度10%，單擊“開始”或按“測量樣品”儀器會進(jìn)行測量樣品。測量結(jié)束后，抬起燒杯上方蓋子到兩個黑線中間，附件會自動把樣品池的水排除，然后換新鮮的水并循環(huán)清洗2～3次。

4 泥沙顆粒級配成果

按照《中華人民共和國水文年鑒》要求，上靜游水文站實測懸移質(zhì)月年平均懸移質(zhì)顆粒級配表見表1。

5 結(jié)語

上靜游水文站泥沙顆粒經(jīng)過0.002 mm，0.004 mm，0.008 mm，0.016 mm，0.031 mm，0.062 mm，0.125 mm，0.25 mm和0.50 mm等9個粒徑級分析后，經(jīng)年統(tǒng)計計算，粒徑沙重（體積）百分?jǐn)?shù)在粒徑級0.004～0.008mm最大，占到20.8%，粒徑沙重（體積）百分?jǐn)?shù)在粒徑級0.125～0.25 mm最小，占到0.8%，其他粒徑沙重（體積）百分?jǐn)?shù)在粒徑級小于0.002 mm，0.002～0.004 mm，0.008～0.016 mm，0.016～0.031 mm，0.031～0.062 mm，0.062～0.125 mm，0.25～0.50 mm 分別為 11.9%，13.0%，19.5%，15.9%，11.6%，5.4%，1.1%。中數(shù)粒徑為0.010 mm，平均粒徑為0.022 mm。

上靜游水文站為汾河水庫進(jìn)庫水文站，利用MS2000激光粒度分析儀分析上靜游水文站泥沙顆粒級配，積累月年平均懸移質(zhì)顆粒級配長系列水文資料，對預(yù)測汾河水庫淤積部位具有十分重要的意義。