關(guān)于同位素測沙儀及率定規(guī)范(團標)的討論

趙新生

(黃河水利委員會水文局，河南 鄭州 450004)

懸移質(zhì)泥沙測驗儀器分為采樣器和測沙儀。資料顯示，目前國際泥沙測驗儀器仍然以器測法為主?；诓煌淼臏y沙儀有多種，其中同位素測沙儀具有迅速、測量范圍廣，并能連續(xù)監(jiān)測水體含沙量變化等優(yōu)勢。但同位素測沙儀在20世紀末一度“銷聲匿跡”，直至目前仍未被很好應(yīng)用，原因之一是儀器率定即工作曲線的建立，缺少適當(dāng)標準進行規(guī)范。為推動現(xiàn)代測沙技術(shù)發(fā)展，保障同位素測沙儀高效應(yīng)用，亟需制定《同位素測沙儀率定規(guī)范》團體標準(以下簡稱“同位素測沙團標”)。

1 含沙量現(xiàn)代測量方法

烘干稱重和比重瓶法，是傳統(tǒng)的含沙量測量方法。要經(jīng)過體積量取、沙樣沉淀、過濾、烘干和天平稱重等步驟，費時費力。

由于傳統(tǒng)測量方法的局限性，為適應(yīng)水利工程建設(shè)和試驗研究的需要，實時、連續(xù)并全面地反映泥沙的空間分布和動態(tài)運動過程，是含沙量測量的難題，也是泥沙理論研究與實踐的重要內(nèi)容之一[1-3]。

為了計算河流輸沙量和及時預(yù)報洪水沙情，需要有一個準確、快速和連續(xù)測量含沙量的方法。多年來，水文泥沙部門及大專院校和科研機構(gòu)一直積極探索含沙量的現(xiàn)代測量方法，并進行了一些應(yīng)用試驗，積累了許多成功的經(jīng)驗，取得了一定的進展。先后提出了諸如電導(dǎo)法、電容法、振動法、光電法、激光法、超聲法、γ射線法、紅外線法和B超成像法等[4-6]。研發(fā)了多種實時在線監(jiān)測含沙量的設(shè)備，這些監(jiān)測設(shè)備主要有同位素測沙儀、聲學(xué)測沙儀、光學(xué)測沙儀、振動式測沙儀等。

2 同位素測沙儀研發(fā)應(yīng)用回顧

同位素測沙儀(isotope silt meter)是根據(jù)射線減弱程度隨吸收體厚度按指數(shù)規(guī)律衰減的原理制作而成的[7]。

早在20世紀60年代，我國就開始研究同位素測沙。最初利用γ射線源，如Cs137和Co60等。后來采用低能X(γ)射線源，如Am241、Cd109和Pu238等。黃河水利委員會水科所(以下簡稱“黃科所”)與中國原子能科學(xué)院、上海原子核研究所、北京核儀器廠和營口電子儀器廠等單位協(xié)作共同研制出FH422型γ-γ含沙量計、FT-1型閃爍式低含沙量計、ATX5-1型X射線正比管含沙量計，還有清華大學(xué)聯(lián)合原長江流域規(guī)劃辦公室研制的雙閃爍探測器的同位素低含沙量儀，南京水利科學(xué)研究院研制的γ射線高含沙量儀和同位素低含沙量儀等。

自20世紀60年代初開始至20世紀70年代，黃河水利委員會水利科學(xué)研究院(以下稱“黃科院”)先后研制出以銫135為放射源的HF-422同位素含沙量計，及其以镅241為放射源的HF-42改進型，最小量程為3kg/m3；20世紀70年代末，黃科院、清華大學(xué)和長江水利委員會又研制出2種以镅241為放射源的同位素含沙量計，測量低含沙量最小量達1.0kg/m3左右。這些儀器先后投放到一些河流使用，其中黃河干流有10個水文站使用了10余年之久，有的測站使用效果很好，例如小浪底水文站于1971年用同位素含沙量計測得713kg/m3的高含沙量，20世紀80年代起黃河天橋水電站也開始使用同位素含沙量計進行泥沙測量。

1974年1月，黃委會在鄭州舉行同位素測沙儀鑒定會。鑒定結(jié)論是，當(dāng)含沙量大于20kg/m3時，適用于該儀器施測[8]。1974年3月19日，《人民日報》報道，近年來，各地還研制出一批適合中國河流特性的水文新儀器，如低流速儀、同位素測沙儀、測流控制儀等，為進一步提高水文資料質(zhì)量創(chuàng)造了條件。

3 制定“同位素測沙團標”的重要性

3.1 團標簡介

《中華人民共和國標準化法》對標準的定義是，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè)以及社會事業(yè)等領(lǐng)域需要統(tǒng)一的技術(shù)要求。包括國家標準、行業(yè)標準、地方標準、團體標準和企業(yè)標準。

團體標準，在2015年《深化標準化工作改革方案》中首次被提出，2018年1月實施的新《中華人民共和國標準化法》確定了其合法地位[9]。

3.2 測沙儀應(yīng)用難題

我國利用核輻射研究含沙量的測量工作相對國外來說，取得的成果比較多。20世紀70—80年代，我國同位素測沙技術(shù)處在世界領(lǐng)先地位。1987年5月英國《水能與壩工》(Water Power & Dam Construction，May 1987)刊物上，介紹了我國“黃科所”最新研制的X射線正比管含沙量計的性能，認為“比世界上已有的儀表，測量精度高，測量范圍大”。

20世紀70年代后，同位素測沙儀器在生產(chǎn)中應(yīng)用較多。而20世紀90年代以前曾在一些站使用十多年之久的同位素測沙儀，沒有堅持用下去，同位素測沙儀逐漸“銷聲匿跡”。

每隔一定時間需校正一次工作曲線，加上或因造價昂貴，或因測站維修困難，或因恐懼同位素放射性等，皆是未能推廣和停用原因。

由于河流泥沙條件十分復(fù)雜，洪水水流體系對儀器的要求很高，以及傳感器、電子技術(shù)水平的限制等原因，直到目前仍未制訂出在線測沙的技術(shù)標準，包括測沙儀的率定標準。

3.3 標準規(guī)定

實際生產(chǎn)中，采用測沙儀實施測驗時，應(yīng)符合相關(guān)標準規(guī)定。也就是須符合GB/T 50159—2015[10]的要求：工作曲線穩(wěn)定，校測方法簡便，操作安全可靠，校測頻次較少。測量精度與穩(wěn)定性及可靠性，還要滿足測站的實際需要。

國家標準GB/T15966—2017[11]和GB/T 13336—2007[12]對測沙儀的適用范圍進行了規(guī)定，其中同位素測沙儀測量范圍為0.5～1000 kg/m3，適用測點流速≤5m/s。

除了含沙量測量范圍，測沙儀在使用之前和應(yīng)用過程中，工作曲線需要事先和定期率定。工作曲線是測沙儀進行含沙量測量的主要依據(jù)。泥沙測量使用儀器前，應(yīng)精確率定、建立工作模型。若儀器校測的系統(tǒng)誤差不大于2%，原工作模型可繼續(xù)使用[10]。否則，要重新率定工作曲線，并使用對應(yīng)的新模型。

3.4 適應(yīng)性檢驗

在多沙河流中，影響含沙量變化的因子眾多，不僅與水流的紊動強度、顆粒的自身沉降、上游來沙量的大小、隨水流的擴散能力有關(guān)，還與河道的邊界條件、河道的沖淤變化、河床的組成等有關(guān)系。測沙儀適應(yīng)性檢驗，例如傳感器對水流擾動、水溫、泥沙顆粒特征及化學(xué)特性等的影響，應(yīng)能自行或人工設(shè)置校正，或能將誤差控制在允許的范圍內(nèi)。凡此種種，都需要制定相應(yīng)的技術(shù)標準和操作流程。

4 制定“同位素測沙團標”可行性討論

4.1 法規(guī)條件

2019年初，《團體標準管理規(guī)定》發(fā)布?！秷F體標準管理規(guī)定》第13條規(guī)定：制定團體標準應(yīng)以滿足市場和創(chuàng)新需要為目標，聚焦新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式，填補標準空白。也就是說，團體標準應(yīng)該發(fā)揮其靈活性，對市場變化和行業(yè)創(chuàng)新做出快速反映，要快速適應(yīng)市場的需求，并要在新興領(lǐng)域占得先機。

2020年7月，中國水利學(xué)會2020年第73號文件，發(fā)布《光學(xué)含沙量測量儀率定規(guī)范》團體標準。該團標規(guī)范了光學(xué)測沙儀率定實驗方法、含沙量范圍等關(guān)鍵技術(shù)指標，確保含沙量測量數(shù)據(jù)準確性，有力推動了含沙量測量技術(shù)的發(fā)展，也從一定層面佐證了測沙儀應(yīng)用的重要性，以及制定率定規(guī)范的可行性。

《光學(xué)含沙量測量儀率定規(guī)范》，適用于光學(xué)測沙儀的率定，以建立儀器輸出數(shù)據(jù)與水體含沙量的相關(guān)關(guān)系，即測沙儀的工作曲線。同位素測沙儀與光學(xué)測沙儀工作原理不同，適用條件也不同，對于率定通用性要求、率定方法、數(shù)據(jù)分析、率定結(jié)論等方面，都需要相應(yīng)的指標和流程。

4.2 技術(shù)條件

計算機及現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，使得一些影響測沙儀推廣的不利因素逐步消除。同位素測沙實現(xiàn)了實時在線，不僅能得到觀測值，還能得到資料的整編結(jié)果。

黃河水利委員會水文局研制的NUT-1型鯉魚艦?zāi)嗌吃诰€監(jiān)測系統(tǒng)，基于C8051F350單片機和低能量源開發(fā)。2014年10月開始，在黃河潼關(guān)水文站對該系統(tǒng)進行了多次試驗，包括同位素本底測試、清水溫度曲線率定、室內(nèi)水槽測沙、河道現(xiàn)場測沙及儀器輻射防護檢測等項內(nèi)容[13]。試驗證明，該系統(tǒng)對含沙量變化具有良好的適應(yīng)性：當(dāng)含沙量小于3kg/m3，誤差小于10%；含沙量大于等于3kg/m3時，誤差不超過5%。2017—2018年，分別在黃河上游湟水民和水文站、中游潼關(guān)水文站、下游花園口水文站安裝3處該類型泥沙監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)測量范圍廣、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性較強。

在NUT-1型鯉魚艦?zāi)嗌吃诰€監(jiān)測系統(tǒng)多年的實驗中，相關(guān)單位經(jīng)過總結(jié)，形成了較為完善的儀器率定流程，構(gòu)建了數(shù)據(jù)分析模型，積累了解決實際問題的經(jīng)驗，為科學(xué)開展同位素測沙儀率定工作，奠定了堅實的工作基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

目前，含沙量測量方法與裝置雖然較多，卻缺乏測量范圍廣、穩(wěn)定性好、精度高、操作簡便的量測儀器。同位素測沙實現(xiàn)了實時在線，不僅能得到觀測值，還能得到資料的整編結(jié)果，是一種具有良好實用前景的測沙儀器[14]。

泥沙測驗和研究工作的高質(zhì)量發(fā)展，需要科學(xué)的手段和技術(shù)規(guī)范作保障。測沙儀建立工作模型時，不但要考慮泥沙的顆粒形狀、顆粒組成及化學(xué)特性等因素影響，還要注意水溫尤其是高含沙河流的低溫輸沙效應(yīng)及河道邊界條件。同位素測沙儀的推廣和應(yīng)用，亟需制訂技術(shù)標準，以規(guī)范率定實驗方法、含沙量范圍，確保含沙量測量數(shù)據(jù)準確性。制定“同位素測沙團標”很有必要而且可行。