劉冬雪，趙丹茹

(浙江省河海測(cè)繪院，浙江 杭州 310008)

1 問題的提出

河口輸沙量和泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究直接關(guān)系到正確估算水土流失、航道港口的沖淤變化、河口岸灘塑造、近岸水產(chǎn)養(yǎng)殖開發(fā)和軍事海洋等重要問題［1］。而我國(guó)境內(nèi)的大江大河經(jīng)過多級(jí)水利工程開發(fā)之后，流域植被覆蓋逐年減少，再加上近年氣候變化與極端天氣頻現(xiàn)，使得河流水文呈現(xiàn)波動(dòng)與變化的趨勢(shì)，也使得河流泥沙研究越來越重要［2］。長(zhǎng)期以來，研究人員一直積極探索含沙量測(cè)量的準(zhǔn)確方法和新型儀器，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一方面努力從光學(xué)、聲學(xué)和其他物理學(xué)方向探索測(cè)量懸浮泥沙的技術(shù);另一方面不斷對(duì)已有的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提高其測(cè)量范圍和測(cè)量精度［3］。雖然目前測(cè)量含沙量的方法較多，但由于其適用范圍、精度和影響因素等方面的限制，一些方法還需進(jìn)一步研究和驗(yàn)證，因此能在實(shí)際測(cè)量中可采用的方法并不多。本文對(duì)基于物理學(xué)原理的懸沙含量測(cè)量方法的特點(diǎn)、研究進(jìn)展及影響因素進(jìn)行分析，闡述其目前的理論研究成果和實(shí)際應(yīng)用能力，為現(xiàn)有測(cè)量方法的應(yīng)用研究提供一定的思路，也為測(cè)量人員在不同水體環(huán)境中選擇合適的測(cè)量方法提供參考。

2 懸沙含量的測(cè)量方法概述

目前，懸浮泥沙含量的測(cè)量方法較多，根據(jù)測(cè)量原理的不同可分為:直接測(cè)量方法和間接測(cè)量方法［4］。

直接測(cè)量方法包括重量法和比重法，此2種方法也是傳統(tǒng)方法。其中重量法雖然操作過程繁雜，效率低，不便于對(duì)泥沙含量變化過程進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但由于其準(zhǔn)確度高，在實(shí)際測(cè)量中仍有廣泛的應(yīng)用;與重量法相比，比重法所用設(shè)備簡(jiǎn)單，測(cè)量方法更快更直接，但由于其測(cè)量精度比重量法低，目前實(shí)際應(yīng)用相對(duì)較少。間接測(cè)量法主要是利用物理學(xué)原理進(jìn)行測(cè)量的方法，涵蓋了光、電、聲、熱及核子性質(zhì)，目前研究較多的有OBS法、電導(dǎo)率法、γ射線法、比熱容法、振動(dòng)法和激光法等。

3 基于物理學(xué)原理的懸沙含量測(cè)量方法分析

3.1 OBS法

OBS(Optical Back Scattering)是通過接收紅外輻射光散射量觀測(cè)懸浮顆粒，建立水體濁度與實(shí)測(cè)懸沙濃度之間的相關(guān)關(guān)系，并進(jìn)行濁度轉(zhuǎn)化，從而得到OBS觀測(cè)的懸沙濃度。用OBS來測(cè)量水體泥沙含量，其最主要的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，能夠快速、實(shí)時(shí)、連續(xù)測(cè)量，且基本不受天氣條件的制約［5-6］。由于OBS-3A濁度計(jì)配有CTD傳感器，所以在測(cè)泥沙濃度的同時(shí)也能采集到該點(diǎn)的溫度、鹽度和深度的實(shí)時(shí)同步測(cè)量數(shù)據(jù)［7］，大大簡(jiǎn)化了測(cè)量步驟，提高了測(cè)量效率，降低了測(cè)量成本。由于OBS受測(cè)量環(huán)境變化的影響比較顯著，有很多因素影響其輸出值，其中包括鹽度、泥沙粒徑、泥沙顏色和泥沙含量等，因此，在條件允許的情況下應(yīng)盡量避免室內(nèi)標(biāo)定，而采用現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，并將所得曲線進(jìn)行分段擬合，這樣能減少標(biāo)定誤差，以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。目前，這種方法已廣泛應(yīng)用于懸沙濃度變化觀測(cè)研究中［8-10］，如長(zhǎng)江口、深圳河口以及錢塘江等，主要用來確定水體濁度變化的影響因素、泥沙的沉積速率以及泥沙輸運(yùn)通量等與水體含沙量相關(guān)的研究。

3.2 電導(dǎo)率法

戴茜等［11-12］對(duì)電導(dǎo)率法測(cè)定懸浮泥沙含量進(jìn)行了相關(guān)研究，通過測(cè)量不同懸浮泥沙含量水體的電導(dǎo)率值，初步建立起電導(dǎo)率與泥沙含量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)混合水體的電導(dǎo)率與泥沙含量之間存在較好的負(fù)線性關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上，通過大量的比對(duì)試驗(yàn)及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，初步建立在較大的溫度、鹽度和粒度變化范圍內(nèi)，懸浮泥沙含量與電導(dǎo)率之間的基本關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn):影響電導(dǎo)率與泥沙含量關(guān)系的因素中，鹽度最大，溫度次之，而粒度的影響很小，可以忽略不計(jì)。由于上述因素的影響，使電導(dǎo)率測(cè)沙法的適用條件受到一定限制，目前尚處在理論研究階段。

3.3 γ射線法

γ射線在含沙水溶液中發(fā)生康普敦—吳有訓(xùn)效應(yīng)，其透射強(qiáng)度服從指數(shù)衰減規(guī)律，衰減的快慢程度與被測(cè)水體的含沙量有關(guān)，因此，可以利用γ射線衰減與水體中泥沙含量的關(guān)系推求泥沙含量［13］。但由于γ射線輻射源可能會(huì)造成環(huán)境污染，使工作人員受到輻射傷害，故黃洪生等選用銫137作為輻射源，其半衰期為30～31a，強(qiáng)度為1mCi，從而克服輻射過強(qiáng)的問題［14］。雷廷武等［15-17］對(duì) γ射線測(cè)量含沙量的方法及算法進(jìn)行研究，并研制出徑流含沙量與流量測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)泥沙含量的連續(xù)變化過程，測(cè)量簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確度較高，并且不受泥沙粒度的影響，但在實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量方面還存在一定的局限性。

3.4 比熱容法

比熱容法是一種新型的測(cè)沙方法，該方法利用改制的比熱容測(cè)量?jī)x測(cè)定不同含沙量水體的比熱容，建立含沙量與比熱容之間的相互關(guān)系，進(jìn)而通過測(cè)量渾水的比熱容確定水體含沙量。張帆一等［18-19］對(duì)此方法進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)水體中的泥沙濃度與比熱容呈顯著的負(fù)線性關(guān)系，本測(cè)法對(duì)低含沙量水體的測(cè)量結(jié)果有較大誤差，而在高含沙量水體中的測(cè)量結(jié)果可靠，故比熱容法提出了一種對(duì)于高含沙量水體的較為精確且快速的測(cè)量方法，對(duì)可快速測(cè)量含沙量的光電、聲學(xué)測(cè)法的缺陷即不易測(cè)準(zhǔn)高含沙量水樣的含沙量進(jìn)行了補(bǔ)充。由于比熱容測(cè)量精度與測(cè)量速度直接影響渾水含沙量測(cè)量的效果，因此，設(shè)計(jì)高精度、快速測(cè)量的比熱容儀器是基于熱力學(xué)原理測(cè)量含沙量的關(guān)鍵。目前，此方法仍在研究論證階段，尚未投入實(shí)際應(yīng)用。

3.5 振動(dòng)法

振動(dòng)法是利用振動(dòng)學(xué)原理，根據(jù)諧振棒在不同含沙量的泥水中的振動(dòng)周期不同來推求含沙量。王智進(jìn)等［20-21］對(duì)振動(dòng)式懸移質(zhì)測(cè)沙儀器的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)儀器應(yīng)用進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。2003年09月，該儀器在黃河小浪底水庫的防洪預(yù)泄工作中進(jìn)行了初試應(yīng)用，結(jié)果表明:振動(dòng)式懸移質(zhì)測(cè)沙儀能夠快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)和記錄含沙量的實(shí)時(shí)變化，測(cè)量范圍大，受泥沙粒徑變化影響小，長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性較好，并提供了數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)闹悄芙涌?，便于?shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，為實(shí)現(xiàn)水文測(cè)量數(shù)字化打下了基礎(chǔ)。

3.6 激光法

激光測(cè)沙法是基于激光衍射的原理，將測(cè)得的水中懸浮物質(zhì)的體積分布轉(zhuǎn)換為重量分布來測(cè)量含沙量。趙昕等［22-23］在對(duì)激光法的試驗(yàn)與研究中，探索出了激光類測(cè)沙儀應(yīng)用于長(zhǎng)江泥沙測(cè)驗(yàn)的一套完整的操作方案，數(shù)據(jù)處理模式與方法以及測(cè)沙適應(yīng)范圍，并編制了相應(yīng)的技術(shù)文件與數(shù)據(jù)后處理軟件。杜耀東［24］等對(duì)含沙量的推算方法進(jìn)行了改進(jìn)，使用多元線性回歸法計(jì)算出含沙量，有效地增加了結(jié)果的精確性和穩(wěn)定性，但由于天然河流的復(fù)雜性，其應(yīng)用有一定局限性，比如漲水過程中采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)分布較亂，有待進(jìn)一步研究。此外，體積濃度與重量含沙量之間的轉(zhuǎn)換方法仍需要改進(jìn)。現(xiàn)場(chǎng)激光粒度分析儀 (ISST-100X)可以同時(shí)測(cè)量含沙量、顆分級(jí)配、水深、水溫、光透度、光的衰減等，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局目前已引進(jìn)多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)激光粒度分析儀，并建立了三峽泥沙報(bào)汛系統(tǒng)，測(cè)站將數(shù)據(jù)輸入自動(dòng)報(bào)汛系統(tǒng)，通過超短波、電話、衛(wèi)星等信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)的建立為泥沙的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)報(bào)汛提供了發(fā)展思路和研究參考。

4 結(jié)語

綜上所述，泥沙含量的直接測(cè)量方法操作簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果較準(zhǔn)確，其中傳統(tǒng)的重量法仍是目前使用最普遍的測(cè)量方法，但其無法連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泥沙濃度的變化過程。目前，在對(duì)港口和航道沖淤動(dòng)態(tài)過程的研究中，現(xiàn)場(chǎng)快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量水體含沙量十分重要。為此，對(duì)基于物理學(xué)原理的間接測(cè)量法的研究越來越多，如光學(xué)方法中OBS能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量且已得到廣泛應(yīng)用，但是影響其輸出值的因素較多，故現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的準(zhǔn)確性尤為重要;γ射線法能夠較好地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)含沙量的測(cè)量，方法快捷、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確可靠，但在實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量方面還存在一定的局限性;振動(dòng)法測(cè)量含沙量范圍大，受泥沙粒徑變化影響小，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，但需進(jìn)一步的應(yīng)用來驗(yàn)證其適用性;激光類測(cè)沙儀已經(jīng)在長(zhǎng)江三峽的泥沙報(bào)汛系統(tǒng)中得到應(yīng)用，但由于其原理是將測(cè)得的水中懸浮物質(zhì)的體積分布轉(zhuǎn)換為重量分布，故將體積濃度轉(zhuǎn)換成重量含沙量的方法直接關(guān)系到數(shù)據(jù)的精度，需要進(jìn)一步研究和完善;電導(dǎo)率法和比熱容法仍處于理論研究階段，無論是準(zhǔn)確性還是測(cè)量范圍都有待于進(jìn)一步提高。此外，懸沙儀和測(cè)量海洋動(dòng)力要素的儀器組合成一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)懸浮泥沙本身的特性及引起其運(yùn)移的海洋動(dòng)力條件進(jìn)行綜合研究是非常必要的。

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