◎趙建波　張　婷

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馬爾文MS2000激光粒度顆分儀測試分析

◎趙建波張婷

◆作者系陜西省寶雞水文水資源勘測局工程師

1　基本情況

在水利工程中，需要研究解決的泥沙問題內(nèi)容十分廣泛，但總的來說不外乎兩個方面：一是研究泥沙在水中的運動規(guī)律，以達到了解自然的目的；二是運用上述規(guī)律采取工程措施，達到興利除害改造自然的目的。泥沙顆粒分析（簡稱顆分）資料在上述兩個方面都有著重要的作用。寶雞水文局目前承擔泥顆分析任務的水文站為拓石、千陽、魏家堡、林家村4站，一直沿用分析方法為吸管、篩吸結(jié)合分析法，其分析結(jié)果為質(zhì)量百分比，該方法操作過程繁瑣、效率低、勞動強度大，分析一個泥顆樣品打樣、吸樣到稱重需要6個多小時的時間，加之人工操作存在人為誤差，影響分析質(zhì)量；同時資料計算通過手工方式，難以及時取得分析成果，不能滿足河流治理開發(fā)、管理對泥沙顆粒級配資料的實效和精度要求，這與新形勢下水文工作的需求很不適應。

黃委三門峽水文局從2005年至今已使用英國馬爾文公司的馬爾文MS2000激光粒度顆分析儀進行泥顆分析工作，經(jīng)過十年運行使用，該儀器測量簡單快速、測量結(jié)果穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)精度高；測試結(jié)果為體積百分數(shù)分布，具有傳統(tǒng)方法所無法比擬的高精度、高效率、高自動化程度的顯著優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在：

（1）儀器分析粒徑范圍為0.02um～2000um，對一個單沙樣品測量過程完成全部分析內(nèi)容。

（2）樣品預處理，測量到數(shù)據(jù)輸出只需3min,與傳統(tǒng)方法相比，極大提高了工作效率。

（3）通過軟件設置標準操作程序，實現(xiàn)了泥沙顆粒級配過程的全自動控制。

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，水資源管理、評價及水利工程規(guī)劃對泥沙顆粒級配分析的時效性、準確性的要求會越來越高，如何快速、準確的實施泥沙及粒度的有效監(jiān)測，為河流的治理、管理、開發(fā)提供有效技術支撐，因此改變傳統(tǒng)的分析方式，運用新的儀器進行顆粒分析十分必要。

2　測試依據(jù)及參數(shù)設置

表1　測量黃河泥沙顆粒級配參數(shù)值（HYDRO 2000MU型）

2.1樣品選用及測試依據(jù)

本次測試選用拓石站2015年30個泥顆樣品進行測試，測試執(zhí)行《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》（SL42.2012）相關規(guī)定及《馬爾文MS2000激光粒度顆分儀操作規(guī)程》。

表2　拓石站泥沙粒度分析報告參數(shù)一覽表

2.2參數(shù)設置

黃委三門峽水文局于2002至2004完成了馬爾文MS2000激光粒度顆分析儀進行泥顆試算分析比對工作，采用激光儀與移液管、篩吸結(jié)合分析兩種方法，歷時三年對2000多個（包括中、粗、細各種類型）泥顆樣品進行了比對試算，率定出了適合黃河流域河流泥沙顆粒級配特性的儀器參數(shù)，本次測試采用三門峽水文局率定的儀器參數(shù)進行試算，詳見表1。

3　測試情況

3.1儀器測試

本次測試對2015年拓石站30個泥顆樣品進行了測試，測試結(jié)果以粒度分布數(shù)據(jù)表、分布曲線、D0.1、D0.5、D0.9等方式顯示，打印和記錄。

樣品遮光度的合適值范圍為10% ～20%，由表2分析可知，除施測號數(shù)為27、31、46樣品的遮光度偏大，其余樣品遮光度都基本接近遮光度最佳值15%；殘差最大0.358%，最小0.241%，都滿足殘差小于2%的儀器規(guī)定使用要求。詳見表2

3.2移液管、篩吸結(jié)合分析

本次分析選取13個沙重為8g～10g的泥顆樣品，采用吸管、篩分析方法進行了對比分析，施測號數(shù)為48的泥顆樣品級配曲線與粒徑沙重百分數(shù)50%的垂直線無交點，該泥顆樣品無中數(shù)粒徑，舍棄該樣本，對比分析總計為12個泥顆樣本。

表3　渭河拓石站實測懸移質(zhì)單樣激光儀與篩吸結(jié)合分析顆粒級配對比成果表

樣品選取原因：

1.樣品代表性好，不同粒徑沙重百分數(shù)分布均勻，顆粒級配曲線分布比較合理；

2.有利于篩上部分粒徑分析，篩上粒徑分析在0.062mm～1.0mm范圍之間，因為沙重太小，雖然有沙重，但無法進位，一般篩上部分級配曲線和儀器分析曲線比較，人工繪制曲線較短。

本次對比分析情況，詳見拓石站實測懸移質(zhì)單樣激光儀與移液管、篩分析顆粒級配對比成果表3；同時手工繪制了同一泥顆樣品兩種方法分析結(jié)果級配曲線圖。

由表3可以看出

1.粒徑級在0.002mm～0.016mm之間，重量法分析的沙量百分數(shù)總是大于儀器法分析的結(jié)果，且結(jié)果差別較大；粒徑級在0.031mm～2.0mm之間，結(jié)果差別小，且粒徑級越大，結(jié)果越接近。

2.經(jīng)對兩種方法的中數(shù)粒徑（D50）對比發(fā)現(xiàn)，12個泥顆樣本中數(shù)粒徑（D50）不相等。施測號數(shù)43泥顆中數(shù)粒徑偏差最小，偏差為0.001，施測號數(shù)46泥顆中數(shù)粒徑偏差最大，偏差為0.004，12個泥顆樣本平均偏差為0.003。其中中數(shù)粒徑（D50）偏差≤0.001的累計概率為8.33%，中數(shù)粒徑（D50）偏差≤0.002的累計概率為33.3%，中數(shù)粒徑（D50）偏差≤0.003的累計概率為91.7%，中數(shù)粒徑（D50）偏差≤0.004的累計概率為100%。

3.由兩種分析結(jié)果對比分析可知，儀器分析級配曲線光滑、擬合性好，測量范圍寬，成果精度高；傳統(tǒng)方法分析級配曲線光滑性、擬合性較差，測量范圍窄，成果精度低。

4　原因分析：

（1）人工分析時，在打樣的均勻程度、吸管深度、吸樣量的準確度、樣品稱量等的人為誤差，還有天平稱量狀態(tài)是否正常及溫度、濕度等因素的影響，可能導致出現(xiàn)較大人為偶然誤差和系統(tǒng)誤差，在沙重小、粒徑小的情況下，出現(xiàn)誤差的可能性越大。

（2）儀器分析從打樣、分析、計算全部自動完成，避免了人為操作偶然誤差，只要做好工作環(huán)境中振動、灰塵、溫度、濕度等影響因素及樣品前期處理、管理維護和規(guī)范操作等環(huán)節(jié)的控制工作，系統(tǒng)誤差相對固定，測試結(jié)果不會出現(xiàn)較大波動。

5　整編試算

三門峽水文局對泥顆成果整編采用數(shù)據(jù)錄入，成果計算采用北方片整編軟件進行整編計算，為此我們完成30個樣品測試后，進行數(shù)據(jù)錄入，用南方片整編軟件進行了試算，完成了拓石站實測懸移質(zhì)單樣顆粒級配成果表。

6　結(jié)論

（1）30個樣品的遮光度處在合適值10%～20%范圍之內(nèi)，樣品的遮光度比較穩(wěn)定，且殘差小于2%，符合黃河流域泥沙顆粒級配特性，在今后測試樣品時，建議可直接采用三門峽水文局率定的儀器參數(shù)進行泥顆測試工作。

（2）粒度分析報告中的粒度分布曲線光滑，擬合性好，該測量范圍比傳統(tǒng)方法的測量范圍寬；成果精度高且性能穩(wěn)定，具有傳統(tǒng)方法所無法比擬的高精度、高效率、高自動化程度的顯著優(yōu)勢，建議在今后的泥顆分析工作中，該儀器可推廣使用。

7　經(jīng)驗

（1）該儀器靈敏度高，對工作環(huán)境要求較高，如周圍的振動、灰塵、溫度、濕度要相對穩(wěn)定，否則對儀器測量分析均有影響；

（2）對沙樣前期處理要求高，特別是去雜質(zhì)步驟不能省，否則影響測量精度；

（3）測定泥沙濃度控制，通常1.3次加樣量達最佳遮光度為適宜濃度；

（4）分析用水，由于汽泡對測量結(jié)果影響較大，因此消除水中汽泡至關重要；

（5）取樣誤差是測量誤差的最大原因，因此具體操作應嚴格掌握。陜西水利

參考文獻：

（1）SL42.2012《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》；中華人民共和國水利部；2012

（2）《馬爾文MS2000激光粒度顆分儀操作規(guī)程》；英國馬爾文公司

（3）SL247.2012《水文資料整編規(guī)范》中華人民共和國水利部；2012

（4）水利電力部水利司，《水文測驗手冊》「M」，北京：水利電力出版社，1975。

（責任編輯：王劍）