黃河水文泥沙顆粒分析方法的革新---馬爾文激光粒度儀在黃河治理中的應(yīng)用紀(jì)實(shí)

   作為一項重要的水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，泥沙顆粒的粒徑大小及分布對于黃河治理工程的各項研究和建設(shè)有著重要的意義，而如何快速準(zhǔn)確地獲得大量的泥沙粒徑數(shù)據(jù)則是上述工作的基礎(chǔ)。采用激光衍射技術(shù)的粒徑分析方法具有測試量程寬、操作速度快以及分析精度高等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的“沉降篩分”粒度測量方法相比，大大提高了分析效率和分析精度。在黃河調(diào)水調(diào)沙試驗、小北干流放淤試驗以及小浪底水庫異重流測驗等黃河水文泥沙顆粒專項任務(wù)中，馬爾文激光衍射粒度分析儀就發(fā)揮了巨大的效益，展示了其良好的推廣應(yīng)用前景。

黃河作為世界上最復(fù)雜難治的多泥沙河流，其主要問題是水少沙多、水沙異源、水沙不平衡。科學(xué)治黃要求及時準(zhǔn)確地掌握河流泥沙運(yùn)動規(guī)律，分析泥沙顆粒級配組成及分布。從2005年起，黃河水利委員會提出三道防線理念治理黃河泥沙：第一道防線位于黃土高原，通過水土流失綜合治理，逐步減少入黃泥沙；第二道防線位于黃河小北干流，通過小北干流放淤，"淤粗沙排細(xì)沙"；第三道防線是小浪底水庫，利用水庫攔沙庫容，"攔粗沙泄細(xì)沙"。上述每道防線的泥沙治理都要求大量的泥沙顆粒分析資料做支撐，因此，快速、及時、準(zhǔn)確地提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的泥沙粒徑分布數(shù)據(jù)（即泥沙級配資料）就顯得尤為重要。黃河水文泥沙粒徑分析工作主要有兩個特點(diǎn)：第一，泥沙粒徑范圍特別寬，跨度特別大：小到零點(diǎn)幾微米，類似懸浮狀態(tài)的膠泥，大的會如鵝卵石一般；第二，分析的數(shù)據(jù)量非常龐大，為了獲得有說服力的數(shù)據(jù)，必須要在不同的淤積斷面采樣上萬個甚至更多。因此黃河水文泥沙顆粒粒徑分析必須要滿足上述需求。

國內(nèi)的顆粒分析（粒度分析）早在上世紀(jì)50年代就已經(jīng)開始。傳統(tǒng)的粒度測量方法有篩分法、尺量法、沉降法（消光/吸管/離心沉降/粒徑計法）等。在水文行業(yè)主要是對河流泥沙進(jìn)行顆粒分析，早年一直使用“沉降＋篩分”的方法。傳統(tǒng)的測試方法雖然原理簡單，設(shè)備成本低，但是由于各種分析方法適用粒徑范圍有限，對每個泥沙樣品的顆粒級配分析需兩種方法組合才能完成，比如即便是對粒度一般小于1毫米的懸沙進(jìn)行測量，也要用兩種方法來組合：63微米以下的顆粒用沉降法（吸管/消光等）進(jìn)行測量，而63微米以上的顆粒再用篩分法進(jìn)行測量。然后將上述兩種方法測出的結(jié)果組合在一起，得出這種樣品的完整粒度分布（或稱顆粒級配）。因此造成整個過程操作繁瑣、效率低、勞動強(qiáng)度大，分析一個泥沙樣品需要近兩個小時的時間，再加上手工操作人為誤差較大，很難及時獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，難以滿足黃河治理開發(fā)、管理對泥沙顆粒級配資料的時效和精度要求。傳統(tǒng)測量方法除了步驟繁瑣、需要耗費(fèi)大量的人力和時間外，還存在較大的系統(tǒng)誤差，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性都較差，致使為河道治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性和效率普遍降低。因此，水文行業(yè)迫切需要一種可靠性、準(zhǔn)確性和效率都比較高的測量方法。

1994年8月，國家農(nóng)、林、水三部委聯(lián)合發(fā)起“九四八”國家行動計劃，旨在通過引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，經(jīng)過消化吸收為我所用。水利部下屬黃河水利委員會（以下簡稱“黃委會”）經(jīng)過充分的調(diào)研和一系列的樣品比測，在2000年引進(jìn)了兩臺英國馬爾文儀器有限公司的Mastersizer系列激光粒度儀，開始走上了全新的河流泥沙粒度測量分析研究之路。

Mastersizer系列激光粒度儀的開發(fā)是為了滿足業(yè)界對實(shí)驗室結(jié)果的全面可比性、可追溯性、規(guī)范符合性和高效率的日益需求。該儀器利用經(jīng)過驗證的激光衍射系統(tǒng)來測定顆粒粒徑。通過測定樣品在不同角度上產(chǎn)生的衍射光強(qiáng)分布，應(yīng)用米氏散射理論，反演計算出顆粒的粒徑分布。專門為提高小顆粒分辨率而配置的藍(lán)光光源確保了儀器對小顆粒的分析能力，粒徑下限達(dá)到20納米，而寬角度分布的檢測器系統(tǒng)確保了儀器在整個量程范圍內(nèi)都具有較高的分辨率和精度。

Ÿ           寬粒徑測量范圍(0.02µm - 2000µm) 對單個懸沙樣品一個測量過程可完成全部分析內(nèi)容，無需幾種方法組合。
        Mastersizer系列粒度儀采用高效的分散技術(shù)，機(jī)械攪拌使樣品均勻散開，而超聲高頻震蕩使團(tuán)聚的顆粒充分分散，電磁循環(huán)泵則使大小顆粒在整個循環(huán)系統(tǒng)中均勻分布，從而在根本上保證了寬分布樣品測試的準(zhǔn)確重復(fù)。

Ÿ           全自動樣品測量，操作簡單，大幅提高測量速度與效率。馬爾文激光法測量從樣品預(yù)處理、測量到數(shù)據(jù)輸出只需要3分鐘時間。
      使用傳統(tǒng)粒度測量方法每個實(shí)驗室要5-6個人，各道工序都需要不同的人負(fù)責(zé)并相互配合，比如過篩分，稱重，消光，烘干，稱重等，最理想的狀態(tài)下，每天至多做30個樣品的顆粒分析。但是在相同樣品條件下使用馬爾文Mastersizer系列激光粒度儀每天只需1-2人就可對150-200個樣品進(jìn)行測量，與傳統(tǒng)方法相比，工效和時效提高近70倍。

Ÿ           由軟件驅(qū)動的 SOP標(biāo)準(zhǔn)操作流程徹底消除了用戶間的差異，確保了測量的重復(fù)性。并且測量數(shù)據(jù)精確至1%。而傳統(tǒng)粒度測量由于受人為因素影響較大，標(biāo)準(zhǔn)差大于3%，采用馬爾文激光粒度儀則大大提升了測量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性 。

Ÿ           數(shù)據(jù)輸出簡單直觀。通過軟件之間的轉(zhuǎn)換功能，測量所得的泥沙級配數(shù)據(jù)可通過儀器自帶的軟件直接輸出到以逗號分隔的文本文檔中，為整編程序直接引用，無需錄入，大大降低了顆分資料整編工作量，消除了人工錄入容易產(chǎn)生的錯誤。

馬爾文激光粒度儀來到黃河流域之后，憑借傳統(tǒng)測量方法所無可比擬的快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定等各項優(yōu)勢，在不少河道治理研究試驗項目中發(fā)揮了出色的作用。

例如，在黃河首次調(diào)水調(diào)沙試驗中，根據(jù)測驗任務(wù)的要求，調(diào)水調(diào)沙過程共需分析來自潼關(guān)、三門峽、小浪底等水文站和小浪底庫區(qū)整個黃河下游河道及河口濱海區(qū)500多個淤積測量斷面近萬個泥沙樣品。若用傳統(tǒng)方法進(jìn)行顆粒分析，至少需要一年時間，而采用激光粒度分析儀進(jìn)行分析，僅用20多天就圓滿完成了任務(wù)。

而在小浪底水庫庫區(qū)2001年、2002年調(diào)水調(diào)沙異重流試驗過程中，由于泥沙顆粒極細(xì)，細(xì)顆粒泥沙漂浮在水中形成穩(wěn)定的懸浮液，用傳統(tǒng)的沉降法無法準(zhǔn)確測量泥沙顆粒級配，而激光粒度分析儀以其測量下限為20nm的測量優(yōu)勢順利解決了這一難題。

更有黃河小北干流放淤試驗項目，是黃委治理泥沙的第二道防線。泥沙處理和顆粒級配分析作為原型觀測的重點(diǎn)，要求隨測隨分析、隨整理，并及時提供泥沙顆粒級配資料，滿足指揮調(diào)度和分析研究的需要，為綜合評價放淤試驗效果提供數(shù)據(jù)支持，最終達(dá)到“淤粗排細(xì)”的目的。因此，黃河水文工作者利用激光粒度分析儀測量軟件的優(yōu)勢，設(shè)置6秒就能分析出泥沙粒徑級配結(jié)果全過程，并及時獲取粗沙比例，從而判斷次洪水粗泥沙是否能夠滿足“淤粗排細(xì)”要求。試驗指揮部依靠實(shí)時滾動的泥沙級配監(jiān)測數(shù)據(jù)，對閘門啟閉時間、開啟高度等做出了準(zhǔn)確判斷并發(fā)出了調(diào)度指令。在1個月的放淤時間里，累計分析泥沙樣品4341個，及時準(zhǔn)確報出顆粒特征值數(shù)據(jù)2388組，試驗表明放淤試驗區(qū)約有400萬噸粗顆粒泥沙淤積(其中大于0.05mm級的粗沙108萬噸，其余為大于0.025 mm級的粗沙)，150萬噸細(xì)顆粒泥沙回歸黃河，保證了“淤粗排細(xì)”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，在灘地上就地解決了阻止粗沙繼續(xù)往下游流的問題，減輕了下游河道的淤積。

由于激光法是2005年才正式開始使用，那么之前幾十年用傳統(tǒng)方法測得的歷史數(shù)據(jù)與2005年采用激光法以后的新數(shù)據(jù)之間如何銜接，是廣大水利工作者需要面對的一個重要問題。雖然資料系列不同，即不同方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)建立在不同的平臺上，但它們相互之間仍然會存在一個比較穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系，這也是項目研究的一個重要內(nèi)容。通過在新老測量數(shù)據(jù)之間進(jìn)行的參數(shù)率定（參數(shù)率定的實(shí)質(zhì)就是先假定一組參數(shù)，代入模型得到計算結(jié)果，然后把計算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若計算值與實(shí)測值相差不大，則把此時的參數(shù)作為模型的參數(shù)；若計算值與實(shí)測值相差較大，則調(diào)整參數(shù)代入模型重新計算，再進(jìn)行比較，直到計算值與實(shí)測值的誤差滿足一定的范圍）^[1]，建立一個回歸方程，以實(shí)現(xiàn)新老數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)然這么做的前提是要保證一定的樣本量，而且樣本要有足夠的區(qū)域代表性和時空代表性，同時各種其它因素都要考慮進(jìn)去，數(shù)據(jù)量和工作量非常巨大。令人欣慰的是，通過水文工作者不懈的努力，目前新老數(shù)據(jù)之間的銜接工作已經(jīng)圓滿完成。

黃河水利委員會根據(jù)國內(nèi)泥沙測量的實(shí)際情況，摸索規(guī)律，總結(jié)出一套使用激光法測量泥沙粒度的適用方法，制定出了全行業(yè)統(tǒng)一的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范。通過數(shù)年的努力，新版的中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》（SL42-2010）于2010年初起正式出臺實(shí)施，并在其中專門增加了激光衍射法測定這一章節(jié)。新規(guī)范實(shí)現(xiàn)了儀器操作的規(guī)范化，任何地方的測試人員，只要遵照這個統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)，測量操作也就有了可執(zhí)行性，測量結(jié)果也就具有了可比性。

隨著馬爾文激光粒度儀在黃河水文泥沙顆粒分析過程中表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，2005年起Mastersizer激光衍射粒度儀開始正式在黃河流域率先全面推行，之后又陸續(xù)在長江委等水利部門得到應(yīng)用。相信在不久的將來，激光衍射法粒度分析將在河流水文泥沙分析中大展拳腳，為全國河流治理和水文研究提供堅實(shí)的保障。

[1]繆海洋，吳南山，太倉市水利局 《河網(wǎng)水動力模型參數(shù)率定》，2007年7月。