黄河水文泥沙颗粒分析方法的革新---马尔文激光粒度仪在黄河治理中的应用纪实

   作为一项重要的水文基础数据，泥沙颗粒的粒径大小及分布对于黄河治理工程的各项研究和建设有着重要的意义，而如何快速准确地获得大量的泥沙粒径数据则是上述工作的基础。采用激光衍射技术的粒径分析方法具有测试量程宽、操作速度快以及分析精度高等优点，与传统的“沉降筛分”粒度测量方法相比，大大提高了分析效率和分析精度。在黄河调水调沙试验、小北干流放淤试验以及小浪底水库异重流测验等黄河水文泥沙颗粒专项任务中，马尔文激光衍射粒度分析仪就发挥了巨大的效益，展示了其良好的推广应用前景。

黄河作为世界上最复杂难治的多泥沙河流，其主要问题是水少沙多、水沙异源、水沙不平衡。科学治黄要求及时准确地掌握河流泥沙运动规律，分析泥沙颗粒级配组成及分布。从2005年起，黄河水利委员会提出三道防线理念治理黄河泥沙：第一道防线位于黄土高原，通过水土流失综合治理，逐步减少入黄泥沙；第二道防线位于黄河小北干流，通过小北干流放淤，"淤粗沙排细沙"；第三道防线是小浪底水库，利用水库拦沙库容，"拦粗沙泄细沙"。上述每道防线的泥沙治理都要求大量的泥沙颗粒分析资料做支撑，因此，快速、及时、准确地提供稳定、高质量的泥沙粒径分布数据（即泥沙级配资料）就显得尤为重要。黄河水文泥沙粒径分析工作主要有两个特点：第一，泥沙粒径范围特别宽，跨度特别大：小到零点几微米，类似悬浮状态的胶泥，大的会如鹅卵石一般；第二，分析的数据量非常庞大，为了获得有说服力的数据，必须要在不同的淤积断面采样上万个甚至更多。因此黄河水文泥沙颗粒粒径分析必须要满足上述需求。

国内的颗粒分析（粒度分析）早在上世纪50年代就已经开始。传统的粒度测量方法有筛分法、尺量法、沉降法（消光/吸管/离心沉降/粒径计法）等。在水文行业主要是对河流泥沙进行颗粒分析，早年一直使用“沉降＋筛分”的方法。传统的测试方法虽然原理简单，设备成本低，但是由于各种分析方法适用粒径范围有限，对每个泥沙样品的颗粒级配分析需两种方法组合才能完成，比如即便是对粒度一般小于1毫米的悬沙进行测量，也要用两种方法来组合：63微米以下的颗粒用沉降法（吸管/消光等）进行测量，而63微米以上的颗粒再用筛分法进行测量。然后将上述两种方法测出的结果组合在一起，得出这种样品的完整粒度分布（或称颗粒级配）。因此造成整个过程操作繁琐、效率低、劳动强度大，分析一个泥沙样品需要近两个小时的时间，再加上手工操作人为误差较大，很难及时获得高质量的数据，难以满足黄河治理开发、管理对泥沙颗粒级配资料的时效和精度要求。传统测量方法除了步骤繁琐、需要耗费大量的人力和时间外，还存在较大的系统误差，数据的准确性和重现性都较差，致使为河道治理提供基础数据的可靠性和效率普遍降低。因此，水文行业迫切需要一种可靠性、准确性和效率都比较高的测量方法。

1994年8月，国家农、林、水三部委联合发起“九四八”国家行动计划，旨在通过引进国外先进技术，经过消化吸收为我所用。水利部下属黄河水利委员会（以下简称“黄委会”）经过充分的调研和一系列的样品比测，在2000年引进了两台英国马尔文仪器有限公司的Mastersizer系列激光粒度仪，开始走上了全新的河流泥沙粒度测量分析研究之路。

Mastersizer系列激光粒度仪的开发是为了满足业界对实验室结果的全面可比性、可追溯性、规范符合性和高效率的日益需求。该仪器利用经过验证的激光衍射系统来测定颗粒粒径。通过测定样品在不同角度上产生的衍射光强分布，应用米氏散射理论，反演计算出颗粒的粒径分布。专门为提高小颗粒分辨率而配置的蓝光光源确保了仪器对小颗粒的分析能力，粒径下限达到20纳米，而宽角度分布的检测器系统确保了仪器在整个量程范围内都具有较高的分辨率和精度。

Ÿ           宽粒径测量范围(0.02µm - 2000µm) 对单个悬沙样品一个测量过程可完成全部分析内容，无需几种方法组合。
        Mastersizer系列粒度仪采用高效的分散技术，机械搅拌使样品均匀散开，而超声高频震荡使团聚的颗粒充分分散，电磁循环泵则使大小颗粒在整个循环系统中均匀分布，从而在根本上保证了宽分布样品测试的准确重复。

Ÿ           全自动样品测量，操作简单，大幅提高测量速度与效率。马尔文激光法测量从样品预处理、测量到数据输出只需要3分钟时间。
      使用传统粒度测量方法每个实验室要5-6个人，各道工序都需要不同的人负责并相互配合，比如过筛分，称重，消光，烘干，称重等，最理想的状态下，每天至多做30个样品的颗粒分析。但是在相同样品条件下使用马尔文Mastersizer系列激光粒度仪每天只需1-2人就可对150-200个样品进行测量，与传统方法相比，工效和时效提高近70倍。

Ÿ           由软件驱动的 SOP标准操作流程彻底消除了用户间的差异，确保了测量的重复性。并且测量数据精确至1%。而传统粒度测量由于受人为因素影响较大，标准差大于3%，采用马尔文激光粒度仪则大大提升了测量的准确性和重复性 。

Ÿ           数据输出简单直观。通过软件之间的转换功能，测量所得的泥沙级配数据可通过仪器自带的软件直接输出到以逗号分隔的文本文档中，为整编程序直接引用，无需录入，大大降低了颗分资料整编工作量，消除了人工录入容易产生的错误。

马尔文激光粒度仪来到黄河流域之后，凭借传统测量方法所无可比拟的快速、准确、稳定等各项优势，在不少河道治理研究试验项目中发挥了出色的作用。

例如，在黄河首次调水调沙试验中，根据测验任务的要求，调水调沙过程共需分析来自潼关、三门峡、小浪底等水文站和小浪底库区整个黄河下游河道及河口滨海区500多个淤积测量断面近万个泥沙样品。若用传统方法进行颗粒分析，至少需要一年时间，而采用激光粒度分析仪进行分析，仅用20多天就圆满完成了任务。

而在小浪底水库库区2001年、2002年调水调沙异重流试验过程中，由于泥沙颗粒极细，细颗粒泥沙漂浮在水中形成稳定的悬浮液，用传统的沉降法无法准确测量泥沙颗粒级配，而激光粒度分析仪以其测量下限为20nm的测量优势顺利解决了这一难题。

更有黄河小北干流放淤试验项目，是黄委治理泥沙的第二道防线。泥沙处理和颗粒级配分析作为原型观测的重点，要求随测随分析、随整理，并及时提供泥沙颗粒级配资料，满足指挥调度和分析研究的需要，为综合评价放淤试验效果提供数据支持，最终达到“淤粗排细”的目的。因此，黄河水文工作者利用激光粒度分析仪测量软件的优势，设置6秒就能分析出泥沙粒径级配结果全过程，并及时获取粗沙比例，从而判断次洪水粗泥沙是否能够满足“淤粗排细”要求。试验指挥部依靠实时滚动的泥沙级配监测数据，对闸门启闭时间、开启高度等做出了准确判断并发出了调度指令。在1个月的放淤时间里，累计分析泥沙样品4341个，及时准确报出颗粒特征值数据2388组，试验表明放淤试验区约有400万吨粗颗粒泥沙淤积(其中大于0.05mm级的粗沙108万吨，其余为大于0.025 mm级的粗沙)，150万吨细颗粒泥沙回归黄河，保证了“淤粗排细”目标的实现，在滩地上就地解决了阻止粗沙继续往下游流的问题，减轻了下游河道的淤积。

由于激光法是2005年才正式开始使用，那么之前几十年用传统方法测得的历史数据与2005年采用激光法以后的新数据之间如何衔接，是广大水利工作者需要面对的一个重要问题。虽然资料系列不同，即不同方法产生的数据建立在不同的平台上，但它们相互之间仍然会存在一个比较稳定的对应关系，这也是项目研究的一个重要内容。通过在新老测量数据之间进行的参数率定（参数率定的实质就是先假定一组参数，代入模型得到计算结果，然后把计算结果与实测数据进行比较，若计算值与实测值相差不大，则把此时的参数作为模型的参数；若计算值与实测值相差较大，则调整参数代入模型重新计算，再进行比较，直到计算值与实测值的误差满足一定的范围）^[1]，建立一个回归方程，以实现新老数据之间的相互转换。当然这么做的前提是要保证一定的样本量，而且样本要有足够的区域代表性和时空代表性，同时各种其它因素都要考虑进去，数据量和工作量非常巨大。令人欣慰的是，通过水文工作者不懈的努力，目前新老数据之间的衔接工作已经圆满完成。

黄河水利委员会根据国内泥沙测量的实际情况，摸索规律，总结出一套使用激光法测量泥沙粒度的适用方法，制定出了全行业统一的应用技术规范。通过数年的努力，新版的中华人民共和国水利行业标准《河流泥沙颗粒分析规程》（SL42-2010）于2010年初起正式出台实施，并在其中专门增加了激光衍射法测定这一章节。新规范实现了仪器操作的规范化，任何地方的测试人员，只要遵照这个统一的测试标准，测量操作也就有了可执行性，测量结果也就具有了可比性。

随着马尔文激光粒度仪在黄河水文泥沙颗粒分析过程中表现出的优异性能，2005年起Mastersizer激光衍射粒度仪开始正式在黄河流域率先全面推行，之后又陆续在长江委等水利部门得到应用。相信在不久的将来，激光衍射法粒度分析将在河流水文泥沙分析中大展拳脚，为全国河流治理和水文研究提供坚实的保障。

[1]缪海洋，吴南山，太仓市水利局 《河网水动力模型参数率定》，2007年7月。