一种比热容测沙仪的研究探讨

张帆一，韩 旭，洪亚东，张 诚

（河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098）

0 引言

水体悬沙的分布、扩散、沉降影响着港口及航道和生态环境等，所以其含量的测量对河口海洋沉积动力学研究和近岸工程是十分关键的。

目前使用最普遍的泥沙含量测量方法是传统的烘干称重法，但无法实时、在线测量泥沙含量的连续变化过程，且费工费时。20 世纪 80 年代以来国内外一方面努力发展利用光学、声学和其他物理方法测量悬浮泥沙的技术，另一方面开始把悬浮泥沙测量仪和海洋动力要素测量仪器组合成一个系统, 对悬浮泥沙本身的特性及引起其运移的海洋动力条件进行综合研究。水体含沙量的现场快速、实时、准确测量对于港口和航道冲淤动态过程的研究十分重要。

目前利用物理学原理测量的方法主要涵盖了光、声、电、核子性质，为此基于热学性质进行测定悬移质含沙量的仪器设计，为测沙仪的发展提供一种新的思路。

1 悬沙测量仪器介绍

1.1 直接采样测沙仪

从 20 世纪 50 年代开始，全国水文系统多采用标准化的取样烘干法或比重法测量含沙量。该法的讨论重点在采样方法和仪器的选择上，研究初期主要采用横式（瞬时）及普通瓶式采样器。横式采样器结构简单耐用、操作方便，但对水流扰动很大，普通瓶式未设开关使得使用受限[1]；后期开始对积点法取样代表性不足反思；到 20 世纪 80 年代进行重点攻关，完成了 15 个新型品种的优化积时采样器；90 年代传统处理方法的称重和过滤（去水）技术得到革新，同时积时采样标准室内处理正在不断推广。

1.2 振动测沙仪

利用含沙水密度变化带来的振动性质改变的测沙研究，在 20 世纪 80 年代开展起来。云南大学首先开始研制并生产震动式含沙量计，实验时测量范围较大，曾达 1 000 kg/m3；80 年代末期，黄河水资源保护科学研究所曾开展压差测沙的尝试试验，利用清水和浑水自重压力效应测量含沙量，但是测沙精度和可测空间统一性不佳；2003 年黄委水文局在短振动管测沙技术方面取得进展，试制成功了新型测沙振动管，测验精度较高。

1.3 同位素测沙仪

20 世纪 60 年代初至 70 年代末，黄委水利科学研究院（以下简称黄科院）对放射性粒子在浑水中传播的能衰现象进行观察试验，研制出了以铯135为放射源的 HF—422 的同位素含沙量计，最小量程为 3 kg/m3；70 年代末，黄科院等又研制出了以镅241为放射源的低含沙量同位素含沙量计，最小量程 1.0～1.2 kg/m3；90 年代以来长江流域规划办公室和清华大学研制出在低含沙量下试验良好的 γ 测沙仪，改进后最小量程达 0.6 kg/m3；雷廷武等[2]提出利用伽玛射线测量径流泥沙含量的理论计算公式计算质量吸收系数的多点回归分析方法，推导了用试验数据估计质量吸收系数的回归计算公式。

1.4 激光测沙仪

20 世纪 70 年代初，基于对光波在一定行程流体后能衰变化的研究，天津港务局回淤研究站研制了光电测沙仪，试验含沙量范围未超过 10 kg/m3，对低于 2 kg/m3的含沙量，精度为 ±0.05 kg/m3[3]；90 年代以来，红外线光电、激光测沙仪已经得到较广泛的应用；Stumpf 等人在 Cordon[4]研究的基础上，建立 NOAA/AVHRR 悬浮泥沙的提取实用系统；李四海[5]等人分析多时相 SesoViFS 数据建立了具有典型性且实用性高的长江口悬浮泥沙遥感定量模式；方圣辉、张加晋[6]等研究了不同的观测角度下水体光谱反射率与泥沙含量之间的变化关系，提出了差分泥沙光谱指数（NDSSI）建立泥沙反演模型。

1.5 声波能衰测沙仪

20 世纪 80 年代利用声波在含沙水中传播特性的测沙研究中，中国科学院山西煤炭化学研究所研制了直接发射—接收式的超声波测沙仪，测沙范围达 0.5～500.0 kg/m3，且相对误差分析不超过 ±10%；90 年代以来，张叔英主持完成了我国第 1 台声学悬沙观侧仪（ASSM）的研制，并应用到长江口等地的悬沙运动观测研究中去； Land[7]等用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）的声波背向散射强度测量估测悬沙浓度，取得了良好的效果；Holdaway[8]等比较了 ADCP 与光学透射式浊度计的测量结果，认为 ADCP 已具备利用回声强度值与含沙量关系测量悬沙浓度的潜力；张锁平[9]等指出声学测沙的难点是对观测数据进行标定，并提出观测数据特征时刻的标定方法；杜军[10]等在对超声测沙仪的研究中，采用超声衰减法测量含沙量，并利用超声波双频测量含沙平均粒径修正含沙量可有效提高测量精度。

2 比热容测沙仪的研究探讨

2.1 原理分析

物理学上，比热容是指单位质量的物体升高或降低 1℃ 所吸收或放出的热量，是表征物体吸放热的能力的物理量。由于单位质量的沙和水比热容相差很大，使得一定体积下，含沙水的比热容相对于纯水会发生变化，而这种变化又可以通过电路加热时间反映，从而计算出含沙水的比热，再计算出水体含沙量。同时水体含沙量越大，比热容的差异就越明显，测量精度和范围就会相应提高。

2.2 仪器测量内输曲线测定

对于比热容测沙仪而言，需要事先将浑水比热随含沙量变化的关系在仪器内部输入，为此在 15℃温度试验条件下采用 0.015 mm 粉煤灰水溶液测定比热容—含沙量关系曲线，测定完毕后将其输入仪器处理系统。

2.2.1 试验条件

试验沙洋为中值粒径 0.015 mm 的粉煤灰，试验水样为初始温度接近 15℃ 的普通清水。试验时对每组溶液分别量取 100 mL 的液体体积加入到测量仪器中进行试验，实验水样的配置情况如表 1 所示。

表1 0.015 mm 中值粒径粉煤灰水溶液配制情况

2.2.2 数据处理

测定内输曲线是由 2 个依据物理标准自行改装设计的量热器完成的，同时也利用自行设计的电路连接成需要的实验设备。量热器实际上就是 1 个保热性能较好的加热装置，可以利用电阻丝对内部桶装液体加热，利用升高的温度、加热的时间、电阻阻值、额定电压等参数进行比热的计算，从而得出液体比热关系的相关结论，具体如表 2 所示。

表2 在 15℃ 温度下 0.015 mm 粉煤灰水溶液 泥沙含量与比热容的关系

以测得含沙水比热值的倒数为纵坐标，以对应含沙量为横坐标，尝试拟合出两者的关系，如图 1 所示。从图 1 可以看出两者线性相关度较强，因此得出含沙水含沙量与比热值的关系公式：

式中：Chun为含沙水比热值，J/(kg·K)；γms为质量含沙量，kg/m3。将式（1）函数关系以一定算法内输进仪器处理系统，作为处理系统得出含沙量结论的关系公式。

图1 比热值的倒数与浑水质量含沙量的关系

2.2.3 零点误差校正

利用得出的关系曲线公式（1）计算出质量含沙量为零点时的计算比热值，作为仪器测得的实验条件下的纯水比热容 CW：

已知在 1 个标准大气压下，温度为 15℃ 时纯水的比热为 4 187 J/(kg·K)，则本装置测量误差 α 为

测出的纯水比热值偏大，是由于测量过程中的系统散热造成的；由于系统达不到绝对密封，故必定有部分热量与空气交换而丧失，计算使用的电功较含沙水实际吸收的热量偏大，故最后结果略偏大，在使用时可以对内输曲线进行适当修正，修正后的计算比热值 Chun′ 计算公式如下：

2.3 逻辑功能部件设计

初步设计的比热容测沙仪的逻辑结构功能部件主要分为显示和实时采样 2 部分。

控制显示部分主要起控制显示作用，内核是基于比热容—含沙量关系的输入输出表，再依据相应的测量值，如温度、时间、电压、电流等计算出测点的含沙量。

实时采样部分主要由控制伸缩和采样容器 2 部分组成，控制伸缩部分起控制仪器采样器在水中升降到指定水深位置处的作用；采样容器又分具体采样、实时加热、温度测量、计算数据传递等部分，其中采样部分负责在水中具体某点处封闭一定待加热水样，实时加热部分负责提供稳定的加热功率给水体升温，温度测量部分负责测量相应温度变化，数据传递部分负责传递前述的测量参量给控制显示部分。由控制显示部分接收相应数据计算显示最后结论。

实际使用中，将实时采样部分迅速放入水体相应测点位置，相应部件达到稳定状态后，由其中的实时加热部分进行加热，加热一定时间后由温度测量部分测量加热前后的温度，并将数据通过数据传递部分传给控制显示部分，所有操作包括加热时间的计量均由控制显示部分控制，所有数据在控制显示器内按照规定程序通过运算，最终输出泥沙溶液的含沙量。

3 结语

目前国内外泥沙测验仪器仍然以器测法为主。尽管积时取样器已有近 30 年的推广历程，但是当前测量站网仍然有大批的横式和瓶式采样器继续使用。因此对于器测法的发展趋势，一方面室内处理手续会因为计算机的深入使用而继续简化；另一方面，无论从技术还是管理上，克服一些影响积时采样器推广的不利因素的深入研究也会继续。

物理测沙法的研究将是今后水体悬沙测量的重点方向。但是由于浑水体系的不均匀性，泥沙粒径大小的不均匀性等因素，多种变量存在的现实干扰使得物理测沙的可靠性面临问题。因此实现物理测沙仪在工业规格上的统一化、标准化将成为工程技术人员的主要努力方向。

在 15℃ 实验条件下测定含沙水质量与比热容的关系，在室内试验测量范围为 10～1 000 kg/m3时，含沙量与比热的倒数值呈良好的线性关系。实际从原理来看，含沙量越高，含沙水与纯水在比热容上的差异越明显，故本仪器从理论意义上在高含沙量的测量条件下有一定的应用前景。但是由于仪器分辨率的问题，本仪器在低含沙量情况下测量精度上仍需进一步提高。

[1] 熊贵枢，龙毓骞，李兆南. 近十年来泥沙测验技术的进展[C]//江河泥沙测量文集，郑州：黄河水利出版社，2000: 21-38.

[2] 雷廷武，赵军，袁建平，等. 伽玛射线测量径流泥沙含量算法中质量吸收系数优选，及其对测量误差影响的分析[J]. 农业工程学报，2003, 19 (1): 51-53.

[3] 牛占，周延年，赖世熹. 物理测沙技术的适用性研究[C]// 江河泥沙测量文集，郑州：黄河水利出版社，2000: 48-58.

[4] Howard R.Gordon. Removal of atmospheric effeets from satellite imagery of the oeean[J]. Applied Opties, 1978,17(10):1631-1636.

[5] 李四海，唐军武，恽才兴，等. 河口悬浮泥沙浓度 SeaWiFS 遥感定量模式研究[J]. 海洋学报，2002, 24 (2): 51-52.

[6] 方圣辉，张加晋. 不同泥沙含量水体光谱特性分析[J]. 测绘信息与工程，2007, 32 (6): 47-49.

[7] LAND J M, KIRBY R, MASSEY J B. Developments in the combined use of acoustic Doppler current profilers and profiling siltmeers for suspended solids monitoring[M]//Burt N, Parker R,Watts J,ed. Cohesive Sediments. New York: John Wiley & Sons, 1997: 187-196.

[8] HOLDAWAY G P, THORNE P D, FLATT D, et al. Comparison between ADCP and transmissometer measurements of suspended sedment concentration[J]. Continental Shelf Research, 1999 (19): 421-441.

[9] 张锁平. 子波变换在声散射信号降噪处理中的应用[J]. 海洋技术，2001 (2): 2-6.

[10] 杜 军，张石娃，金广峰. 超声测沙仪研究[J]. 气象水文海洋仪器，2006 (4): 38-42.