基于物理学原理的悬沙含量测量方法新进展

刘冬雪，赵丹茹

(浙江省河海测绘院，浙江 杭州 310008)

1 问题的提出

河口输沙量和泥沙运动规律的研究直接关系到正确估算水土流失、航道港口的冲淤变化、河口岸滩塑造、近岸水产养殖开发和军事海洋等重要问题［1］。而我国境内的大江大河经过多级水利工程开发之后，流域植被覆盖逐年减少，再加上近年气候变化与极端天气频现，使得河流水文呈现波动与变化的趋势，也使得河流泥沙研究越来越重要［2］。长期以来，研究人员一直积极探索含沙量测量的准确方法和新型仪器，国内外学者一方面努力从光学、声学和其他物理学方向探索测量悬浮泥沙的技术;另一方面不断对已有的技术进行改进，提高其测量范围和测量精度［3］。虽然目前测量含沙量的方法较多，但由于其适用范围、精度和影响因素等方面的限制，一些方法还需进一步研究和验证，因此能在实际测量中可采用的方法并不多。本文对基于物理学原理的悬沙含量测量方法的特点、研究进展及影响因素进行分析，阐述其目前的理论研究成果和实际应用能力，为现有测量方法的应用研究提供一定的思路，也为测量人员在不同水体环境中选择合适的测量方法提供参考。

2 悬沙含量的测量方法概述

目前，悬浮泥沙含量的测量方法较多，根据测量原理的不同可分为:直接测量方法和间接测量方法［4］。

直接测量方法包括重量法和比重法，此2种方法也是传统方法。其中重量法虽然操作过程繁杂，效率低，不便于对泥沙含量变化过程进行连续、实时监测，但由于其准确度高，在实际测量中仍有广泛的应用;与重量法相比，比重法所用设备简单，测量方法更快更直接，但由于其测量精度比重量法低，目前实际应用相对较少。间接测量法主要是利用物理学原理进行测量的方法，涵盖了光、电、声、热及核子性质，目前研究较多的有OBS法、电导率法、γ射线法、比热容法、振动法和激光法等。

3 基于物理学原理的悬沙含量测量方法分析

3.1 OBS法

OBS(Optical Back Scattering)是通过接收红外辐射光散射量观测悬浮颗粒，建立水体浊度与实测悬沙浓度之间的相关关系，并进行浊度转化，从而得到OBS观测的悬沙浓度。用OBS来测量水体泥沙含量，其最主要的优点是操作简单，能够快速、实时、连续测量，且基本不受天气条件的制约［5-6］。由于OBS-3A浊度计配有CTD传感器，所以在测泥沙浓度的同时也能采集到该点的温度、盐度和深度的实时同步测量数据［7］，大大简化了测量步骤，提高了测量效率，降低了测量成本。由于OBS受测量环境变化的影响比较显著，有很多因素影响其输出值，其中包括盐度、泥沙粒径、泥沙颜色和泥沙含量等，因此，在条件允许的情况下应尽量避免室内标定，而采用现场标定，并将所得曲线进行分段拟合，这样能减少标定误差，以得到更准确的结果。目前，这种方法已广泛应用于悬沙浓度变化观测研究中［8-10］，如长江口、深圳河口以及钱塘江等，主要用来确定水体浊度变化的影响因素、泥沙的沉积速率以及泥沙输运通量等与水体含沙量相关的研究。

3.2 电导率法

戴茜等［11-12］对电导率法测定悬浮泥沙含量进行了相关研究，通过测量不同悬浮泥沙含量水体的电导率值，初步建立起电导率与泥沙含量之间的关系，发现混合水体的电导率与泥沙含量之间存在较好的负线性关系，并在此基础上，通过大量的比对试验及对试验数据进行分析，初步建立在较大的温度、盐度和粒度变化范围内，悬浮泥沙含量与电导率之间的基本关系。研究发现:影响电导率与泥沙含量关系的因素中，盐度最大，温度次之，而粒度的影响很小，可以忽略不计。由于上述因素的影响，使电导率测沙法的适用条件受到一定限制，目前尚处在理论研究阶段。

3.3 γ射线法

γ射线在含沙水溶液中发生康普敦—吴有训效应，其透射强度服从指数衰减规律，衰减的快慢程度与被测水体的含沙量有关，因此，可以利用γ射线衰减与水体中泥沙含量的关系推求泥沙含量［13］。但由于γ射线辐射源可能会造成环境污染，使工作人员受到辐射伤害，故黄洪生等选用铯137作为辐射源，其半衰期为30～31a，强度为1mCi，从而克服辐射过强的问题［14］。雷廷武等［15-17］对 γ射线测量含沙量的方法及算法进行研究，并研制出径流含沙量与流量测量系统，能够实时监测泥沙含量的连续变化过程，测量简便、准确度较高，并且不受泥沙粒度的影响，但在实现动态测量方面还存在一定的局限性。

3.4 比热容法

比热容法是一种新型的测沙方法，该方法利用改制的比热容测量仪测定不同含沙量水体的比热容，建立含沙量与比热容之间的相互关系，进而通过测量浑水的比热容确定水体含沙量。张帆一等［18-19］对此方法进行研究发现水体中的泥沙浓度与比热容呈显著的负线性关系，本测法对低含沙量水体的测量结果有较大误差，而在高含沙量水体中的测量结果可靠，故比热容法提出了一种对于高含沙量水体的较为精确且快速的测量方法，对可快速测量含沙量的光电、声学测法的缺陷即不易测准高含沙量水样的含沙量进行了补充。由于比热容测量精度与测量速度直接影响浑水含沙量测量的效果，因此，设计高精度、快速测量的比热容仪器是基于热力学原理测量含沙量的关键。目前，此方法仍在研究论证阶段，尚未投入实际应用。

3.5 振动法

振动法是利用振动学原理，根据谐振棒在不同含沙量的泥水中的振动周期不同来推求含沙量。王智进等［20-21］对振动式悬移质测沙仪器的关键技术进行了研究，并对仪器应用进行了大量的试验。2003年09月，该仪器在黄河小浪底水库的防洪预泄工作中进行了初试应用，结果表明:振动式悬移质测沙仪能够快速、准确地监测和记录含沙量的实时变化，测量范围大，受泥沙粒径变化影响小，长时间工作稳定性较好，并提供了数据采集与传输的智能接口，便于数据远程传输，为实现水文测量数字化打下了基础。

3.6 激光法

激光测沙法是基于激光衍射的原理，将测得的水中悬浮物质的体积分布转换为重量分布来测量含沙量。赵昕等［22-23］在对激光法的试验与研究中，探索出了激光类测沙仪应用于长江泥沙测验的一套完整的操作方案，数据处理模式与方法以及测沙适应范围，并编制了相应的技术文件与数据后处理软件。杜耀东［24］等对含沙量的推算方法进行了改进，使用多元线性回归法计算出含沙量，有效地增加了结果的精确性和稳定性，但由于天然河流的复杂性，其应用有一定局限性，比如涨水过程中采集到的测量数据分布较乱，有待进一步研究。此外，体积浓度与重量含沙量之间的转换方法仍需要改进。现场激光粒度分析仪 (ISST-100X)可以同时测量含沙量、颗分级配、水深、水温、光透度、光的衰减等，长江水利委员会水文局目前已引进多台现场激光粒度分析仪，并建立了三峡泥沙报汛系统，测站将数据输入自动报汛系统，通过超短波、电话、卫星等信道进行数据传输。该系统的建立为泥沙的现场监测和自动报汛提供了发展思路和研究参考。

4 结语

综上所述，泥沙含量的直接测量方法操作简单，测量结果较准确，其中传统的重量法仍是目前使用最普遍的测量方法，但其无法连续、实时监测泥沙浓度的变化过程。目前，在对港口和航道冲淤动态过程的研究中，现场快速、实时、准确地测量水体含沙量十分重要。为此，对基于物理学原理的间接测量法的研究越来越多，如光学方法中OBS能够实现动态测量且已得到广泛应用，但是影响其输出值的因素较多，故现场标定的准确性尤为重要;γ射线法能够较好地实现现场含沙量的测量，方法快捷、简便、准确可靠，但在实现动态测量方面还存在一定的局限性;振动法测量含沙量范围大，受泥沙粒径变化影响小，长期稳定性好，但需进一步的应用来验证其适用性;激光类测沙仪已经在长江三峡的泥沙报汛系统中得到应用，但由于其原理是将测得的水中悬浮物质的体积分布转换为重量分布，故将体积浓度转换成重量含沙量的方法直接关系到数据的精度，需要进一步研究和完善;电导率法和比热容法仍处于理论研究阶段，无论是准确性还是测量范围都有待于进一步提高。此外，悬沙仪和测量海洋动力要素的仪器组合成一个测量系统，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是非常必要的。

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