动态图像仪与激光粒度仪的测试对比及其应用

罗 章，陈沈良*，张国安，蔡 斌

（1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2.德国莱驰科技，上海 201204）

动态图像仪与激光粒度仪的测试对比及其应用

罗 章1，陈沈良1*，张国安1，蔡 斌2

（1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2.德国莱驰科技，上海 201204）

分别采用Camsizer XT型动态图像仪和LS 13 320型激光粒度仪进行长江口沉积物粒度测试，并对测试结果进行分析比对。动态数字图像仪的测量结果重复性比激光粒度仪好，其测得的等效球径（Xarea）和激光法测量值更接近，且比投影宽度（Xcmin）和激光法测量值更稳定。两种方法粒度测量结果基本一致，粒度参数相关性好；动态图像法在大颗粒测量上更准确，而激光法在亚微米颗粒测量上更具优势；动态图像法的测量结果具有更丰富准确的粒度和粒形数据，并且测量时间短、效率高。以崇明东滩南北近岸为例，将动态数字图像法应用于沉积物分析，结果表明：北部以细粉砂和极细粉砂为主，滩地略淤积，南部则以细砂和粗粉砂为主，滩地微侵蚀；北部沉积物分选性比南部好，峰度值比南部大，偏度值差别不大，大多表现为极正偏；向外沉积物颗粒变粗，球形度和宽长比变好，且南部的球形度和宽长比的变幅比北部大。

动态图像法；激光粒度仪；沉积物；粒度分析；崇明东滩

沉积物粒度分析是海洋沉积动力学研究的必要手段[1-4]，它对解释沉积物来源、判断沉积环境和水动力条件具有重要意义。长期以来，学者们采用筛析法、沉降法以及激光粒度仪等来度量沉积物的粒径，这些方法往往能够有效地得到准确的粒度值，但在测量效率和颗粒形态分析上还有不足[5]。动态图像仪是基于动态数字图像分析技术的粒度粒形分析方法[6]，可有效地解决不规则沉积物颗粒的形态分析难题[7]。在国际上，已有众多学者对其进行了研究应用，其中在海洋地质领域也有诸多应用[8-11]。本文选取长江口外及崇明东滩若干沉积物样品，采用动态图像仪和激光粒度仪分别进行测试并对比，然后利用动态图像法的测试结果，分析崇明东滩南北近岸的沉积动力环境。

1 测量原理及操作

1.1 激光粒度仪

激光粒度仪是基于激光和样品颗粒相互作用，利用光散射原理测量悬浮液体中的粒度分布[12-14]。本文研究采用美国Coulter公司生产的LS 13 320型激光粒度仪，该粒度仪是按照ISO 13320-1设计，主要部件包括测量系统、注水系统、分散系统和运算软件系统。测试时，将预处理过的样品放入样品槽，经仪器超声波和水泵循环分散成悬浮液后即可测量；其测量范围是20 nm～2 000 μm。

1.2 动态数字图像仪

动态图像仪是按照IOS13322-2标准，基于动态数字成像技术研制的粒度粒形分析仪。测试时将分散后样品进入测试腔，被CCD镜头实时捕捉，然后通过图像数字化分析得到颗粒的粒度和形态信息。本文采用的是德国Retsch Technology（莱驰科技）公司生产的Camsizer XT粒度粒形分析仪的湿法模块，该仪器拥有双CCD成像技术专利。样品的前处理方法和激光粒度仪前处理一样，测试时将分散后的悬浮样品放入测试槽，待样品在测试系统中循环均匀后开始测量；其测量范围是1～30 000 μm。测量时，数字分析系统将镜头捕捉到的颗粒信息进行分析，得到不同定义的粒度和颗粒形态信息[7]；主要包括投影宽度（Xc）、等效球径（Xarea）、弗雷特长度（XFe）以及定向等分径（XMa）等粒度信息和球形度、宽长比、对称性以及凹凸性等形态信息。Xarea指的是与投影面积相等的球形直径，Xcmin是沿投影面所有测量方向上的最大弦的最小值。本文分别采用Xcmin和Xarea与激光粒度仪测量数据进行对比分析，探究其异同。

2 样品采集与处理

图1 长江河口及沉积物取样位置

样品在测试前都必须经过预处理[15]，首先取沉积物样品置于玻璃杯中，加纯净水和0.5 mol/L的六偏磷酸钠（[NaPO3]6）溶液浸泡24 h，每隔8 h轻轻搅拌1次，使其充分分散；然后加10%盐酸煮沸，加入纯水，静置一夜后抽掉纯水，反复清洗至除去酸离子为止；最后将样品用超声振荡仪振荡30 min，使其充分分散成悬浮液后倒入样品测试槽。

3 测量数据及实验结果

3.1 测量结果的重复性

重复性是指在短时间内同一操作人员在正确操作下使用同样的方法在同一实验室内用同一仪器对相同样品做多个单次测试，所得测试结果之间的重合程度。重复性是反映仪器精密度和性能的一项重要指标。本次重复性实验采用崇明东滩北部的一个沉积物样品，分别用激光粒度仪和动态图像仪做10次测量（表1）。

表1 LS 13 320和Camsizer XT重复性测试结果

统计结果显示，激光法与动态图像法的Xcmin值相比：D10的平均值约小3 μm，中值粒径（D50）和平均粒径（Mz）的平均值约大3 μm，D90的平均值约大15 μm，分选系数（σI）的平均值约大0.7，偏度（SKI）的平均值约大0.15，峰度（KG）的平均值约大0.1；激光法与动态图像法的Xarea值相比：D10的平均值小3.8 μm左右，D90的平均值大5 μm左右，分选系数的平均值大0.6左右，偏度的平均值大0.2左右，峰度的平均值大0.1左右，D50和Mz的平均值二者相当。由标准偏差可以看出，三者的标准偏差都很小，三组数据都呈现出D90的标准偏差值最大，Mz和D50次之的特点。通过总体比较可以得出，激光法的标准偏差最大，Xcmin次之，Xarea最小。从相对标准方差（RSD）来看，三组数据中偏度的RSD值最大（> 1.2%），D90、峰度和Mz次之；总体而言，激光法的相对标准偏差最大，Xcmin次之，Xarea最小。

从三组重复性测试结果来看，动态图像法的数据值更稳定，重复性更好；其中Xarea值较Xcmin稳定，其各项参数和激光粒度仪的参数值更接近。

3.2 测量结果的比较

3.2.1 两种方法粒度参数对比 沉积物粒度参数是反映粒径分布的统计参数，表征粒度特性的重要数据，判断沉积物来源、沉积环境和水动力条件的重要依据，在沉积物分析中具有重要意义。粒度参数计算方法主要有图解法和矩法两种[16]。本文采用图解法中的Folk-Ward公式[17]来计算，分别将计算得的激光法和动态图像法（Xcmin，Xarea）的粒度参数进行对比（图2）。

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图2 动态图像仪与激光粒度仪测得的粒度参数比较

图2中左图比较了激光法和动态图像法Xcmin测量值计算的D50，MZ，σI，SKI和KG这5个粒度参数。可以看出，两种方法测得的粒度参数值大小接近，变化趋势一致；激光法测得的结果所计算的5个参数值均不同程度地比动态图像法的Xcmin偏大，σI和SKI的差值比其他参数更明显。究其原因主要是：激光粒度仪测得的颗粒粒径相当于相同衍射角的球体的直径[5]，对于不规则的颗粒来讲，截面积的平均值要大于相同体积的球体[18]，所以激光粒度仪测得的不规则颗粒粒径值大于等效球径；而动态数字图像仪的Xcmin是指沿投影面所有测量方向上的最大弦的最小值，其数值比等效球径小[7]。因此，对于不规则颗粒的粒径测量，激光法测量的粒径和动态图像法的Xcmin之间有着不同定义原理上的差别，也就造成了激光粒度仪测得数据计算出的平均粒径比Xcmin的值偏大。

图2中右图是激光法和动态图像法Xarea测量值计算的5个参数的对比图，图中动态图像法测得Xarea的D50和MZ比激光法偏大，σI和SKI比激光法偏小，KG值二者交叉的特点。其主要原因主要是：二者量程不同，激光粒度仪的量程是0.2～2 000 μm，动态图像仪的量程是1～30 000 μm，动态图像仪测量的最小粒径比激光粒度仪大，样品中有一小部分亚微米颗粒测量不到，而激光粒度仪可以测量，因而动态图像法测得的D50和MZ相对较粗[5]；由于量程差异造成了激光粒度仪粒度频率累积曲线小粒径部分相对动态图像仪会左偏，大粒径部分右偏，即两条曲线相交（见图3）。所以结合图3，从Folk-Ward粒度参数计算公式[17]中就可以判断出激光法的分选系数和偏度一定会比动态图像法要大，而峰度值的大小不确定就会出现相互交叉的特点。

图3 Camsizer XT和LS 13 320测得的体积级配曲线对比

3.2.2 相关性分析 对激光法和动态图像法的Xcmin和Xarea分别进行回归分析（图4）。两种方法测得的中值粒径和平均粒径都有很好的相关性，Xcmin和激光粒度仪的D50与Mz的相关系数分别为0.978 3和0.925 3，Xarea和激光粒度仪的D50与Mz的相关系数分别为0.984 4和0.927 2。

从图4可以看出，图像法测得的Xarea与激光法测得的粒度相关性更好，原因是两者测量不规则颗粒粒径的原理较类似，都是按照等效球径来定义粒径的；而图像法测得的Xcmin是投影宽度，理论上会比Xarea偏小。但Xarea与激光法测得的粒径仍有一定的偏差，主要是存在操作误差、实验器材误差、实验的样本量以及量程不同等原因。另外，根据实验结果，两种方法测定的分选系数、偏度和峰度的相关性都很好，相关系数都在0.7以上，峰度的相关系数最好，达0.89以上。但总体来说，激光粒度仪与Xarea的相关系数比激光粒度仪与Xcmin的值大。

图4 动态图像仪和激光粒度仪测得中值和平均粒径的相关性分析

3.3 优缺点及误差分析

激光粒度仪已使用了20多年，具有操作简单、重复性好以及测量精度高的特点；动态数字图像法是近年来研发的一种粒度粒形分析测量方法，和激光粒度仪在测量原理上有本质区别。相对激光粒度仪来讲，动态图像仪在不规则颗粒量化上更加完善和细致。

两种方法的功能参数对比显示（表2）：（1）动态图像法在大颗粒测量上更准确，而激光法在亚微米颗粒测量上更具优势；（2）动态图像法是针对不规则颗粒本身的量化，激光法是对相同衍射角球体的量化，因此动态图像法具有更加准确的粒度和丰富的形态数据；（3）动态图像法的测量时间更短，效率更高。

从表1可以看出，动态图像法重复性测试的数据更稳定，说明此方法准确度更高；二者在样品前处理上一致，因此取样误差和操作误差基本相同；在测量误差上，由于沉积物颗粒是不规则的，激光法将每个不规则颗粒都量化成相同衍射角的球体，而动态图像法则是直接量化不规则颗粒本身，因此理论上动态图像法的测量误差比激光法要小。

表2 动态图像法和激光法对比

目前，海洋地质领域常用的粒度测量方法有筛分法、沉降法、激光法以及动态图像法等。筛分法和沉降法是经典的粒度测量方法，准确度高，并一直沿用至今，但其测量时间长、效率低。随着科技的发展，新的测量方法和仪器不断涌现，这些仪器具有准确度高、操作简单和效率高的特点。尽管不同方法和仪器的测量结果有所差异，但一般认为新的粒度分析方法和仪器优于传统方法[19]。因此在进行科学研究时，最重要的是了解各种分析方法的优点和不足，充分利用各自的优点，以更准确地分析和利用沉积物的测试结果。

4 崇明东滩南北近岸沉积物分析

沉积物的粒度和形态特征受到沉积物来源、水动力条件以及海岸类型等因素的影响，其中水动力环境直接影响粒度和形态的分布[20]。反之，沉积物的粒度和形态分布特征也可反映不同位置水动力环境的强弱。以下以崇明东滩南北近岸为例，采用Camsizer XT型动态图像仪测量数据，分析粒度和粒形分布特征及其反映的水动力强弱和沉积物来源。

4.1 表层沉积物中值粒径、球形度、宽长比及对称度分布特性

崇明东滩北部受径流和波浪作用较小，潮流是对沉积物作用的主要动力条件[20-22]。根据实验结果，沉积物以细粉砂为主，其次是极细粉砂和粗粘土。各断面由1号点向3号点（图5），沉积物球形度和宽长比变大，对称度基本不变，沉积物颗粒总体变粗，这与徐志明[21]得出的潮滩到岸外粒度增大的结论一致，也与McLaren[23]指出的随着水流能量降低，沉积物在搬运方向上的粒度会越来越细的理论相符。从图中还能看出，球形度、宽长比与中值粒径的大小趋势一致，从近岸向外沉积物颗粒球形度和宽长比越来越好，呈现正相关的关系；从近岸向外沉积物颗粒的对称度基本不变。

崇明东滩南部近岸靠近长江口北港，沉积物来源丰富[21]，受到强烈的涨落潮的影响，滩面出现沙波[22,24]，沉积物主要以粗粉砂和细砂为主，其次是细粉砂。从图5可以看出，各断面1号到3号点，沉积物中值粒径逐渐变大，球形度和宽长比也逐渐变大，而且球形度和宽长比的变化幅度比东滩北部大。

总体来讲，北部近岸受到的径流和潮流作用较弱，沉积物粒度较细，球形度和宽长比相对稳定，且日益淤浅；而南部近岸径潮流作用较强，沉积物粒度大，球形度和宽长比的差值较大，滩地微侵蚀。

图5 各采样点的中值粒径、球形度、对称度和宽长比对比

4.2 频率曲线、分选系数、偏度和峰度

崇明东滩北部沉积物的频率曲线大多呈单众数分布，少量双众数分布，但南部基本呈双众数曲线，且存在多众数曲线。这主要是由于南部潮沟内部强烈的双向流作用，即涨潮水流在口门处掀起的物质与北港落潮流带出的物质混合沉积造成的[21]。崇明东滩北部沉积物的分选系数在0.9～1.3之间，南部分选系数在1.2～1.9之间，分选系数北部好于南部。分选系数是沉积物搬运方向的有效指示[22-23]，也说明北部水动力作用较弱，颗粒较细，南部则相反。北部沉积物粒度的峰度值在0.7～1.1之间，南部在0.6～0.9之间，峰度值北部大于南部。整个崇明东滩近岸沉积物的偏度除少数点出现微负偏外，偏度值一般在0.3～0.7之间，属于极正偏。

综上所述，动态图像法可获取沉积物的粒度和粒形参数，这为沉积物输运和沉积动力环境分析提供更丰富的信息和有效的手段。

5 结论

分别采用动态图像仪和激光粒度仪对长江口沉积物粒度进行了测试和比较，并将动态图像仪的测量结果应用于崇明东滩南北近岸的沉积动力环境分析，得到以下认识：

（1）动态图像仪的测试结果重复性很好，单样测量的稳定性较激光粒度仪好；动态图像法中Xarea值比Xcmin值更稳定，且Xarea值和激光法的值更接近。两者方法测量的结果基本一致，粒度参数相关性很好。激光法测得的分选系数和偏度比动态图像法偏大，D50和平均粒径比Xcmin值偏大，比Xarea值偏小，峰度值二者相互交叉。激光法在亚微米颗粒测量上更具优势，而动态图像法则在大颗粒测量上更准确，测量结果具有更准确的粒度和丰富的粒形数据，并且测量时间更短，效率更高。

（2）崇明东滩南部受到强劲的涨落潮和径流作用，以细砂和粗粉砂为主，滩地微侵蚀；北部潮滩动力条件较弱，以极细粉砂和细粉砂为主，滩地略淤浅。东滩北部沉积物分选性比南部好，峰度值较南部大，偏度值差别不大，大多表现为极正偏；向外沉积物颗粒变粗，球形度变好，宽长比变大，且南部球形度的变化幅度比北部大。

（3）本次实验测试的均为长江口细颗粒沉积物，中值粒径在10～100 μm之间。研究表明，动态图像法和激光法在粒度测量上可以相互替换，而且各有优缺点；动态图像法在不规则颗粒的粒度和形态量化分析上比激光法更精准，具有更高的科研价值。

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Comparison and Application of the Dynamic Image Analyzer with Laser Particle Size Analyzer

LUO Zhang1,CHEN Shen-liang1,ZHANG Guo-an1,CAI Bin2
1.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research,East China Normal University,Shanghai 200062,China; 2.Retsch Technology,Shanghai 201204,China

In this paper,samples of sediment taken from the Yangtze Estuary have been measured by dynamic image analyzer Camsizer XT and laser particle analyzer LS 13 320,and the results obtained from the two methods have been compared and analyzed respectively.Two testing methods were adopted to test the reproducibility,and the results show that the variability of statistical parameters of the dynamic image analysis is lower than that of the laser particle size analysis.It also shows that the reproducibility of results from Camsizer XT is more satisfactory.In the present study,the Xareaobtained from the dynamic image analysis is closer to the results of the laser particle size analysis,and is more stable than the Xcminand the results of laser particle size analysis.The two methods have acquired almost the same measurement results of particle size,and the relevance of the particle size parameters is rather good,and the measurement results of large particles through dynamic image analysis are more accurate than those of the other method.In addition,the laser method is superior to the dynamic image analysis method in the measurement of submicron particles.The measurement results of the dynamic image analysis method are more abundant and accurate in particle size and shape than those of the laser method,and the dynamic image analysis method can achieve higher efficiency than the laser method.The grain size analysis of sediment samples in the north and south nearshore of Chongming Dongtan shows that the composition of sediment in the north is coarse clay and fine silt,while in the south is coarse silt and fine sand.There is slight siltation in the north Chongming Dongtan,while,on the contrary,the south has been slightly eroded.The sediments in the northern part have better sorting and higher kurtosis than in the south, while the skewness is approximate to each other,and the sediments in both north and south show positive skewness. As for the outward sediments,the grain size is becoming coarser and the sphericity and the symmetry are becoming better.Furthermore,the variation of sphericity and symmetry in the south was larger than that in the north.

dynamic image analysis;laser particle size analyzer;sediment;grain size analysis;Chongming Dongtan

P736.21

A

1003-2029（2017）02-0046-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.008

2016-05-26

科技部基础性工作专项资助项目（2013FY112000）；海洋公益性行业科研专项经费资助项目（201405037）

罗章（1990-），男，硕士研究生，主要从事港口海岸及近海工程研究。E-mail:51142601034@ecnu.cn

陈沈良，男，博士，教授，主要从事河口海岸学研究。E-mail:slchen@sklec.ecnu.edu.cn