关于同位素测沙仪及率定规范(团标)的讨论

赵新生

(黄河水利委员会水文局，河南 郑州 450004)

悬移质泥沙测验仪器分为采样器和测沙仪。资料显示，目前国际泥沙测验仪器仍然以器测法为主。基于不同原理的测沙仪有多种，其中同位素测沙仪具有迅速、测量范围广，并能连续监测水体含沙量变化等优势。但同位素测沙仪在20世纪末一度“销声匿迹”，直至目前仍未被很好应用，原因之一是仪器率定即工作曲线的建立，缺少适当标准进行规范。为推动现代测沙技术发展，保障同位素测沙仪高效应用，亟需制定《同位素测沙仪率定规范》团体标准(以下简称“同位素测沙团标”)。

1 含沙量现代测量方法

烘干称重和比重瓶法，是传统的含沙量测量方法。要经过体积量取、沙样沉淀、过滤、烘干和天平称重等步骤，费时费力。

由于传统测量方法的局限性，为适应水利工程建设和试验研究的需要，实时、连续并全面地反映泥沙的空间分布和动态运动过程，是含沙量测量的难题，也是泥沙理论研究与实践的重要内容之一[1-3]。

为了计算河流输沙量和及时预报洪水沙情，需要有一个准确、快速和连续测量含沙量的方法。多年来，水文泥沙部门及大专院校和科研机构一直积极探索含沙量的现代测量方法，并进行了一些应用试验，积累了许多成功的经验，取得了一定的进展。先后提出了诸如电导法、电容法、振动法、光电法、激光法、超声法、γ射线法、红外线法和B超成像法等[4-6]。研发了多种实时在线监测含沙量的设备，这些监测设备主要有同位素测沙仪、声学测沙仪、光学测沙仪、振动式测沙仪等。

2 同位素测沙仪研发应用回顾

同位素测沙仪(isotope silt meter)是根据射线减弱程度随吸收体厚度按指数规律衰减的原理制作而成的[7]。

早在20世纪60年代，我国就开始研究同位素测沙。最初利用γ射线源，如Cs137和Co60等。后来采用低能X(γ)射线源，如Am241、Cd109和Pu238等。黄河水利委员会水科所(以下简称“黄科所”)与中国原子能科学院、上海原子核研究所、北京核仪器厂和营口电子仪器厂等单位协作共同研制出FH422型γ-γ含沙量计、FT-1型闪烁式低含沙量计、ATX5-1型X射线正比管含沙量计，还有清华大学联合原长江流域规划办公室研制的双闪烁探测器的同位素低含沙量仪，南京水利科学研究院研制的γ射线高含沙量仪和同位素低含沙量仪等。

自20世纪60年代初开始至20世纪70年代，黄河水利委员会水利科学研究院(以下称“黄科院”)先后研制出以铯135为放射源的HF-422同位素含沙量计，及其以镅241为放射源的HF-42改进型，最小量程为3kg/m3；20世纪70年代末，黄科院、清华大学和长江水利委员会又研制出2种以镅241为放射源的同位素含沙量计，测量低含沙量最小量达1.0kg/m3左右。这些仪器先后投放到一些河流使用，其中黄河干流有10个水文站使用了10余年之久，有的测站使用效果很好，例如小浪底水文站于1971年用同位素含沙量计测得713kg/m3的高含沙量，20世纪80年代起黄河天桥水电站也开始使用同位素含沙量计进行泥沙测量。

1974年1月，黄委会在郑州举行同位素测沙仪鉴定会。鉴定结论是，当含沙量大于20kg/m3时，适用于该仪器施测[8]。1974年3月19日，《人民日报》报道，近年来，各地还研制出一批适合中国河流特性的水文新仪器，如低流速仪、同位素测沙仪、测流控制仪等，为进一步提高水文资料质量创造了条件。

3 制定“同位素测沙团标”的重要性

3.1 团标简介

《中华人民共和国标准化法》对标准的定义是，在农业、工业、服务业以及社会事业等领域需要统一的技术要求。包括国家标准、行业标准、地方标准、团体标准和企业标准。

团体标准，在2015年《深化标准化工作改革方案》中首次被提出，2018年1月实施的新《中华人民共和国标准化法》确定了其合法地位[9]。

3.2 测沙仪应用难题

我国利用核辐射研究含沙量的测量工作相对国外来说，取得的成果比较多。20世纪70—80年代，我国同位素测沙技术处在世界领先地位。1987年5月英国《水能与坝工》(Water Power & Dam Construction，May 1987)刊物上，介绍了我国“黄科所”最新研制的X射线正比管含沙量计的性能，认为“比世界上已有的仪表，测量精度高，测量范围大”。

20世纪70年代后，同位素测沙仪器在生产中应用较多。而20世纪90年代以前曾在一些站使用十多年之久的同位素测沙仪，没有坚持用下去，同位素测沙仪逐渐“销声匿迹”。

每隔一定时间需校正一次工作曲线，加上或因造价昂贵，或因测站维修困难，或因恐惧同位素放射性等，皆是未能推广和停用原因。

由于河流泥沙条件十分复杂，洪水水流体系对仪器的要求很高，以及传感器、电子技术水平的限制等原因，直到目前仍未制订出在线测沙的技术标准，包括测沙仪的率定标准。

3.3 标准规定

实际生产中，采用测沙仪实施测验时，应符合相关标准规定。也就是须符合GB/T 50159—2015[10]的要求：工作曲线稳定，校测方法简便，操作安全可靠，校测频次较少。测量精度与稳定性及可靠性，还要满足测站的实际需要。

国家标准GB/T15966—2017[11]和GB/T 13336—2007[12]对测沙仪的适用范围进行了规定，其中同位素测沙仪测量范围为0.5～1000 kg/m3，适用测点流速≤5m/s。

除了含沙量测量范围，测沙仪在使用之前和应用过程中，工作曲线需要事先和定期率定。工作曲线是测沙仪进行含沙量测量的主要依据。泥沙测量使用仪器前，应精确率定、建立工作模型。若仪器校测的系统误差不大于2%，原工作模型可继续使用[10]。否则，要重新率定工作曲线，并使用对应的新模型。

3.4 适应性检验

在多沙河流中，影响含沙量变化的因子众多，不仅与水流的紊动强度、颗粒的自身沉降、上游来沙量的大小、随水流的扩散能力有关，还与河道的边界条件、河道的冲淤变化、河床的组成等有关系。测沙仪适应性检验，例如传感器对水流扰动、水温、泥沙颗粒特征及化学特性等的影响，应能自行或人工设置校正，或能将误差控制在允许的范围内。凡此种种，都需要制定相应的技术标准和操作流程。

4 制定“同位素测沙团标”可行性讨论

4.1 法规条件

2019年初，《团体标准管理规定》发布。《团体标准管理规定》第13条规定：制定团体标准应以满足市场和创新需要为目标，聚焦新技术、新产业、新业态和新模式，填补标准空白。也就是说，团体标准应该发挥其灵活性，对市场变化和行业创新做出快速反映，要快速适应市场的需求，并要在新兴领域占得先机。

2020年7月，中国水利学会2020年第73号文件，发布《光学含沙量测量仪率定规范》团体标准。该团标规范了光学测沙仪率定实验方法、含沙量范围等关键技术指标，确保含沙量测量数据准确性，有力推动了含沙量测量技术的发展，也从一定层面佐证了测沙仪应用的重要性，以及制定率定规范的可行性。

《光学含沙量测量仪率定规范》，适用于光学测沙仪的率定，以建立仪器输出数据与水体含沙量的相关关系，即测沙仪的工作曲线。同位素测沙仪与光学测沙仪工作原理不同，适用条件也不同，对于率定通用性要求、率定方法、数据分析、率定结论等方面，都需要相应的指标和流程。

4.2 技术条件

计算机及现代通信技术的发展，使得一些影响测沙仪推广的不利因素逐步消除。同位素测沙实现了实时在线，不仅能得到观测值，还能得到资料的整编结果。

黄河水利委员会水文局研制的NUT-1型鲤鱼舰泥沙在线监测系统，基于C8051F350单片机和低能量源开发。2014年10月开始，在黄河潼关水文站对该系统进行了多次试验，包括同位素本底测试、清水温度曲线率定、室内水槽测沙、河道现场测沙及仪器辐射防护检测等项内容[13]。试验证明，该系统对含沙量变化具有良好的适应性：当含沙量小于3kg/m3，误差小于10%；含沙量大于等于3kg/m3时，误差不超过5%。2017—2018年，分别在黄河上游湟水民和水文站、中游潼关水文站、下游花园口水文站安装3处该类型泥沙监测系统，结果表明，该系统测量范围广、稳定性好、适应性较强。

在NUT-1型鲤鱼舰泥沙在线监测系统多年的实验中，相关单位经过总结，形成了较为完善的仪器率定流程，构建了数据分析模型，积累了解决实际问题的经验，为科学开展同位素测沙仪率定工作，奠定了坚实的工作基础。

5 结语

目前，含沙量测量方法与装置虽然较多，却缺乏测量范围广、稳定性好、精度高、操作简便的量测仪器。同位素测沙实现了实时在线，不仅能得到观测值，还能得到资料的整编结果，是一种具有良好实用前景的测沙仪器[14]。

泥沙测验和研究工作的高质量发展，需要科学的手段和技术规范作保障。测沙仪建立工作模型时，不但要考虑泥沙的颗粒形状、颗粒组成及化学特性等因素影响，还要注意水温尤其是高含沙河流的低温输沙效应及河道边界条件。同位素测沙仪的推广和应用，亟需制订技术标准，以规范率定实验方法、含沙量范围，确保含沙量测量数据准确性。制定“同位素测沙团标”很有必要而且可行。