国产YRCC.NKG-2800 激光粒度分析仪在汉中泥沙分析中的应用

宋品江，杨 晨，魏 铎

（汉中水文水资源勘测中心,陕西 汉中 723000）

1 基本情况

1.1 研究背景

河流泥沙颗粒分析作为水文重要的测验项目之一,主要是收集泥沙颗粒级配的断面分布和变化过程资料,为河道河床演变分析和水利工程设计、水库库容计算和防洪灌溉服务。汉中水文水资源勘测中心承担略阳、武侯镇（坝）、洋县（二）、马道四个水文站的泥沙颗粒分析任务,泥沙颗粒分析方法为移液管、筛吸相结合的分析方法。该方法作业时需四五人分工合作,样品从复称、打样、吸样到进电烘箱需要近6 小时以上,再经2 个工作日的烘干后,用标准分析筛分离称重,手工计算取得泥沙颗粒级配曲线成果。该方法操作过程繁琐、效率低、时效性差、自动化程度低、手工操作环节多、成果精度受人为因素影响,严重制约水文泥沙颗粒分析的发展,难以满足新形势下水文工作需求。而激光粒度分析仪是一种较先进的颗粒分析仪器,其出色的性能和智能化程度,已经在水文泥沙颗粒分析工作中得到大力推广使用。

1.2 激光粒度分析仪性能指标

近年来我省先后引进国外激光粒度分析仪用于泥沙颗粒分析工作,分析成果精度满足规范要求。但随着我国科技创新的提升,国产激光粒度分析技术已相对成熟,主要性能指标不逊于国外,在价格上、软件再开发及售后服务上更有优势。为改变传统的分析方式,对泥沙颗粒实施有效及时监测,汉中水文中心于2020 年引进了河南黄河水文科技有限公司生产的全自动YRCC.NKG-2800 激光粒度仪作适用性分析研究,同步开展泥沙颗粒对比分析。YRCC.NKG-2800 激光粒度仪性能指标：

（1）测试范围：0.02μm～2800μm。

（2）进样方式：自动循环分散系统。

（3）重复误差：≤0.5%（国家标样 D50 偏差）。

（4）样品用量：0.005 g/次～10 g/次。

（5）分散介质：水或其他合适液体。

（6）测试时间：1 min/次～3 min/次。

（7）光源：进口光纤激光器,波长35 nm,功率 3 MW。

（8）电源：AC220V50/60 Hz,主机功率：200 W。

（9）测试结果：累积粒度分布（数据和曲线）；区间粒度分布（数据和直方图）；中位径（D50）；平均径；比表面积等。

（10）数据传输方式：USB2.0 或 USB3.0 标准方式。

（11）操作系统：运行于 Windows 操作系统。

（12）打印机：各种激光打印机、喷墨打印机。

2 测试依据、基础参数设置

2.1 样品选用及测试依据

本次测试分析选取汉江洋县（二）站和嘉陵江略阳站2021 年63 个泥沙颗粒样品和2022 年47 个泥沙颗粒样品进行平行对比分析。样品选取原则：

（1）样品代表性好,不同粒径沙重百分数分布均匀；

（2）包括筛上及筛下部分,有利于全面进行对比分析；

（3）当沙重较小时,筛上部分沙重几乎为零,不利于两种方法进行对比分析。

测试分析严格执行《河流泥沙颗粒分析规程》（SL 42-2010）相关规定及《YRCC.NKG-2800 激光粒度颗分仪操作规程》。

2.2 参数设置

为确保新仪器的准确性,YRCC.NKG-2800 在出厂前已经用国标样品和工作标准样品经过严格的准确性标定,在现场安装调试,又经过安装工程师严格测试,率定出了适合长江流域河流泥沙颗粒级配特性的仪器参数,我中心目前承担泥沙颗粒分析任务的水文站均分布于长江流域,参数设置见表1。

表1 YRCC.NKG-2800 型激光粒度仪测量泥沙颗粒级配参数值表

3 平行对比测试情况

3.1 激光粒度仪测试分析

本次测试分析选取汉江洋县（二）站和嘉陵江略阳站共110 个泥沙颗粒样品进行激光粒度仪法和筛吸结合法平行对比分析,并进行了循环泵速为600 r/min、800 r/min、1200 r/min的测试,测试结果以粒度分布数据表、分布曲线、D10 、D50、D90、D99.99 等方式显示、打印和记录。

3.2 传统方法筛吸结合分析

筛吸结合法包括筛分法和吸管法,粒径0.062 mm 以上适用筛分法,粒径0.062 mm 以下适用吸管法,悬移质单样筛吸结合法处理流程见图1。

图1 悬移质单样筛吸结合法处理流程图

3.3 对比分析

对比分析数据情况见表2。

表2 汉中中心 激光粒度仪（不同泵速）与筛吸结合分析泥沙颗粒级配成果对比表（部分摘录）

由表2 可以看出：

（1）粒径级在0.002 mm～0.008 mm 之间,筛吸结合法分析的沙量百分数多数大于激光粒度仪法分析的结果,且结果差别较大；粒径级在0.008 mm～0.5 mm 之间,结果差别小,且粒径级越大,结果越接近。

（2）对比两种方法得出的中数粒径（D50）,激光粒度仪法不同泵速下的中数粒径与筛吸结合法中数粒径偏差绝对值为0～0.020 mm；激光粒度仪法泵速为600 r/min 时,中数粒径平均值为0.016 mm；泵速为800 r/min 时,中数粒径平均值为0.015 mm；泵速为1200 r/min 时,中数粒径平均值为0.015 mm；全部样品筛吸结合法中数粒径平均值为0.016 mm。

（3）通过两种方法分别绘制级配曲线发现,仪器分析级配曲线光滑,拟合性好,测量范围宽；传统分析方法级配曲线光滑性与拟合性较差,测量范围窄。

4 激光粒度仪参数适用性优化

通过以上对比测试,可对激光粒度仪基础参数进行适用性优化,基础参数主要有分散时间、循环泵速（r/min）、光学模式、分布类型、样品折射率、介质（水）、折光率和残差8 个。

4.1 遮光率

通过激光粒度仪在不同泵速下的相关统计,不同泵速下的统计值都接近遮光率最佳值10%,表明经过仪器厂家工程师现场安装调试及严格测试率定的遮光率,是适合汉中地区河流泥沙颗粒级配特性的仪器参数。也符合《河流泥沙颗粒分析规程》（SL 42-2010）中细沙定义标准为：中数粒径D50 ≤0.025 mm,遮光率的合适值范围为8%～15%。

4.2 泵速

激光粒度仪法泵速分别为600 r/min、800 r/min、1200 r/min时,其中数粒径与筛吸结合法中数粒径有一定偏差,通过对不同偏差的样品个数占总样品个数的百分比进行比较分析,激光粒度仪在循环泵速为800 r/min 时,中数粒径偏差较小且较为稳定,即经过仪器厂家工程师现场安装调试及严格测试而率定的泵速800 r/min,是适合长江流域河流泥沙颗粒级配特性的仪器参数。

5 结论与建议

5.1 结论

（1）激光粒度仪法分析获得的悬移质颗粒级配成果符合测试样品泥沙颗粒级配特性；激光粒度仪法中数粒径和传统筛吸结合法中数粒径基本接近；激光粒度仪法级配曲线光滑且拟合性好、测量范围宽、效率高。

（2）经过仪器厂家工程师现场安装调试及严格测试率定的遮光率及泵速,是适合汉中地区河流悬移质颗粒级配特性的仪器参数,该型号激光粒度仪可用水文泥沙颗粒分析。

5.2 建议

（1）激光粒度仪在正常状态下每6 个月应标定一次,特别是在重新安装软件、维修时更换激光器和探测器时要重新标定。

（2）激光粒度仪属于精密设备,应放置平稳、牢固,避免震动、敲击、滑落等现象。

（3）分析用水。激光法泥沙分析,宜采用以水为分散介质,分析用水应满足以下要求：可用无气泡的蒸馏水或纯水；可用有足够洁净度的或通过静置降低浊度的自来水,自来水应经曝气处理或提前4 h～6 h 将其接入储水容器静置以释放气泡；对分析用水测量的背景值不应超过仪器限定值；分析用水的温度应与室温保持一致,若温差太大时,可在分析用水中适当加入热水,以避免测试时出现冷凝现象。

（4）样品预处理。执行中华人民共和国行业标准《河流泥沙颗粒分析规程》（SL 42-92）中的“3 试验制备”一章。若为湿样,静置后直接将浓度调整为既能充分混匀又易取样的稠糊状浆体（稠糊状浆体是指在保证颗粒具有很好流动性时的最大浓度）,或经试验控制为以能满足最佳取样代表性为标准。

（5）取样。从具有代表性的沙样中取出测试样品,这个环节若控制不好,可能是造成测量差异的最大原因。因此确定并执行正确的取样方法,是至关重要的。具体操作：在保证样品是糊状的情况下,充分从底部兜起搅拌均匀,然后分二到三次加入,直到满足遮光率要求。