含沙量測量方法及比較分析

付艷紅，時鐵彬，徐 巖

（吉林省水文水資源局白城分局，吉林 白城137000）

土壤侵蝕中的徑流含沙量是衡量水土流失的重要參數之一。無論是評價流域還是河道的侵蝕程度，都必須測定其含沙量。只有合理測定含沙量才有可能準確模擬土壤侵蝕動力過程，并為水土流失治理決策提供合理的科學依據。目前測量含沙量的方法較多，由于其測量原理不同，測量適用的范圍和精度也不同，加之現有測量方法中還有一些方法處于研究探索階段，在實際測量條件下可采用的方法并不多。在此對含沙量各種測量方法進行對比，分析各種方法的測量原理，研究其適用范圍、精度，以為人們在不同環境下，選擇合適的測量方法提供參考依據，也為現有測量方法的提高與改進提供一定的思路。

1 含沙量測量方法原理分析及比較

根據測量原理的不同，含沙量測量方法可分為：直接測量方法和間接方法。直接測量方法包括：烘干法和比重法；間接方法有光度法、紅外線法、電容法、振動法 、超聲波法、激光法和γ射線法。

1.1 直接測量方法

1）烘干法。烘干法又稱稱重法，即取一定量的樣品，測量其原重和烘干后的重量，從而確定泥水中的含沙量。采用烘干法可測量兩種形式的含沙量：重量含沙量ρm(kg/kg)和體積含沙量ρv(m3/m3)，兩者的關系可用式（1）表示：

式中：ρs=2.65×103kg/m3，為標準泥沙比重；ρw=1.0×103kg/m3，為清水密度。

隨著電子天平的使用，稱重精度得到很大提高，烘干法測量含沙量被認為是目前最準確的方法之一。但由于烘干法需對待測樣品進行烘干，而烘干溫度一般為105℃，加熱需10 h以上，高溫與長期加熱會造成土壤中有機質被碳化，而使測量的含沙量偏小，對烘干溫度和加熱時間的要求也使得整個測量過程費時費力。因而在野外測量中人們一般采用比重法。

2）比重法。比重法是根據泥沙對比重的影響來確定含沙量，測量時可采用比重計，也可用天平和量筒進行測量，如測得樣品的總重量為G(kg)，體積為V(m3)，則樣品中的含沙量(kg/m3)為：

用此方法測量含沙量所用設備簡單，測量方法更快更直接。但在含沙量較高時，由于量筒的數據很難讀準，一定程度上影響了測量結果的精度。就測量精度而言，烘干法較比重法精度更高。

1.2 間接測量方法

1）分光光度法和紅外線法。可測量的含沙量極低，由于坡面侵蝕中徑流含沙量變化幅度較大，因此無法使用。

2）電容法。電容法利用泥水混合物中泥沙含量的變化會引起其介電常數變化這一電物理學性質，通過測量電容的變化來測量含沙量變化。由于電容受溫度影響較大，電容兩端輸出電壓隨溫度、土壤含鹽量升高而呈非線形增加趨勢，加之徑流流速的影響，使得電容法的適用條件受到一定限制。在自然條件下坡面侵蝕過程中，通過測量電容變化來確定含沙量變化難以實現。

3）振動法。利用振動學原理，根據諧振棒在不同含沙量的泥水中的振動周期不同來推求含沙量。在泥沙比重、粒徑組成一定，泥沙顆粒運動速度相同時，諧振棒振動周期T(s)與含沙量ρ近似呈線性正比關系：

式中：a，b—為常數，可通過實驗事先率定。

試驗證實對于材料一定的諧振棒，棒體密度與其振動周期的平方成正比。由于實際測量中棒體的運動受水深、水流速度影響較大，測量設備一般采用金屬空管代替諧振棒，當含沙水流進入管體時，由于管子材料和體積一定，測量管的密度完全由管中液體的密度決定。如果水流中的含沙量發生變化，相當于整個管體的密度發生了變化，則管體的振動周期也隨之發生變化，此時測量出泥水的密度，由管體密度與振動周期間的關系，通過式（3）可計算出泥水含沙量。

在坡面侵蝕中由于水流中泥沙不斷沉降，同時又有新的泥沙不斷被剝蝕而加入其中，致使泥沙比重、粒徑組成及泥沙顆粒運動情況變化復雜，使進入管體水流的流速和密度隨時間不斷變化，因而運用式（3）所得ρ將在一定程度上偏離真值。振動法測量泥沙含量的結果穩定性較差，零點漂移嚴重，加之測量儀器體積較大，而坡面侵蝕中徑流水深較淺，振動裝置無法正常工作，故此類儀器不適用于徑流含沙量的測量，而只適用于河流中含沙量的測量。

4）超聲波法。超聲波法分為超聲波反射法和超聲波衰減法。前者根據超聲波的反射量與沙粒的多少呈正比例關系，從而測定含沙量。后者考慮泥沙顆粒對超聲波的散射、吸收和超聲波自身的擴散因素，利用傳感器檢測其能量的衰減，來計算含沙量。超聲波反射法對于低含沙量水流較敏感，測量精度較高，只是測量范圍較窄，在0～3 kg/m3之間。超聲波衰減法利用聲波在泥水中傳播時聲波大小受到衰減的原理，通過接收換能器將衰減后的超聲波轉化為電信號，再經放大處理后得到隨含沙量變化的模擬電信號，依據其與含沙量間的關系來測量含沙量。模擬電信號隨含沙量變化的關系：

式中：a，b—常數，通過實驗事先標定，大小主要取決于溶液濃度及溶質粒子的粒徑的變化；I—電信號強度，W/cm2；ρ—體積含沙量。

超聲波法測量含沙量時，為保證超聲波經衰減后信號能被接收到，其強度(頻率)不能太小。而超聲波強度較大時，當其穿過泥水溶液時，超聲波會與泥沙顆粒發生相互作用而影響溶液濃度；同時還會造成大的泥沙顆粒粉碎而改變原有溶質粒子的粒徑組成。此時用事先標定好的式（4）來計算含沙量會產生很大的偏差。由于超聲波法會對水流造成擾動而改變其原有的動力學特征，且含沙量越大改變也越大，使得超聲波法測量泥沙含量的范圍較窄，更適合于低含沙溶液的測量。

5）激光法。光在水中傳輸時，由于水介質的散射和吸收，使得光強發生衰減，且水中懸沙濃度不同，衰減也不同。激光法正是利用此原理對透射過泥水的激光信號進行光電轉換，將其變為電壓信號。依據電壓信號的強弱在水流速度較小且相同粒徑分布條件下與含沙濃度呈正比函數關系來確定含沙量。

由于在坡面侵蝕過程中，坡面泥沙不斷經歷剝離、搬運、沉積過程，其徑流中泥沙粒徑的組成隨時間不斷變化，這與測量原理中泥沙粒徑分布相同的假設相駁，而使此方法具有一定的理論誤差，加之用此方法設計的測試儀器成本較高，設備笨重、龐大，而無法正確有效地測量坡面水流中的含沙量。

6）γ射線法。依據γ射線在含沙溶液中經泥沙顆粒的折射、散射和吸收作用，其透射強度將減小的原理測定含沙量。

當γ射線通過由土壤固體顆粒和水組成的固、液兩相介質的混合體時，其強弱服從以下指數變化規律：

式中：μmw，μms分別為水和泥沙的質量吸收系數；ρw，ρs分別為單位泥水體積中水的質量，kg，和泥沙的質量，kg；L為γ射線透射的渾水厚度，m。

假設t1時刻γ射線穿過厚為L的混合體后其強度為I1，t2時刻為I2，依據泥水總體積不變，即泥沙增(減)的體積等于水量減(增)的體積，在△t=t2-t1時間段內：

ρs=2.65×103kg/m3為泥沙的比重，ρs=10×103kg/m3為清水密度。測出I1，I2，若已知t1時刻的泥沙含量，利用（6）式可算得不同時刻的含沙量。

由于γ射線水平透時，泥沙沉積和分層現象將對測量精度影響較大。γ射線測量儀測量含沙量時，雖然水流經過采樣室時停留時間較短，測量中依然會由于時間的滯后性而影響含沙量變化量的同步測量；同時水流流入、流出采樣室時會對水流的動力學性質產生影響，而一定程度上影響含沙量的準確測量。

2 結語

綜上所述振動法、超聲波法、激光法、γ射線法依據的測量原理各有不同，儀器設備也千差萬別，不同程度地受到水流中泥沙運動情況及其粒徑組成的影響，而使含沙量的測量結果存在一定的局限性，要精確測量徑流中的含沙量還需要進一步加以改進。相比較而言，在現有測量方法中，烘干法、比重法和γ射線法是目前測量精度較高，應用較廣泛的含沙量測量方法。