馬爾文MS3000 激光粒度顆分儀測試分析

崔 俊

(西安水文水資源勘測中心，陜西 西安 710100)

1 基本情況

1.1 傳統(tǒng)顆分技術(shù)特點及存在問題

陜西省西安水文水資源勘測局下屬北洛河狀頭、灞河馬渡王、漆水河耀縣、沮河柳林、澇河澇峪口等5 站有泥顆分析任務(wù)。每年要分析多達(dá)幾百個泥沙樣品。當(dāng)前我局泥沙顆粒分析方法為移液管、篩吸結(jié)合分析法，即使用數(shù)種不同網(wǎng)眼的篩子進(jìn)行篩選，計算各篩子上剩下的粒子重量，根據(jù)比例來求分布的方法，其分析結(jié)果為質(zhì)量百分比。該方法作業(yè)流程從全樣靜置抽水到篩上篩下分別計算，操作過程繁瑣、效率低、勞動強(qiáng)度大，單樣分析需要兩天時間，批量分析需五六個人分工合作，兩天30 個樣品。傳統(tǒng)法具有以下缺點:下限62μm、人為因素較大、重復(fù)性差、不規(guī)則形狀粒子誤差大及分析速度慢。滿足不了新時代下對泥沙分析數(shù)據(jù)“大量、及時、準(zhǔn)確”的要求。

1.2 引進(jìn)新技術(shù)的必要性和重要性

現(xiàn)今防洪、河道治理、城市供水，水資源管理、水生態(tài)監(jiān)測、水資源評價都需要快速、準(zhǔn)確、及時水文信息，而傳統(tǒng)顆分方法難以滿足要求。黃河水利委員會水文局2000 年通過水利部“948”項目，引進(jìn)的英國馬爾文公司的激光粒度分析技術(shù)解決了這一問題。其后，黃河水利委員會下屬三門峽水文局、呂梁水文局、榆次水文局，以及我省寶雞水文局、延安水文局先后開始在黃河流域使用英國馬爾文公司的馬爾文MS2000 激光粒度顆粒分析儀進(jìn)行泥沙顆粒分析工作，通過這些年的使用，該儀器測量簡單快速、測量結(jié)果穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)精度高;測試結(jié)果為體積百分?jǐn)?shù)分布，具有傳統(tǒng)方法所無法比擬的高精度、高效率、高自動化程度的顯著優(yōu)勢。

2018 年年初陜西省西安水文水資源勘測局引進(jìn)馬爾文MS3000 激光粒度顆粒分析儀。馬爾文MS3000 激光粒度顆粒分析儀在MS2000 激光粒度顆粒分析儀基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級，其精度更高。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，水資源管理、評價及水利工程規(guī)劃對泥沙顆粒級配分析的時效性、準(zhǔn)確性的要求會越來越高，如何快速、準(zhǔn)確的實施泥沙及粒度的有效監(jiān)測，為河流的治理、管理、開發(fā)提供有效技術(shù)支撐，因此改變傳統(tǒng)的分析方式，運用新的儀器進(jìn)行顆粒分析十分必要。

馬爾文MS3000 激光粒度儀基本配置有:儀器主機(jī)1 套、濕法分散系統(tǒng)(包括螺旋槳機(jī)械攪拌系統(tǒng)和內(nèi)置式超聲波探頭)1 套、儀器操作軟件1 套、計算機(jī)及激光打印機(jī)(自配)。

表1 傳統(tǒng)法和MS3000 激光粒度顆粒分析儀對比表

2 測試依據(jù)及參數(shù)設(shè)置

2.1 樣品選用及測試依據(jù)

本次測試選用張家山站2019 沮河柳林站16 個、漆水河耀縣站16、狀頭站38 個，共計70 個泥沙顆粒樣品進(jìn)行分析測試，測試執(zhí)行《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》(SL 42-2012)相關(guān)規(guī)定及《馬爾文MS3000 激光粒度顆分儀操作規(guī)程》。

2.2 參數(shù)設(shè)置

黃河水利委員會水文局于2002 年～2004 年完成了馬爾文MS2000 激光粒度顆粒分析儀泥顆樣品試算分析比對工作，采用激光儀與移液管、篩吸結(jié)合分析兩種方法，歷時3 年對2000 多個(包括中、粗、細(xì)各種類型)泥顆樣品進(jìn)行了比對試算，率定出了適合黃河流域河流泥沙顆粒級配特性的儀器參數(shù)，我局目前承擔(dān)泥沙顆粒分析任務(wù)的水文站均分布于黃河流域，因此本次測試采用黃河水利委員會水文局率定的儀 器參數(shù)進(jìn)行試算，參數(shù)見表2。

表2 測量黃河泥沙顆粒級配的參數(shù)值表1(HYDRO 2000MU 型)

3 測試情況

3.1 儀器測試

本次測試對2019 年沮河柳林站16 個、漆水河耀縣站16 個、北洛河狀頭站38 個，共計70 個樣品進(jìn)行了測試，測試結(jié)果以粒度分布數(shù)據(jù)表、分布曲線、D0.1 、D0.5 、D0.9等方式顯示，打印和記錄。

樣品遮光度的合適值范圍為5%～15%(經(jīng)由儀器工程師確認(rèn)不影響樣品測試結(jié)果)，由實際分析可知，本次樣品遮光度都接近遮光度最佳值15%;殘差最大0.34%，最小0.04%，都滿足殘差小于2%的儀器規(guī)定使用要求。

3.2 移液管、篩吸結(jié)合分析

本次分析選取70 個泥顆樣品，采用吸管、篩分析方法進(jìn)行了對比分析。

樣品選取原因:

1)樣品代表性好，不同粒徑沙重百分?jǐn)?shù)分布均勻，顆粒級配曲線分布比較合理。

2)有利于篩上及篩下部分全面進(jìn)行對比分析。

3)當(dāng)沙重較小時，因為篩上部分沙重幾乎為零，不利于兩種方法進(jìn)行對比分析。故挑選具有代表性分析成果進(jìn)行對比分析。

3.3 對比分析情況

對比分析情況見表3。

表3 西安局實測懸移質(zhì)單樣激光儀與篩吸結(jié)合分析顆粒級配對比成果表

續(xù)表3

由表3 可以看出:

1)重量法分析的沙量百分?jǐn)?shù)多數(shù)大于儀器法分析的結(jié)果，且粒徑級在0.002 mm～0.016 mm 之間，結(jié)果差別較大;粒徑級在0.031 mm～2.0 mm 之間，結(jié)果差別小，粒徑級越大，結(jié)果越接近。

2)各站經(jīng)過對兩種方法的中數(shù)粒徑(D50)對比發(fā)現(xiàn)，23個泥顆樣本中數(shù)粒徑(D50)不相等。施測號數(shù)171、174、185、212、213、309 及337 泥顆中數(shù)粒徑偏差最小，偏差為0.001，施測號數(shù)226 泥顆中數(shù)粒徑偏差最大，偏差為0.007，25個泥顆樣本中數(shù)粒徑平均偏差為0.002。其中中數(shù)粒徑(D50)偏差≤0.001 的累計概率為36%， 中數(shù)粒徑(D50)偏差≤0.002 的累計概率為68%，中數(shù)粒徑(D50)偏差≤0.003 的累計概率為88%，中數(shù)粒徑(D50)偏差≤0.004 的累計概率為96%，中數(shù)粒徑(D50)偏差≤0.007 的累計概率為100%，。

4 數(shù)據(jù)擬合

將篩吸結(jié)合分析所得數(shù)據(jù)與MS3000 激光粒度顆粒分析儀所得進(jìn)行結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，分析其相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表4。

表4 西安局實測懸移質(zhì)單樣激光儀與篩吸結(jié)合分析顆粒級配擬合數(shù)據(jù)表

續(xù)表4

從表4 我們可以看出，篩吸結(jié)合分析所得數(shù)據(jù)與MS3000激光粒度顆粒分析儀所得數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)均大于0.9，擬合度較好。

5 問題

1)該儀器靈敏度高，對工作環(huán)境要求較高，實驗室應(yīng)不受陽光直接照射，不受震源和噪聲影響;能經(jīng)常保持干燥，無浮塵，無有害氣體及灰塵侵入，溫度和濕度比較穩(wěn)定，溫度宜控制在10℃～26℃，相對濕度宜控制在20%～70%;

2)對分析用水要求較高，建議用無氣泡的蒸餾水或純水。自來水應(yīng)經(jīng)曝氣處理或提前4 h～6 h 將其接入儲水容器先攪動后靜置釋放氣泡，避免直接取用水管中自來水;

3)沙樣前期處理需去雜質(zhì)，靜置后直接將濃度調(diào)整為既能充分混勻又易取樣的稠糊狀漿體;

4)將一次抽取的有充分代表性的樣品完全加入貯樣容器中，應(yīng)保證加入1～3 次達(dá)到遮光度要求的范圍(粗沙樣的遮光度取正常范圍上限，細(xì)沙樣的遮光度取正常范圍下限)，然后進(jìn)入實際測量。

6 結(jié)論

1)本次分析25 個樣品遮光度在9.52%～16.13%，均處在允許值5%～20%范圍之內(nèi)，樣品的遮光度比較穩(wěn)定，儀器測試最佳值為15%;殘差均小于2%，其范圍為0.28%～0.58%，符合黃河流域泥沙顆粒級配特性，在今后測試樣品時，建議可直接采用黃河水利委員會水文局率定的儀器參數(shù)進(jìn)行泥顆測試工作。

2)通過使用激光粒度顆粒分析儀分析，分析報告中的粒度分布曲線光滑，擬合性好，測量范圍較傳統(tǒng)方法寬;成果精度高且性能穩(wěn)定，具有傳統(tǒng)方法所無法比擬的高精度、高效率、高自動化程度的顯著優(yōu)勢。

3)我局目前承擔(dān)泥沙顆粒分析任務(wù)的水文站均處于黃河流域的中游。我局水文站和黃河水利委員會水文站在北洛河流域、渭河流域均分布，相互交叉，泥沙顆粒特性基本一致，黃河水利委員會水文站泥沙顆粒樣品均已實現(xiàn)使用MS2000激光粒度顆粒分析儀分析，結(jié)果穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)精度高。MS3000 激光粒度顆粒分析儀在MS2000 激光粒度顆粒分析儀基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級，精度更高一些，因此在今后的泥顆分析工作中建議使用該儀器相關(guān)參數(shù)。