含沙量在線監測方法研究進展

柳 波 韋方洋 劉 金

（碧興物聯科技（深圳）股份有限公司，廣東 深圳 518101）

河流中沙含量情況反映水土流失狀況、河流水生物的生長環境。河流中泥沙會影響水質監測指標，泥沙含量對水質評價主要污染指標CODMn、氨氮、 BOD5以及重金屬的分析檢測有重大影響。穆伊舟等發現黃河水體中含有的大量泥沙，在對水質造成影響的同時，對入河污染物具有吸附、遷移和凈化作用，給水質評價帶來很多問題和困難。因此，研究河流中泥沙含量有非常重要的生態意義。

常用的泥沙含量測量方法可以分類為直接測量法和間接測量法。直接測量法一般作為間接測量法的衡量標準，需要在實驗室人工操作。間接測量法可以實現設備的自動在線監測，解放人工，省時省力。

1.直接測量法

直接測量法是實驗室含沙量手工測定廣為使用的測量方法，具有設備簡單、方法易行且精度較高等優點。該法需要經過現場取樣，然后通過過濾、烘干等方法將泥沙中的水去除，以確定其含沙量，因此測量周期長，無法連續測量，很難在在線儀表上實現。直接測量法有稱重法和比重法等。

1.1 稱重法

稱重法是應用最廣泛的測定泥沙濃度的方法，常被作為評價其他方法的標準。傳統上含沙量測量是采用取樣稱重的方法，取一定體積的具有代表性的樣品， 經過預處理，然后烘干、稱重，即可求知含沙量。具體步驟為：量水樣容積，沉淀濃縮水樣，烘干烘杯并稱重，將濃縮水樣倒入烘杯，烘干、冷卻，最后稱量沙重。隨著電子天平的使用，稱重精度得到很大提高，該法測量水中含沙量被認為是目前最準確的方法之一。

1.2 比重法

比重法是根據泥沙對含沙水樣比重的影響來確定含沙量，即需要測得水樣容積、水樣溫度、比重瓶裝滿后的重量。比重法可以使用比重計，也可以使用天平、量筒等測量含沙量。該法比烘干稱重法更快更直接，但是精度低于烘干稱重法。

稱重法和比重法受人工采樣的隨機性影響很大，同時測量周期長，主觀誤差大，勞動強度高，無法滿足快速準確獲取泥沙含量數據的需要。

2.間接測量法

基于經典測量方法，發展出了許多類型的間接測量方法。間接測量方法可以快速及時的在線監測水體含沙量。間接測量方法主要有光度法、紅外線法、電容法、振動法、超聲波法、激光法和γ射線法。

本文主要介紹在線監測領域使用較為成熟廣泛的紅外法（光學法）、超聲波法（聲學法）、振動法以及商用的在線監測設備。

2.1 紅外法

含沙水流可以透射部分光線，一部分光線被吸收和散射，剩余的光線則被反射。隨著含沙量的增加，泥沙對光線的反射增強。因此入射光源強度一定時，水流含沙量與反射光產生的電壓信號強度有一定的對應關系，可以來表征水流含沙量的大小。系統是將泥沙監測儀安裝在單沙點或者具有斷面代表性的點，通過建立單沙點與斷面平均含沙量的關系，經比測得到斷面平均含沙量。適用于天然河道、渠道、水庫等水體中懸移質泥沙含量水體測量。

紅外法是目前國內外在線含沙量監測設備最常使用的監測方法，表1列舉了主流廠家的相關監測設備。

表1 水體含沙量在線監測設備

2.2 超聲波法

超聲波法可以分為超聲波反射法和超聲波衰減法。超聲波反射法是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。系統通過測量一定深度剖面內的泥沙或其他懸浮顆粒反射回來的信號來計算粒徑和含沙量數據。它可以測量1~2米水深范圍內的剖面分布數據，每一采樣深度間隔可設定，設定范圍2.5毫米到幾厘米。泥沙監測應用一般可監測剖面深度為1~2米，疏浚回淤研究中可測剖面深度達10米。

超聲波衰減法則是考慮泥沙顆粒對超聲波的散射、吸收和超聲波自身擴散，利用傳感器檢測其能量的衰減來計算水體含沙量。其量程范圍寬，測量速率高，重復精度高，采樣頻率高。

超聲波法設備應用于河口、河流、水庫及海洋含沙量、粒徑測量監測，可以用于泥沙運動研究、泥沙（懸浮顆粒）剖面分布、水下沙丘演變，疏浚回淤研究等。超聲波法在低含沙量水體監測時有較好的穩定性和準確度，因而在線含沙量監測設備也有諸多使用，表2列舉了主流廠家的相關監測設備。

表2 水體含沙量在線監測設備

2.3 振動法

振動法是根據振動學原理，兩端固定的諧振棒的諧振頻率隨流經的水體含沙量而變化，不同含沙量的水體對應的諧振棒振動周期不同，與泥沙粒徑無關，從而通過測量振動周期或者振動頻率就可以得到含沙量。

當含沙水體穿過振動管時，振動管的振動頻率隨水體含沙量變化，測控板把振動頻率的變化量轉換為含沙量，實現含沙量的自動在線測量。表3列舉了主流廠家的相關監測設備。

表3 水體含沙量在線監測設備

3.測量方法對比

目前的水體含沙量測量方法較多，每種方法都有各自的優缺點，應用在特定領域。表4對各類測量方法的測量原理、優點和缺點進行了對比。

表4 不同含沙量測量方法優點和缺點對比

稱重法和比重法主要用于實驗室測量，可以作為紅外法和超聲波法測量結果的比較基準。

同位素法（γ射線或X射線）由于放射源輻射問題存在較大安全隱患，不符合綠色安全環保的理念要求，同位素法的推廣應用較為受限。雷廷武等首次嘗試采用 γ射線透射法測量土壤侵蝕徑流中的含沙量，結果表明，γ射線透射通過泥沙溶液的強度與水流含沙量間有極度顯著的線性相關關系，并與理論計算結果高度一致，表明可由γ射線透射強度穩定、可靠、準確地確定含沙量值。

振動法儀器整體結構較為復雜，頻率傳感器易受水流沖擊影響測量精度。目前國內北京美科華儀的懸移質測沙儀SV-150可實現含沙量的在線監測，輸出時間、含沙量、水深和水溫等信息，且無需現場標定，長期穩定性良好。

紅外法和超聲波法由于其快速實時的檢測優點，適用于無人值守的在線監測工況。目前采用紅外法和超聲波法作為測量原理的在線監測設備較多，也說明了應用技術較為成熟。王麗萍等通過對河水中超聲波的衰減規律進行了理論推導和分析， 提出了用增益補償實現對河水泥沙含量進行測量的新方法。該方法為實現對河水泥沙含量的自動測控奠定了理論基礎。

電容法的測量原理和設備結構簡單，使用成本低，響應速度快。但電容法受溫度、水體流速、鹽度等因素影響較大，水體中含沙量的測量結果易受干擾，因此電容法目前并沒有得到廣泛應用。

遙感光譜分析法是通過對懸沙水體進行遙感光譜反射率的測量來間接測量水體的含沙量。遙感光譜分析法適用于大面積水域的檢測，比如湖泊、水庫、河海口，并受氣象條件的限制影響。遙感光譜分析法由于應用場景受限、技術門檻高、測量成本高，因此應用較少。

4.結語

當今社會，人們對水質狀況越來越關注，因此，如何快速、準確地測量含沙量是環保水利工作者和設備廠商的研究重點。含沙量測量方法多種多樣，各有適應場景。隨著科技進步， 測量含沙量的方法日趨完善。但是，由于水中泥沙顏色、粒徑以及本身運動狀況較為復雜，目前含沙量的測量結果存在一定的局限性，含沙量的精確測量還需要進一步研究，測量設備功能進一步提升。