Bettersize2000W 型激光粒度分布儀在水文站含沙量測定中的適用性

祁曉勇，高玉方

（青海省水文水資源測報中心，西寧 810000）

水文觀測自動化是中國水文現代化發展的必然要求［1］，Bettersize2000W 型激光粒度分布儀等新技術、新裝備的應用為實現水文現代化奠定了堅實的基礎，有助于擴大水文資料收集范圍［2］，改進水文工作向廣度和深度發展。水體含沙量監測是水文要素觀測中十分重要的項目［3］，含沙量一般是指單位體積的渾水中所含干沙的質量，通過系統地觀測和收集含沙量資料，研究分析河流內泥沙的分布規律［4］。觀測站對單樣含沙量的觀測主要采用稱重法，該方法簡單、精度較高［5］，但施測過程耗時較長，無法在短時間內得到水體含沙量數據［6］。隨著剛察水文站水文測驗方式、方法的不斷改進，Bettersize 2000W 型激光粒度分布儀等新儀器、新設備的推廣應用已成為重要課題［7，8］，在保證測驗質量的基礎上，應用先進的觀測設施、設備不僅能降低水文測驗的工作強度［9］，提高工作效率，而且能節約一定的人力、財力，為全面開展水文監測改革奠定基礎［10］。

1 剛察水文站概況

剛察（二）水文站位于青海省剛察縣沙柳河鎮，距西寧約196 km，位于東經100°08′，北緯37°19′。剛察水文站的測驗河段位于彎道處，為窄深型河槽，左岸陡崖，右岸均為漿砌石護岸，高約2 m，右岸堤防背側灘地長滿雜草及灌木。主流靠右岸，河床由沙礫石組成，測驗斷面有一定的沖淤變化，屬于經常性沖淤、整體沖淤，斷面不穩定。洪水主要來源于融雪及降水，以暴雨洪水為主，洪峰過程多為單峰，暴漲暴落，主峰雨停時間至洪峰出現時間約為5 h，洪峰持續0.5～2.0 h，水沙峰基本相應，輸沙量年內分配不均，年際變化也較大，較大洪水過程一般持續1～2 d。

2 Bettersize2000W 型激光粒度分布儀介紹

Bettersize2000W 型激光粒度分布儀是由丹東百特儀器有限公司設計制造的雙鏡頭激光粒度儀，該系統包括激光粒度儀、自動循環分散系統以及電腦軟件系統等，通過自動循環分散系統將樣品輸送到激光粒度儀的測量區域，激光照射到樣品后將產生散射光，光電探測器陣列接收這些散射光信號并轉換成電信號，通過USB 接口將這些電信號傳輸到電腦軟件中，依據Mie 散射理論對散射光產生的電信號進行處理，就可以得到所測樣品的粒度分布及含沙量等結果。該套自動化監測設備功能齊全、自動化程度高，監測數據可實現實時測量及本地存儲。Bettersize2000W 型激光粒度分布儀見圖1。

圖1 Bettersize2000W 型激光粒度分布儀

3 誤差分析方法

1）系統誤差。系統誤差是在對同一被測量進行多次測量過程中，出現某種保持恒定或按確定的方法變化的誤差。

式中，P為系統誤差；Ai為某個量的觀測值（采用激光粒度分布儀的觀測值）；A為某個量的真值（采用傳統儀器或方法的觀測值）；n為觀測次數。

2）絕對誤差。絕對誤差也稱真誤差，是指觀測值與真值之差，即相對于真值的誤差稱為絕對誤差。

式中，Δ 為絕對誤差。

3）相對誤差。相對誤差定義為觀測值的絕對誤差與其真值之比。

式中，δ為相對誤差。

4）標準差。標準差也稱均方差，是各數據偏離平均數的距離的平均數，反映一個數據集的離散程度。

式中，s為標準差，%；Xi為第i個觀測數據；為N次觀測值的平均值；N為觀測次數。

5）合格率。合格率即對比觀測時段內自動監測數據比測合格的百分比，計算式如下。

4 資料收集與分析

4.1 資料收集

分析資料為2021 年5—9 月收集烘干法和激光粒度分布儀法測得的115 組含沙量，所有數據均經過可靠性、一致性、有效性分析，剔除偶然誤差和人為操作誤差影響的無效數據，確保所參與分析的數據真實、準確、有效。

4.2 誤差分析

根據2021 年5—9 月收集的115 組含沙量對比數據進行誤差統計分析，發現激光粒度儀所測數據普遍偏大，偏大的數據占比為95.7%，絕對值最小的相對誤差為5.2%，絕對值最大的相對誤差為952.2%，平均相對誤差為255.8%，相對誤差絕對值小于10%（1 個）的占0.87%，相對誤差絕對值小于50%（14 個）的占12.17%，相對誤差絕對值大于50%（101 個）的數據占比為87.83%；絕對誤差在-0.212～3.412，最小絕對誤差為-0.212，最大絕對誤差為3.412，平均絕對誤差為0.277。原始數據及數據統計分析結果見表1。

表1 激光粒度分布儀與稱重法實測含沙量對比數據統計分析結果

4.3 相關性分析

為探尋二者的相關性，建立線性方程，以檢驗是否滿足測驗精度的要求。對激光粒度分布儀法測得的含水量（y）與烘干法測得的含沙量（x）建立線性相關關系，如圖2 所示，發現二者可以建立一定的線性相關關系，并通過趨勢線確定最優相關關系為y=3.014x，由圖2 可見，二者線性相關性一般。

圖2 線性關系對比分析

5 討論

1）根據分析結果，激光粒度分布儀測試含沙量的影響因素主要有以下幾個方面。一是采樣及操作人員技術水平不一造成的人為操作誤差。二是各種稱量器具對水樣體積的稱量誤差。三是若測試水溫過低，在激光測試窗口會形成凝結霧狀薄膜對激光測試結果產生影響。

2）激光粒度分布儀測試分析的過程中應注意以下幾點。一是2 種方法測含沙量所取的水樣應在同一位置及同一時間進行取樣，這樣能排除取樣誤差的影響。二是加樣品量要精確用量杯稱量，并要將量杯中的樣品全部倒入循環池中，并用清水涮底。三是取樣中的雜質問題，取樣過程中，現取現測，防止大顆粒沉淀，出現波動較大情況，重新取樣。

6 小結

從測試分析過程看，激光粒度分布儀測含沙量操作簡單方便，效率高，含沙量結果計算速度快，而人工烘干法測得的含沙量數值偏差較大，對激光粒度分布儀與烘干法測得含沙量建立線性相關關系，二者可以建立一定的線性相關關系，并通過趨勢線確定最優相關關系為y=3.014x，此相關系數所得成果并不能作為正式資料使用，但在水文應急監測等精度要求不是很高的情況下可以參考使用，未來使用激光粒度分布儀測試含沙量作為正式資料還需要進一步研究和論證。