國產YRCC.NKG-2800 激光粒度分析儀在漢中泥沙分析中的應用

宋品江，楊 晨，魏 鐸

（漢中水文水資源勘測中心,陜西 漢中 723000）

1 基本情況

1.1 研究背景

河流泥沙顆粒分析作為水文重要的測驗項目之一,主要是收集泥沙顆粒級配的斷面分布和變化過程資料,為河道河床演變分析和水利工程設計、水庫庫容計算和防洪灌溉服務。漢中水文水資源勘測中心承擔略陽、武侯鎮（壩）、洋縣（二）、馬道四個水文站的泥沙顆粒分析任務,泥沙顆粒分析方法為移液管、篩吸相結合的分析方法。該方法作業時需四五人分工合作,樣品從復稱、打樣、吸樣到進電烘箱需要近6 小時以上,再經2 個工作日的烘干后,用標準分析篩分離稱重,手工計算取得泥沙顆粒級配曲線成果。該方法操作過程繁瑣、效率低、時效性差、自動化程度低、手工操作環節多、成果精度受人為因素影響,嚴重制約水文泥沙顆粒分析的發展,難以滿足新形勢下水文工作需求。而激光粒度分析儀是一種較先進的顆粒分析儀器,其出色的性能和智能化程度,已經在水文泥沙顆粒分析工作中得到大力推廣使用。

1.2 激光粒度分析儀性能指標

近年來我省先后引進國外激光粒度分析儀用于泥沙顆粒分析工作,分析成果精度滿足規范要求。但隨著我國科技創新的提升,國產激光粒度分析技術已相對成熟,主要性能指標不遜于國外,在價格上、軟件再開發及售后服務上更有優勢。為改變傳統的分析方式,對泥沙顆粒實施有效及時監測,漢中水文中心于2020 年引進了河南黃河水文科技有限公司生產的全自動YRCC.NKG-2800 激光粒度儀作適用性分析研究,同步開展泥沙顆粒對比分析。YRCC.NKG-2800 激光粒度儀性能指標：

（1）測試范圍：0.02μm～2800μm。

（2）進樣方式：自動循環分散系統。

（3）重復誤差：≤0.5%（國家標樣 D50 偏差）。

（4）樣品用量：0.005 g/次～10 g/次。

（5）分散介質：水或其他合適液體。

（6）測試時間：1 min/次～3 min/次。

（7）光源：進口光纖激光器,波長35 nm,功率 3 MW。

（8）電源：AC220V50/60 Hz,主機功率：200 W。

（9）測試結果：累積粒度分布（數據和曲線）；區間粒度分布（數據和直方圖）；中位徑（D50）；平均徑；比表面積等。

（10）數據傳輸方式：USB2.0 或 USB3.0 標準方式。

（11）操作系統：運行于 Windows 操作系統。

（12）打印機：各種激光打印機、噴墨打印機。

2 測試依據、基礎參數設置

2.1 樣品選用及測試依據

本次測試分析選取漢江洋縣（二）站和嘉陵江略陽站2021 年63 個泥沙顆粒樣品和2022 年47 個泥沙顆粒樣品進行平行對比分析。樣品選取原則：

（1）樣品代表性好,不同粒徑沙重百分數分布均勻；

（2）包括篩上及篩下部分,有利于全面進行對比分析；

（3）當沙重較小時,篩上部分沙重幾乎為零,不利于兩種方法進行對比分析。

測試分析嚴格執行《河流泥沙顆粒分析規程》（SL 42-2010）相關規定及《YRCC.NKG-2800 激光粒度顆分儀操作規程》。

2.2 參數設置

為確保新儀器的準確性,YRCC.NKG-2800 在出廠前已經用國標樣品和工作標準樣品經過嚴格的準確性標定,在現場安裝調試,又經過安裝工程師嚴格測試,率定出了適合長江流域河流泥沙顆粒級配特性的儀器參數,我中心目前承擔泥沙顆粒分析任務的水文站均分布于長江流域,參數設置見表1。

表1 YRCC.NKG-2800 型激光粒度儀測量泥沙顆粒級配參數值表

3 平行對比測試情況

3.1 激光粒度儀測試分析

本次測試分析選取漢江洋縣（二）站和嘉陵江略陽站共110 個泥沙顆粒樣品進行激光粒度儀法和篩吸結合法平行對比分析,并進行了循環泵速為600 r/min、800 r/min、1200 r/min的測試,測試結果以粒度分布數據表、分布曲線、D10 、D50、D90、D99.99 等方式顯示、打印和記錄。

3.2 傳統方法篩吸結合分析

篩吸結合法包括篩分法和吸管法,粒徑0.062 mm 以上適用篩分法,粒徑0.062 mm 以下適用吸管法,懸移質單樣篩吸結合法處理流程見圖1。

圖1 懸移質單樣篩吸結合法處理流程圖

3.3 對比分析

對比分析數據情況見表2。

表2 漢中中心 激光粒度儀（不同泵速）與篩吸結合分析泥沙顆粒級配成果對比表（部分摘錄）

由表2 可以看出：

（1）粒徑級在0.002 mm～0.008 mm 之間,篩吸結合法分析的沙量百分數多數大于激光粒度儀法分析的結果,且結果差別較大；粒徑級在0.008 mm～0.5 mm 之間,結果差別小,且粒徑級越大,結果越接近。

（2）對比兩種方法得出的中數粒徑（D50）,激光粒度儀法不同泵速下的中數粒徑與篩吸結合法中數粒徑偏差絕對值為0～0.020 mm；激光粒度儀法泵速為600 r/min 時,中數粒徑平均值為0.016 mm；泵速為800 r/min 時,中數粒徑平均值為0.015 mm；泵速為1200 r/min 時,中數粒徑平均值為0.015 mm；全部樣品篩吸結合法中數粒徑平均值為0.016 mm。

（3）通過兩種方法分別繪制級配曲線發現,儀器分析級配曲線光滑,擬合性好,測量范圍寬；傳統分析方法級配曲線光滑性與擬合性較差,測量范圍窄。

4 激光粒度儀參數適用性優化

通過以上對比測試,可對激光粒度儀基礎參數進行適用性優化,基礎參數主要有分散時間、循環泵速（r/min）、光學模式、分布類型、樣品折射率、介質（水）、折光率和殘差8 個。

4.1 遮光率

通過激光粒度儀在不同泵速下的相關統計,不同泵速下的統計值都接近遮光率最佳值10%,表明經過儀器廠家工程師現場安裝調試及嚴格測試率定的遮光率,是適合漢中地區河流泥沙顆粒級配特性的儀器參數。也符合《河流泥沙顆粒分析規程》（SL 42-2010）中細沙定義標準為：中數粒徑D50 ≤0.025 mm,遮光率的合適值范圍為8%～15%。

4.2 泵速

激光粒度儀法泵速分別為600 r/min、800 r/min、1200 r/min時,其中數粒徑與篩吸結合法中數粒徑有一定偏差,通過對不同偏差的樣品個數占總樣品個數的百分比進行比較分析,激光粒度儀在循環泵速為800 r/min 時,中數粒徑偏差較小且較為穩定,即經過儀器廠家工程師現場安裝調試及嚴格測試而率定的泵速800 r/min,是適合長江流域河流泥沙顆粒級配特性的儀器參數。

5 結論與建議

5.1 結論

（1）激光粒度儀法分析獲得的懸移質顆粒級配成果符合測試樣品泥沙顆粒級配特性；激光粒度儀法中數粒徑和傳統篩吸結合法中數粒徑基本接近；激光粒度儀法級配曲線光滑且擬合性好、測量范圍寬、效率高。

（2）經過儀器廠家工程師現場安裝調試及嚴格測試率定的遮光率及泵速,是適合漢中地區河流懸移質顆粒級配特性的儀器參數,該型號激光粒度儀可用水文泥沙顆粒分析。

5.2 建議

（1）激光粒度儀在正常狀態下每6 個月應標定一次,特別是在重新安裝軟件、維修時更換激光器和探測器時要重新標定。

（2）激光粒度儀屬于精密設備,應放置平穩、牢固,避免震動、敲擊、滑落等現象。

（3）分析用水。激光法泥沙分析,宜采用以水為分散介質,分析用水應滿足以下要求：可用無氣泡的蒸餾水或純水；可用有足夠潔凈度的或通過靜置降低濁度的自來水,自來水應經曝氣處理或提前4 h～6 h 將其接入儲水容器靜置以釋放氣泡；對分析用水測量的背景值不應超過儀器限定值；分析用水的溫度應與室溫保持一致,若溫差太大時,可在分析用水中適當加入熱水,以避免測試時出現冷凝現象。

（4）樣品預處理。執行中華人民共和國行業標準《河流泥沙顆粒分析規程》（SL 42-92）中的“3 試驗制備”一章。若為濕樣,靜置后直接將濃度調整為既能充分混勻又易取樣的稠糊狀漿體（稠糊狀漿體是指在保證顆粒具有很好流動性時的最大濃度）,或經試驗控制為以能滿足最佳取樣代表性為標準。

（5）取樣。從具有代表性的沙樣中取出測試樣品,這個環節若控制不好,可能是造成測量差異的最大原因。因此確定并執行正確的取樣方法,是至關重要的。具體操作：在保證樣品是糊狀的情況下,充分從底部兜起攪拌均勻,然后分二到三次加入,直到滿足遮光率要求。