含沙量测量方法及比较分析

付艳红，时铁彬，徐 岩

（吉林省水文水资源局白城分局，吉林 白城137000）

土壤侵蚀中的径流含沙量是衡量水土流失的重要参数之一。无论是评价流域还是河道的侵蚀程度，都必须测定其含沙量。只有合理测定含沙量才有可能准确模拟土壤侵蚀动力过程，并为水土流失治理决策提供合理的科学依据。目前测量含沙量的方法较多，由于其测量原理不同，测量适用的范围和精度也不同，加之现有测量方法中还有一些方法处于研究探索阶段，在实际测量条件下可采用的方法并不多。在此对含沙量各种测量方法进行对比，分析各种方法的测量原理，研究其适用范围、精度，以为人们在不同环境下，选择合适的测量方法提供参考依据，也为现有测量方法的提高与改进提供一定的思路。

1 含沙量测量方法原理分析及比较

根据测量原理的不同，含沙量测量方法可分为：直接测量方法和间接方法。直接测量方法包括：烘干法和比重法；间接方法有光度法、红外线法、电容法、振动法 、超声波法、激光法和γ射线法。

1.1 直接测量方法

1）烘干法。烘干法又称称重法，即取一定量的样品，测量其原重和烘干后的重量，从而确定泥水中的含沙量。采用烘干法可测量两种形式的含沙量：重量含沙量ρm(kg/kg)和体积含沙量ρv(m3/m3)，两者的关系可用式（1）表示：

式中：ρs=2.65×103kg/m3，为标准泥沙比重；ρw=1.0×103kg/m3，为清水密度。

随着电子天平的使用，称重精度得到很大提高，烘干法测量含沙量被认为是目前最准确的方法之一。但由于烘干法需对待测样品进行烘干，而烘干温度一般为105℃，加热需10 h以上，高温与长期加热会造成土壤中有机质被碳化，而使测量的含沙量偏小，对烘干温度和加热时间的要求也使得整个测量过程费时费力。因而在野外测量中人们一般采用比重法。

2）比重法。比重法是根据泥沙对比重的影响来确定含沙量，测量时可采用比重计，也可用天平和量筒进行测量，如测得样品的总重量为G(kg)，体积为V(m3)，则样品中的含沙量(kg/m3)为：

用此方法测量含沙量所用设备简单，测量方法更快更直接。但在含沙量较高时，由于量筒的数据很难读准，一定程度上影响了测量结果的精度。就测量精度而言，烘干法较比重法精度更高。

1.2 间接测量方法

1）分光光度法和红外线法。可测量的含沙量极低，由于坡面侵蚀中径流含沙量变化幅度较大，因此无法使用。

2）电容法。电容法利用泥水混合物中泥沙含量的变化会引起其介电常数变化这一电物理学性质，通过测量电容的变化来测量含沙量变化。由于电容受温度影响较大，电容两端输出电压随温度、土壤含盐量升高而呈非线形增加趋势，加之径流流速的影响，使得电容法的适用条件受到一定限制。在自然条件下坡面侵蚀过程中，通过测量电容变化来确定含沙量变化难以实现。

3）振动法。利用振动学原理，根据谐振棒在不同含沙量的泥水中的振动周期不同来推求含沙量。在泥沙比重、粒径组成一定，泥沙颗粒运动速度相同时，谐振棒振动周期T(s)与含沙量ρ近似呈线性正比关系：

式中：a，b—为常数，可通过实验事先率定。

试验证实对于材料一定的谐振棒，棒体密度与其振动周期的平方成正比。由于实际测量中棒体的运动受水深、水流速度影响较大，测量设备一般采用金属空管代替谐振棒，当含沙水流进入管体时，由于管子材料和体积一定，测量管的密度完全由管中液体的密度决定。如果水流中的含沙量发生变化，相当于整个管体的密度发生了变化，则管体的振动周期也随之发生变化，此时测量出泥水的密度，由管体密度与振动周期间的关系，通过式（3）可计算出泥水含沙量。

在坡面侵蚀中由于水流中泥沙不断沉降，同时又有新的泥沙不断被剥蚀而加入其中，致使泥沙比重、粒径组成及泥沙颗粒运动情况变化复杂，使进入管体水流的流速和密度随时间不断变化，因而运用式（3）所得ρ将在一定程度上偏离真值。振动法测量泥沙含量的结果稳定性较差，零点漂移严重，加之测量仪器体积较大，而坡面侵蚀中径流水深较浅，振动装置无法正常工作，故此类仪器不适用于径流含沙量的测量，而只适用于河流中含沙量的测量。

4）超声波法。超声波法分为超声波反射法和超声波衰减法。前者根据超声波的反射量与沙粒的多少呈正比例关系，从而测定含沙量。后者考虑泥沙颗粒对超声波的散射、吸收和超声波自身的扩散因素，利用传感器检测其能量的衰减，来计算含沙量。超声波反射法对于低含沙量水流较敏感，测量精度较高，只是测量范围较窄，在0～3 kg/m3之间。超声波衰减法利用声波在泥水中传播时声波大小受到衰减的原理，通过接收换能器将衰减后的超声波转化为电信号，再经放大处理后得到随含沙量变化的模拟电信号，依据其与含沙量间的关系来测量含沙量。模拟电信号随含沙量变化的关系：

式中：a，b—常数，通过实验事先标定，大小主要取决于溶液浓度及溶质粒子的粒径的变化；I—电信号强度，W/cm2；ρ—体积含沙量。

超声波法测量含沙量时，为保证超声波经衰减后信号能被接收到，其强度(频率)不能太小。而超声波强度较大时，当其穿过泥水溶液时，超声波会与泥沙颗粒发生相互作用而影响溶液浓度；同时还会造成大的泥沙颗粒粉碎而改变原有溶质粒子的粒径组成。此时用事先标定好的式（4）来计算含沙量会产生很大的偏差。由于超声波法会对水流造成扰动而改变其原有的动力学特征，且含沙量越大改变也越大，使得超声波法测量泥沙含量的范围较窄，更适合于低含沙溶液的测量。

5）激光法。光在水中传输时，由于水介质的散射和吸收，使得光强发生衰减，且水中悬沙浓度不同，衰减也不同。激光法正是利用此原理对透射过泥水的激光信号进行光电转换，将其变为电压信号。依据电压信号的强弱在水流速度较小且相同粒径分布条件下与含沙浓度呈正比函数关系来确定含沙量。

由于在坡面侵蚀过程中，坡面泥沙不断经历剥离、搬运、沉积过程，其径流中泥沙粒径的组成随时间不断变化，这与测量原理中泥沙粒径分布相同的假设相驳，而使此方法具有一定的理论误差，加之用此方法设计的测试仪器成本较高，设备笨重、庞大，而无法正确有效地测量坡面水流中的含沙量。

6）γ射线法。依据γ射线在含沙溶液中经泥沙颗粒的折射、散射和吸收作用，其透射强度将减小的原理测定含沙量。

当γ射线通过由土壤固体颗粒和水组成的固、液两相介质的混合体时，其强弱服从以下指数变化规律：

式中：μmw，μms分别为水和泥沙的质量吸收系数；ρw，ρs分别为单位泥水体积中水的质量，kg，和泥沙的质量，kg；L为γ射线透射的浑水厚度，m。

假设t1时刻γ射线穿过厚为L的混合体后其强度为I1，t2时刻为I2，依据泥水总体积不变，即泥沙增(减)的体积等于水量减(增)的体积，在△t=t2-t1时间段内：

ρs=2.65×103kg/m3为泥沙的比重，ρs=10×103kg/m3为清水密度。测出I1，I2，若已知t1时刻的泥沙含量，利用（6）式可算得不同时刻的含沙量。

由于γ射线水平透时，泥沙沉积和分层现象将对测量精度影响较大。γ射线测量仪测量含沙量时，虽然水流经过采样室时停留时间较短，测量中依然会由于时间的滞后性而影响含沙量变化量的同步测量；同时水流流入、流出采样室时会对水流的动力学性质产生影响，而一定程度上影响含沙量的准确测量。

2 结语

综上所述振动法、超声波法、激光法、γ射线法依据的测量原理各有不同，仪器设备也千差万别，不同程度地受到水流中泥沙运动情况及其粒径组成的影响，而使含沙量的测量结果存在一定的局限性，要精确测量径流中的含沙量还需要进一步加以改进。相比较而言，在现有测量方法中，烘干法、比重法和γ射线法是目前测量精度较高，应用较广泛的含沙量测量方法。