比重瓶法测验低含沙量误差分析

吴彰松，张根广，梁宗祥，邢 茹

（西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100）



比重瓶法测验低含沙量误差分析

吴彰松，张根广，梁宗祥，邢 茹

（西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100）

摘 要：在河流水文测验、河工模型试验、水质评价及工农业取水中，通常采用比重瓶法测验含沙量。在含沙量较小时，因水中溶解质含量较大，用比重瓶法测验得到的含沙量往往大于实际含沙量，但测验者常常怀疑测验过程或测验仪器出现误差，而忽略其真正原因。通过某城市供水沉沙池试验的含沙量测验发现，影响低含沙量测验误差的潜在原因就是浑水中溶解质含量，它对含沙量的影响远远大于水体自身含沙量；此外，温度测验误差对含沙量的影响较大，并且含沙量越小，温度测验误差对含沙量的影响越大。基于此，提出了比重瓶法测验低含沙量的改进方法，得到了与烘干法基本一致的测验结果，为低含沙量测验提供了一些借鉴和参考。

关键词：比重瓶法；低含沙量；误差影响因素；温度；溶解质

1 研究背景

水体中的含沙量测验，是河流水文观测、河工模型试验、水质评价及工农业取水中必不可少的测验要素，对于上述课题研究领域具有举足轻重的作用。根据测验原理的不同，含沙量的测验方法分为直接测验法和间接测验法。直接测验法主要有烘干称重法和比重瓶法［1］。烘干称重法通常取一定量的浑水样，经过沉淀或滤纸过滤后，在烘箱中烘干，由秤称出重量，计算得到含沙量。比重瓶法也称为置换法，它是采用预先率定好的比重瓶灌装浑水水样，进行称重及水温测验，之后用浑水重减去同温度清水重，两者差值除以比重瓶体积，再乘以水沙置换系数即得到水体含沙量［2］。间接测验法主要有光电测沙仪法、同位素测沙仪法、激光测沙仪法和超声波测沙仪法等［1］。与直接测验法相比，间接测验法还处于研发阶段，测验精度低；另外，间接测验法采用的仪器都是基于光电、同位素、超声波以及核能等原理生产的，投资高、费用大。因此，现阶段水体含沙量普遍采用直接测验法。

烘干法是测定泥沙浓度最广泛的方法，设备简单，方法易行，有较高的精度，且常作为评价其他方法的标准［3］。但由于烘干法需对待测水样进行沉淀、过滤和烘干（烘干温度一般为105℃，时间10 h以上），使得整个测验过程费时费力［4］，因而，在实际含沙量测验中，通常采用比重瓶法。在实验室，采用比重法进行含沙量测验时，通常用蒸馏水或去离子水进行测验，这对于含沙量较大水体而言，因水质对含沙量的影响比较小，观测人员一般也不会考虑水质对含沙量的影响；但当含沙量较小时，水质对含沙量的影响就不可忽视，甚至水质对含沙量的影响远远大于水体自身的含沙量。鉴于上述原因，论文结合某城市供水沉沙池试验，对比重瓶法测验低含沙量可能产生的原因及影响因素进行了分析研究，结果表明：水样中溶解质含量是引起含沙量测验误差的重要原因，其含量远远大于水体自身的含沙量，温度误差对含沙量的测验误差影响也较大。基于上述认识，试验采用了模型循环水作为清水，并采用了精度较高的电子温度仪进行水样温度测量，使得含沙量测验结果与烘干称重法测验结果基本吻合，可为同类试验研究提供借鉴和参考。

2 比重瓶法测验含沙量原理和方法

比重瓶法具体计算过程如下：

式中：Ws为泥沙质量；Wws为比重瓶加浑水的质量；Ww为同温度下比重瓶加清水的质量；ρs为泥沙密度；ρ为水的密度；k为置换系数。

沙样含沙量计算公式为

式中V为比重瓶容积。

将式（3）中的单位统一为国际单位制，则含沙量的计算公式变为

在日常测验工作中，实验人员通常用蒸馏水或去离子水作为实验用水。为了计算方便，事先将不同温度的蒸馏水或去离子水重Ww制成表格以备查用。在计算含沙量时，根据瓶加浑水称重时所测得的水温，查出Ww值，即可由式（4）求出含沙量。

3 含沙量测验误差分析

3．1 测验误差分析

在某城市供水沉沙池试验过程中，需要测定沉沙池出口的含沙量及出池泥沙级配，根据上述含沙量的测验方法，出池含沙量均在0．9 kg／m3左右，见表1。由于出池泥沙级配较细，需要采用水分析法确定泥沙级配，根据测验规范，水分析法至少需要15 g沙样。根据上述含沙量实测值可知，取浑水水样20 kg，通过沉淀、烘干即可得到15 g以上沙样量，但实际实施过程中发现，20 kg浑水中仅有几克沙样，含沙量还不足0．1 kg／m3，与比重瓶法测验的结果差异很大；之后，反复取样测验分析，得到的结果基本一致。说明沉沙池出池含沙量确实很小。因此，作者就怀疑含沙量测验过程可能出现误差，并对实测过程的每个细节进行分析，也对测验仪器进行了比对，没有发现2种方法测验误差较大的原因。后来一个偶然的做法，揭开了问题的根源所在，即比较同温度自来水和去离子水的质量时发现，两者差异很大。用比重瓶法测验，计算自来水的含沙量，自来水的含沙量将达到0．9 kg／m3左右，也就是说，纯净的自来水水中溶解质含量已达到了0．9 kg／m3左右。因此，通过用自来水代替去离子水，进行含沙量测验，得到的含沙量与烘干法基本一致。之后，为了提高含沙量测验精度，测验含沙量的清水均用模型试验循环水经过若干天澄清过滤的水代替去离子水，同时为了分析其它因素对含沙量测验造成的误差，以及误差影响的程度，作者对实验用水和温度可能造成的误差及影响程度也进行了分析。

3．2 温度误差对含沙量测量误差的影响

比重瓶法测验含沙量需要利用温度计测量浑水、清水温度，因温度计自身精度误差或其它原因造成的温度偏离实际温度，也将造成含沙量测验误差。为了分析温度误差对含沙量测验结果的影响程度，假设表1中水样温度偏高1℃，则其含沙量测验结果见表2。

表1　某城市供水沉沙池试验测验的含沙量Table 1 Test results of sediment concentration of desilting basin for water supply in a city

对比表1和表2中的数据可知，当测得水样温度比实际温度高1℃时，测得的水样含沙量是实际含沙量的1．17～1．41倍。可见，温度测验误差对含沙量测验误差影响较大，含沙量测验中应采用文献［5］中规定的示值为0．1℃的温度计测验温度，并定期对温度计进行校验。

表2　表1中水样温度偏高1℃含沙量测验结果Table 2 Test results of sediment concentration of desilting basin for water supply in a city with the temperature 1℃higher than that in table 1

3．3 水样中溶解质对含沙量的影响

将模型试验中循环水经过沉淀、过滤后的清水代替实验室去离子水，然后测得与浑水同温度下的瓶加清水重Ww，代替表1中的瓶加蒸馏水重那一栏，计算得浑水含沙量见表3。

可见，表3中的含沙量明显小于表1中的含沙量，且表3中的含沙量与用烘干称重法计算值基本吻合。因此，在所取水样含沙量较低时，要获得准确的含沙量测验结果，就必须采用水样母体的清水代替实验室蒸馏水或去离子水进行含沙量测验，方可消除溶解质对低含沙量测验误差的影响，保证含沙量测验精度。

同样的，为分析上述更小含沙量测量时温度误差对含沙量测验结果的影响程度，假设表3中水样温度偏高1℃，则其含沙量测验结果见表4。

比较表2、表4计算结果可见，水样含沙量越小，由温度测验误差引起的含沙量误差越大。

表3　利用模型试验清水代替蒸馏水含沙量测验计算结果Table 3 Calculation results of sediment concentration by using clean water in the model instead of distilled water

表4　表3中水样温度偏高1℃含沙量测验计算结果Table 4 Calculation results of sediment concentration test with the temperature 1℃higher than that in table 3

4 结 论

论文结合某城市供水沉沙池试验，分析了影响比重瓶法测验低含沙量的误差因素，得到了以下结论：

（1）用比重瓶法进行低含沙量测验时，水样中溶解质含量远大于水体的含沙量，对含沙量测验精度影响很大。为消除水样中溶解质对含沙量测验带来的误差，提高水样低含沙量测验精度，需要用水样母体清水代替实验室蒸馏水或去离子水进行含沙量测量。

（2）温度误差对含沙量影响也较大，并且含沙量越小，温度误差对含沙量的影响越大，因此在含沙量测验中，应采用规范规定的示值为0．1℃的温度计测验温度，并定期对温度计进行校验。

参考文献：

［1］ 陈 诚，贾宁一，蔡守允．模型试验测验技术的研究应用现状及发展趋势［J］．水利水运工程学报，2011，（4）：154－158．

［2］ 蔡守允，朱其俊，张晓红．模型试验含沙量测验仪器的分析研究［J］．水资源与水工程学报，2007，18（5）：83－85．

［3］ 陈敏杰，王伟聪．浅析含沙量的测验［J］．价值工程，2010，（3）：37．

［4］ 付艳红，时铁彬，徐 岩．含沙量测验方法及比较分析［J］．东北水利水电，2010，（9）：35－36．

［5］ SL99—2012，河工模型试验规程［S］．北京：中国水利水电出版社，2012．

［6］ GB／T50123—1999，土工试验方法标准［S］．北京：中国计划出版社，1999．

（编辑：赵卫兵）

Error Analysis of Low Sediment Concentration Measured by Pycnometer Method

WU Zhang⁃song，ZHANG Gen⁃guang，LIANG Zong⁃xiang，XING Ru
（College of Water Resources and Architectural Engineering，Northwest A＆F University，Yangling 712100，China）

Abstract：Pycnometer method has been widely used in sediment concentration measurements such as river hydrolog⁃ical measurement，model test of river engineering，evaluation of water quality and water intake in industry and agri⁃culture．However，when sediment concentration is low，the sediment concentration measured by pycnometer method is usually greater than the actual value because the content of dissolved matter is big．In face of such phenomenon，test engineers often doubt error of test instruments or test process，but can’t find the real reasons．Through the sedi⁃ment concentration measurement of desilting basin test of water supply in a city，we found that the content of dis⁃solved matter in the water is crucial to the measurement error of low sediment concentration；nevertheless，tempera⁃ture greatly affects sediment concentration，and the smaller the sediment concentration is，the bigger the effect of temperature error is．On this basis，we put forward the improved pycnometer method to measure low sediment con⁃centration，and test results by the method is basically consistent with those by drying method．Finally，it can pro⁃vide reference for test with low sediment concentration．

Key words：pycnometer method；low sediment concentration；influencing factors of error；temperature；dissolved matter

通讯作者：梁宗祥（1964－），男，陕西宝鸡人，高级工程师，主要从事水工水力学方面的研究，（电话）13772180505（电子信箱）liangzx＠nw⁃suaf．edu．cn。

作者简介：吴彰松（1992－），男，河南信阳人，硕士研究生，主要从事水利水电工程研究，（电话）15249188271（电子信箱）wuzs812＠163．com。

基金项目：国家自然科学基金项目（51279170）

收稿日期：2014－10－13；修回日期：2014－12－13

中图分类号：TV149．1

文献标志码：A

文章编号：1001－5485（2016）03－0005－04