马尔文MS2000激光粒度颗分仪测试分析

◎赵建波　张　婷



马尔文MS2000激光粒度颗分仪测试分析

◎赵建波张婷

◆作者系陕西省宝鸡水文水资源勘测局工程师

1　基本情况

在水利工程中，需要研究解决的泥沙问题内容十分广泛，但总的来说不外乎两个方面：一是研究泥沙在水中的运动规律，以达到了解自然的目的；二是运用上述规律采取工程措施，达到兴利除害改造自然的目的。泥沙颗粒分析（简称颗分）资料在上述两个方面都有着重要的作用。宝鸡水文局目前承担泥颗分析任务的水文站为拓石、千阳、魏家堡、林家村4站，一直沿用分析方法为吸管、筛吸结合分析法，其分析结果为质量百分比，该方法操作过程繁琐、效率低、劳动强度大，分析一个泥颗样品打样、吸样到称重需要6个多小时的时间，加之人工操作存在人为误差，影响分析质量；同时资料计算通过手工方式，难以及时取得分析成果，不能满足河流治理开发、管理对泥沙颗粒级配资料的实效和精度要求，这与新形势下水文工作的需求很不适应。

黄委三门峡水文局从2005年至今已使用英国马尔文公司的马尔文MS2000激光粒度颗分析仪进行泥颗分析工作，经过十年运行使用，该仪器测量简单快速、测量结果稳定可靠、数据精度高；测试结果为体积百分数分布，具有传统方法所无法比拟的高精度、高效率、高自动化程度的显著优势，具体表现在：

（1）仪器分析粒径范围为0.02um～2000um，对一个单沙样品测量过程完成全部分析内容。

（2）样品预处理，测量到数据输出只需3min,与传统方法相比，极大提高了工作效率。

（3）通过软件设置标准操作程序，实现了泥沙颗粒级配过程的全自动控制。

随着社会经济的飞速发展，水资源管理、评价及水利工程规划对泥沙颗粒级配分析的时效性、准确性的要求会越来越高，如何快速、准确的实施泥沙及粒度的有效监测，为河流的治理、管理、开发提供有效技术支撑，因此改变传统的分析方式，运用新的仪器进行颗粒分析十分必要。

2　测试依据及参数设置

表1　测量黄河泥沙颗粒级配参数值（HYDRO 2000MU型）

2.1样品选用及测试依据

本次测试选用拓石站2015年30个泥颗样品进行测试，测试执行《河流泥沙颗粒分析规程》（SL42.2012）相关规定及《马尔文MS2000激光粒度颗分仪操作规程》。

表2　拓石站泥沙粒度分析报告参数一览表

2.2参数设置

黄委三门峡水文局于2002至2004完成了马尔文MS2000激光粒度颗分析仪进行泥颗试算分析比对工作，采用激光仪与移液管、筛吸结合分析两种方法，历时三年对2000多个（包括中、粗、细各种类型）泥颗样品进行了比对试算，率定出了适合黄河流域河流泥沙颗粒级配特性的仪器参数，本次测试采用三门峡水文局率定的仪器参数进行试算，详见表1。

3　测试情况

3.1仪器测试

本次测试对2015年拓石站30个泥颗样品进行了测试，测试结果以粒度分布数据表、分布曲线、D0.1、D0.5、D0.9等方式显示，打印和记录。

样品遮光度的合适值范围为10% ～20%，由表2分析可知，除施测号数为27、31、46样品的遮光度偏大，其余样品遮光度都基本接近遮光度最佳值15%；残差最大0.358%，最小0.241%，都满足残差小于2%的仪器规定使用要求。详见表2

3.2移液管、筛吸结合分析

本次分析选取13个沙重为8g～10g的泥颗样品，采用吸管、筛分析方法进行了对比分析，施测号数为48的泥颗样品级配曲线与粒径沙重百分数50%的垂直线无交点，该泥颗样品无中数粒径，舍弃该样本，对比分析总计为12个泥颗样本。

表3　渭河拓石站实测悬移质单样激光仪与筛吸结合分析颗粒级配对比成果表

样品选取原因：

1.样品代表性好，不同粒径沙重百分数分布均匀，颗粒级配曲线分布比较合理；

2.有利于筛上部分粒径分析，筛上粒径分析在0.062mm～1.0mm范围之间，因为沙重太小，虽然有沙重，但无法进位，一般筛上部分级配曲线和仪器分析曲线比较，人工绘制曲线较短。

本次对比分析情况，详见拓石站实测悬移质单样激光仪与移液管、筛分析颗粒级配对比成果表3；同时手工绘制了同一泥颗样品两种方法分析结果级配曲线图。

由表3可以看出

1.粒径级在0.002mm～0.016mm之间，重量法分析的沙量百分数总是大于仪器法分析的结果，且结果差别较大；粒径级在0.031mm～2.0mm之间，结果差别小，且粒径级越大，结果越接近。

2.经对两种方法的中数粒径（D50）对比发现，12个泥颗样本中数粒径（D50）不相等。施测号数43泥颗中数粒径偏差最小，偏差为0.001，施测号数46泥颗中数粒径偏差最大，偏差为0.004，12个泥颗样本平均偏差为0.003。其中中数粒径（D50）偏差≤0.001的累计概率为8.33%，中数粒径（D50）偏差≤0.002的累计概率为33.3%，中数粒径（D50）偏差≤0.003的累计概率为91.7%，中数粒径（D50）偏差≤0.004的累计概率为100%。

3.由两种分析结果对比分析可知，仪器分析级配曲线光滑、拟合性好，测量范围宽，成果精度高；传统方法分析级配曲线光滑性、拟合性较差，测量范围窄，成果精度低。

4　原因分析：

（1）人工分析时，在打样的均匀程度、吸管深度、吸样量的准确度、样品称量等的人为误差，还有天平称量状态是否正常及温度、湿度等因素的影响，可能导致出现较大人为偶然误差和系统误差，在沙重小、粒径小的情况下，出现误差的可能性越大。

（2）仪器分析从打样、分析、计算全部自动完成，避免了人为操作偶然误差，只要做好工作环境中振动、灰尘、温度、湿度等影响因素及样品前期处理、管理维护和规范操作等环节的控制工作，系统误差相对固定，测试结果不会出现较大波动。

5　整编试算

三门峡水文局对泥颗成果整编采用数据录入，成果计算采用北方片整编软件进行整编计算，为此我们完成30个样品测试后，进行数据录入，用南方片整编软件进行了试算，完成了拓石站实测悬移质单样颗粒级配成果表。

6　结论

（1）30个样品的遮光度处在合适值10%～20%范围之内，样品的遮光度比较稳定，且残差小于2%，符合黄河流域泥沙颗粒级配特性，在今后测试样品时，建议可直接采用三门峡水文局率定的仪器参数进行泥颗测试工作。

（2）粒度分析报告中的粒度分布曲线光滑，拟合性好，该测量范围比传统方法的测量范围宽；成果精度高且性能稳定，具有传统方法所无法比拟的高精度、高效率、高自动化程度的显著优势，建议在今后的泥颗分析工作中，该仪器可推广使用。

7　经验

（1）该仪器灵敏度高，对工作环境要求较高，如周围的振动、灰尘、温度、湿度要相对稳定，否则对仪器测量分析均有影响；

（2）对沙样前期处理要求高，特别是去杂质步骤不能省，否则影响测量精度；

（3）测定泥沙浓度控制，通常1.3次加样量达最佳遮光度为适宜浓度；

（4）分析用水，由于汽泡对测量结果影响较大，因此消除水中汽泡至关重要；

（5）取样误差是测量误差的最大原因，因此具体操作应严格掌握。陕西水利

参考文献：

（1）SL42.2012《河流泥沙颗粒分析规程》；中华人民共和国水利部；2012

（2）《马尔文MS2000激光粒度颗分仪操作规程》；英国马尔文公司

（3）SL247.2012《水文资料整编规范》中华人民共和国水利部；2012

（4）水利电力部水利司，《水文测验手册》「M」，北京：水利电力出版社，1975。

（责任编辑：王剑）