河流泥沙颗粒分析中激光粒度仪的应用

2020-02-28钟凭源

经济技术协作信息 2020年26期

◎ 钟凭源

引言：激光粒度仪的测量原理总得来说为光的衍射和散射，当然，既然本文分析的是河流中泥沙颗粒的测量，那么此处便是通过光在颗粒之间进行衍射和散射时，记录光的传播时延来达到一个整体的河流空间宏观整体分析的目的，之所以用光在河水中进行测量，是因为在测试的过程当中，不会受到颗粒密度和颗粒表面粗糙状态，以及温度，河床下水流或其他物质黏度的影响，激光粒度仪要做的，仅仅是把河流中的泥沙颗粒均匀的置于激光束当中，相比沉淀法，筛分法等步骤繁多，误差又大的方法，可谓既省时又省力，这对于实际工程中，提高测量时的效率，保证施工进程的时效性，高效性，稳定性有着不可轻视的作用，接下来将具体介绍激光粒度仪在河流泥沙颗粒中的应用。

一、激光测量原理及分析方法

1.激光测量原理。工程中既然要使用激光粒度仪分析河流泥沙颗粒，所以着重讨论激光粒度测量的具体原理，此方法用到的主要工具为激光，激光频率高，波长短，具有良好的反射性质，激光的光谱也比较特殊，它有较高的辨识度，单色性便于机器接收识别，进一步为计算机的计算分析提供了便利，同时如前面所述，波长短这一特性突出了激光的单向性，几乎很少会发生散射的现象，有利于在被测量颗粒样本表面进行快速的反射，计算机通过激光的在空间当中的反射情况，更加合理的分析出河流中泥沙颗粒的分布，得出的结论误差往往更小，更加准确，适合实际工程中的测量。另一方面，测量的原理也与散射的强度有关，如果从散射方向的角度来看，前进方向的强度如果最大的话，其现象便称作衍射，这时，当被测样本中的颗粒越大时，那么散射光线矢量方向与主光束矢量方向之间产生的夹角也会越小，因此在测量时，可以根据这一过程来判断出河流泥沙颗粒的数量，激光粒度仪发出的主光束在直射过程中产生的散射现象越强，那么说明泥沙颗粒的密度越高。

2.激光测量分析方法。光敏探测装置将客观上反映样本泥沙颗粒密度的空间分布信息的光信号，装换成电信号模拟量，模拟量离散为数字量后就可以被计算机识别，获得信息后，需要将测得的空间分布物体形状转换成许许多多大小直径不等的球形颗粒，其实本质上是一种替代的分析方式，通过计算机的智能分析和模拟，我们能得出一个比较精确的测量结果，相比之前的方法，误差能够保持在符合技术指标的阈值范围内。

3.激光法中的干扰问题。在分析反馈与误差的系统时，不仅要考虑迭代的过程中最终结果是否收敛或者达到稳定，进而判断稳定状态和实际情况之间的误差，还要考虑到反馈控制理论中噪声的干扰，因为噪声干扰也是会影响到最终结果的准确性的，尽管一些小的噪声是可以基本忽略的，但也不能排除会对激光产生影响的重大因素，其次也应该考虑到样本或者水下环境的影响因素，根据泥沙颗粒特性，颗粒表面可能会有粘性介质，这势必会影响到颗粒表面的粗糙程度，我们都知道的常识是，光在光滑表面和粗糙表面的反射情况是不同的，而某些河流流域中的颗粒表面可能就会产生这种类似光滑的效果，而且颗粒之间是否会产生团聚的现象，也是不能一概而论的，要看具体的水质环境及形成历史等因素，因此采用激光粒度仪测量时，也要根据环境来调整不同的误差阈值，更新兴的技术便是根据人工智能学习算法来进行场景的积累和数据的修正。

4.河水流速对测量误差的影响。在讨论河水流速的影响前，应该先对泥沙颗粒透明度进行一个辩证分析，众所周知，砂砾是晶体，它是具有一定的透明度的，那么水中的激光在照射到透明晶体表面时，不同的介质之间，一定会产生折射现象，对于利用散射现象原理的测量来说，也会产生误差，但是砂砾晶体是大颗粒，激光对于小颗粒的散射现象还是比较准确的，大颗粒首先可能会筛选出去，不管是人工还是计算机智能辨别，误差应该都在可接受范围内，因为此种误差出现的概率比较小。那么如果采用取样的方式，在实际测量中不同于在河流中直接测量，能否准确的模拟河水的流动各个方面，如流速，水流的走势，等成为了一个关键难题，泥沙颗粒的分布也与河流水势有关，举个例子，河流中经常会产生对流或旋涡，但是在取样采集测量时这是很难进行模拟的，可能会用到一种随机化的概率方法，但对于误差和精度的要求仍旧是一项不小的挑战。

二、河流泥沙颗粒分布特征分析

1.泥沙颗粒粒级配特征。对于大河流域的颗粒分布，不同地区因为地质，大气环境的不同，也会呈现出各种各样奇妙的特征，比如说大部分的地区泥沙颗粒的直径相对较短，这也就意味着颗粒较小，因此同一体积或容量下的数量可能就较多，密度更高，主要存在的是粉砂，也有少量大颗粒的砂砾，在这种情况下，前文所考虑的激光在透明晶体中的折射产生的误差几乎可以忽略不计。不仅是不同的地区，就同一河流，从空间上来说，不同河段的情况也会不同，从时间的维度来考虑，同一河段，不同时期的泥沙颗粒分布亦有不同的呈现。

2.雨季对泥沙颗粒分配的影响。一年之内，根据季节的不同，颗粒分布也会存在变化，宏观上来看，这是根据时间维度来考虑的，这其中影响尤为显著的便是雨季的到来，降雨比较集中的月份会导致泥沙颗粒粒径的减小，更严重的方面来考虑，洪水和泥石流现象在某些地区相比之下是比较常见的，与之相对的还有旱期的影响，如果平时土地的沙土比较干燥，那么在洪水到来时，其中的泥沙将会更加容易的被冲刷如河流当中，不论是较大的颗粒还是较小的颗粒，但洪水时期大部分的泥沙都是大颗粒，而且河水在此时也是异常浑浊，这是河底泥沙被水流冲击上来的体现，总的来说，洪汛期一般都是冲击大颗粒，河道分布也以此为主，而旱期则是相反，河流中泥沙颗粒较细小柔和，激光粒度法在旱期的测量结果的精确度应该是高于汛期的。

3.泥沙颗粒分布年均变化。单单针对某一时期的河流泥沙颗粒分布讨论意义可能不大，要考虑的是年均变化，大多数的地区，每年平均粒径的变化幅度还是比较大的，与此同时也需要考虑到年份也是有大水，普通，干旱之分的，从前文得到的结论是年平均粒径基本上和上述顺序是呈现反比的，这只是宏观上来看，因为各种其他因素的影响，并不是呈现线性分布，相比自然因素，人工因素也要考虑在内，各种水利工程也会影响泥沙颗粒的分布，比如水库蓄水功能就会降低河水流速，流速减少，颗粒也会减少，不仅如此，粒径也会不断变小。