含沙量在线监测方法研究进展

柳 波 韦方洋 刘 金

（碧兴物联科技（深圳）股份有限公司，广东 深圳 518101）

河流中沙含量情况反映水土流失状况、河流水生物的生长环境。河流中泥沙会影响水质监测指标，泥沙含量对水质评价主要污染指标CODMn、氨氮、 BOD5以及重金属的分析检测有重大影响。穆伊舟等发现黄河水体中含有的大量泥沙，在对水质造成影响的同时，对入河污染物具有吸附、迁移和净化作用，给水质评价带来很多问题和困难。因此，研究河流中泥沙含量有非常重要的生态意义。

常用的泥沙含量测量方法可以分类为直接测量法和间接测量法。直接测量法一般作为间接测量法的衡量标准，需要在实验室人工操作。间接测量法可以实现设备的自动在线监测，解放人工，省时省力。

1.直接测量法

直接测量法是实验室含沙量手工测定广为使用的测量方法，具有设备简单、方法易行且精度较高等优点。该法需要经过现场取样，然后通过过滤、烘干等方法将泥沙中的水去除，以确定其含沙量，因此测量周期长，无法连续测量，很难在在线仪表上实现。直接测量法有称重法和比重法等。

1.1 称重法

称重法是应用最广泛的测定泥沙浓度的方法，常被作为评价其他方法的标准。传统上含沙量测量是采用取样称重的方法，取一定体积的具有代表性的样品， 经过预处理，然后烘干、称重，即可求知含沙量。具体步骤为：量水样容积，沉淀浓缩水样，烘干烘杯并称重，将浓缩水样倒入烘杯，烘干、冷却，最后称量沙重。随着电子天平的使用，称重精度得到很大提高，该法测量水中含沙量被认为是目前最准确的方法之一。

1.2 比重法

比重法是根据泥沙对含沙水样比重的影响来确定含沙量，即需要测得水样容积、水样温度、比重瓶装满后的重量。比重法可以使用比重计，也可以使用天平、量筒等测量含沙量。该法比烘干称重法更快更直接，但是精度低于烘干称重法。

称重法和比重法受人工采样的随机性影响很大，同时测量周期长，主观误差大，劳动强度高，无法满足快速准确获取泥沙含量数据的需要。

2.间接测量法

基于经典测量方法，发展出了许多类型的间接测量方法。间接测量方法可以快速及时的在线监测水体含沙量。间接测量方法主要有光度法、红外线法、电容法、振动法、超声波法、激光法和γ射线法。

本文主要介绍在线监测领域使用较为成熟广泛的红外法（光学法）、超声波法（声学法）、振动法以及商用的在线监测设备。

2.1 红外法

含沙水流可以透射部分光线，一部分光线被吸收和散射，剩余的光线则被反射。随着含沙量的增加，泥沙对光线的反射增强。因此入射光源强度一定时，水流含沙量与反射光产生的电压信号强度有一定的对应关系，可以来表征水流含沙量的大小。系统是将泥沙监测仪安装在单沙点或者具有断面代表性的点，通过建立单沙点与断面平均含沙量的关系，经比测得到断面平均含沙量。适用于天然河道、渠道、水库等水体中悬移质泥沙含量水体测量。

红外法是目前国内外在线含沙量监测设备最常使用的监测方法，表1列举了主流厂家的相关监测设备。

表1 水体含沙量在线监测设备

2.2 超声波法

超声波法可以分为超声波反射法和超声波衰减法。超声波反射法是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。系统通过测量一定深度剖面内的泥沙或其他悬浮颗粒反射回来的信号来计算粒径和含沙量数据。它可以测量1~2米水深范围内的剖面分布数据，每一采样深度间隔可设定，设定范围2.5毫米到几厘米。泥沙监测应用一般可监测剖面深度为1~2米，疏浚回淤研究中可测剖面深度达10米。

超声波衰减法则是考虑泥沙颗粒对超声波的散射、吸收和超声波自身扩散，利用传感器检测其能量的衰减来计算水体含沙量。其量程范围宽，测量速率高，重复精度高，采样频率高。

超声波法设备应用于河口、河流、水库及海洋含沙量、粒径测量监测，可以用于泥沙运动研究、泥沙（悬浮颗粒）剖面分布、水下沙丘演变，疏浚回淤研究等。超声波法在低含沙量水体监测时有较好的稳定性和准确度，因而在线含沙量监测设备也有诸多使用，表2列举了主流厂家的相关监测设备。

表2 水体含沙量在线监测设备

2.3 振动法

振动法是根据振动学原理，两端固定的谐振棒的谐振频率随流经的水体含沙量而变化，不同含沙量的水体对应的谐振棒振动周期不同，与泥沙粒径无关，从而通过测量振动周期或者振动频率就可以得到含沙量。

当含沙水体穿过振动管时，振动管的振动频率随水体含沙量变化，测控板把振动频率的变化量转换为含沙量，实现含沙量的自动在线测量。表3列举了主流厂家的相关监测设备。

表3 水体含沙量在线监测设备

3.测量方法对比

目前的水体含沙量测量方法较多，每种方法都有各自的优缺点，应用在特定领域。表4对各类测量方法的测量原理、优点和缺点进行了对比。

表4 不同含沙量测量方法优点和缺点对比

称重法和比重法主要用于实验室测量，可以作为红外法和超声波法测量结果的比较基准。

同位素法（γ射线或X射线）由于放射源辐射问题存在较大安全隐患，不符合绿色安全环保的理念要求，同位素法的推广应用较为受限。雷廷武等首次尝试采用 γ射线透射法测量土壤侵蚀径流中的含沙量，结果表明，γ射线透射通过泥沙溶液的强度与水流含沙量间有极度显著的线性相关关系，并与理论计算结果高度一致，表明可由γ射线透射强度稳定、可靠、准确地确定含沙量值。

振动法仪器整体结构较为复杂，频率传感器易受水流冲击影响测量精度。目前国内北京美科华仪的悬移质测沙仪SV-150可实现含沙量的在线监测，输出时间、含沙量、水深和水温等信息，且无需现场标定，长期稳定性良好。

红外法和超声波法由于其快速实时的检测优点，适用于无人值守的在线监测工况。目前采用红外法和超声波法作为测量原理的在线监测设备较多，也说明了应用技术较为成熟。王丽萍等通过对河水中超声波的衰减规律进行了理论推导和分析， 提出了用增益补偿实现对河水泥沙含量进行测量的新方法。该方法为实现对河水泥沙含量的自动测控奠定了理论基础。

电容法的测量原理和设备结构简单，使用成本低，响应速度快。但电容法受温度、水体流速、盐度等因素影响较大，水体中含沙量的测量结果易受干扰，因此电容法目前并没有得到广泛应用。

遥感光谱分析法是通过对悬沙水体进行遥感光谱反射率的测量来间接测量水体的含沙量。遥感光谱分析法适用于大面积水域的检测，比如湖泊、水库、河海口，并受气象条件的限制影响。遥感光谱分析法由于应用场景受限、技术门槛高、测量成本高，因此应用较少。

4.结语

当今社会，人们对水质状况越来越关注，因此，如何快速、准确地测量含沙量是环保水利工作者和设备厂商的研究重点。含沙量测量方法多种多样，各有适应场景。随着科技进步， 测量含沙量的方法日趋完善。但是，由于水中泥沙颜色、粒径以及本身运动状况较为复杂，目前含沙量的测量结果存在一定的局限性，含沙量的精确测量还需要进一步研究，测量设备功能进一步提升。