激光粒度分析仪在水利河道沉积物分析中的应用

刘建红，邵 红,刘红艳

(1.延安水文水资源勘测局， 陕西 延安 716000；2.榆林水文水资源勘测局，陕西 榆林 719052)

1 检测仪器选型与实验样本来源

1.1 激光粒度分析仪性能指标与标定校准

为实现对水利河道沉积物中颗粒物质的分析，选择黄委中游水文局泥沙室的两台激光粒度分析仪作为样本测定的主要仪器[1-2]。仪器型号为YRCC·NKG-2800型，制造日期为2020年3月。仪器工作原理如图1,在此基础上，设定此次实验中仪器操作性能指标，如表1所示。

图1 激光粒度分析仪工作原理

本次试验选在黄委中游水文局泥沙室，符合仪器规定要求的使用环境及安装条件，因此，通过采样后实验室检测即可。

YRCC·NKG-2800型激光粒度分析仪使用标准粒子(碳酸钙CaCO3)进行仪器自校准(标定)[3-4]。标定校准是确保仪器在应用中具有较高精准度与较强实操性的主要措施之一，此次标定机组结果准确性符合出厂标准要求[5]。标定结果如表2所示。

表1 激光粒度分析仪性能指标

表2 YRCC·NKG-2800型激光粒度分析仪标定校准结果

综合上述标定校准结果可知，选用的仪器准确性符合此次应用实验需要。

1.2 水利河道沉积物样本

本次用于试验分析的样本采集于黄河中游的黄河河曲水文站、无定河白家川水文站的悬移质沙样以及黄河山东利津河床质[6-7]。实验样本已经经过了1.0 mm的水筛处理。试验沙样基本情况如表3。

表3 2021年颗粒质量检验试验沙样基本情况

1.3 实验方法

完成上述相关研究后，利用水利河道沉积物样本中颗粒群具有的散射效应，使用YRCC·NKG-2800型激光粒度分析仪，对水利河道沉积物样本中的粒度分布进行分析。将上述表3中采集的样本放置在分析仪中，沉积物中的颗粒在仪器发射激光的照射下将发生散射反应，此时，散射光的角度将与沉积物中颗粒直径呈反比例变化关系，对应的散射光强度也将在角度发生增加变化后，出现对数衰减规律。仪器在发出激光光束后，进行光束的扩束、滤波等处理，最终光束发生汇聚，汇聚后的激光光束照射到被测样本区域，不同粒径的沉积物在激光的照射下产生大量散射谱，对应的散射谱将通过傅里叶镜片聚焦，并被其后端的光电探测针主动接收。接收后的散射谱在仪器中沿着放大线路被持续传输到计算机设备进行处理。按照此种方式，便可以在计算机设备的监测终端，提取不同测试样本的颗粒群粒度、空间分布等参数。将所获取的参数信息导入粒度处理分析软件，即可得到本次实验所需的多项水利河道沉积物粒度测试指标。在进行沉积物的分析中，对激光粒度仪的具体应用操作如下：

第一步，使用蒸馏水对水利河道沉积物进行浸泡，浸泡后在溶液中加入过氧化氢，避免水体中的有机物对激光粒度仪测定结果造成影响。

第二步，调试激光粒度仪的测试范围、测量速度SOP等功能。要保证相关操作在软件规范化指导下实施，避免人为操作对激光粒度仪检测结果造成偏差。

第三步，调整激光粒度仪的泵送速度，保证不同粒径的沉积物可以均匀进入检测区域。

第四步，将计算机等辅助性工具与激光粒度仪进行连接，对测量结果进行整理与计算，统计沉积物中颗粒粒度与粒径，根据测量结果绘制沉积物粒度众数分布曲线。以此完成基于激光粒度仪的水利河道沉积物粒径与分布测定。

2 实验结果

2.1 误差统计

在分析沉积物中颗粒粒度时，可以参照公式(1)计算：

C(i)=T(i)-D(i)×(1-γ)

(1)

式中：C(i)为测试样品i的颗粒粒度百分含量，%；T(i)为全样i的颗粒粒度百分含量，%；D(i)为样本分散状态下的颗粒粒度百分含量，%；γ表示为样本中沉积物含量。实验中将仪器检测得到的相关数据代入计算公式(1)，得到不同测试样本的颗粒粒度。

实验过程中，对YRCC·NKG-2800型激光粒度分析仪的操作按照国家水利行业发行标准《河流泥沙颗粒分析规程》(SL 42—2010)文件执行，试验分析精度指标按照规程SL 42—2010第7.2.8条规定执行。

2.1.1 重复性测试误差统计分析

通过上述实验，得出试验结果,如表4。

表4 YRCC·NKG-2800型激光粒度仪重复性测试误差统计分析结果

续表4

从上述实验结果可知，YRCC·NKG-2800型激光粒度仪重复性测试误差统计分析结果满足规程SL42—2010中7.2.8条对重复性规定的小于2的要求。

2.1.2 平行性测试误差统计分析

通过上述试验，得出实验结果，如表5。

表5 YRCC·NKG-2800型激光粒度仪平行性测试误差统计分析

从上述实验结果可知，YRCC·NKG-2800型激光粒度仪平行性测试误差统计分析结果满足规程SL 42-2010中7.2.8条对平行性规定的小于3的要求。

2.2 沉积物粒径区间分布检测结果

再利用激光粒度分析仪对沉积物粒径分布的区间范围进行检测，同样将细沙1号、中沙2号和粗沙3号作为实验样本，针对三种能够类型沉积物在水利河道当中的分布情况进行探究，并将得到的结果绘制成图2所示。

图2 沉积物粒径区间分布检测结果

从图2中得出的检测结果可以看出，三种不同样本类型呈现出在B分区和C分区体积较大，而在A分区和D分区体积较小的分布形式。这一分布情况与该水利河道实际三种沉积物的分布情况完全相同。

3 结果讨论

基于激光粒度分析仪得到的测定结果，对水利河道当中沉积物测定时影响测定精度的因素进行分析[8]。在水利河道当中的沉积物通常是方解石这一陆源碎屑，在测定中可通过显微镜直观区分出方解石这一类型的沉积物，但在利用激光粒径分析仪进行测定时无法实现对生物成分与方解石碎屑成分的有效区分。因此，在成岩作用的影响下，方解石的存在会在一定程度上影响到最终的测定精度[9-10]。针对这一问题，在实际测定中可通过重力管的应用解决，以此降低方解石对最终测定结果精度的影响程度，从而进一步提升激光粒度分析仪的应用效果。

4 结 语

利用激光粒径分析仪进行测定时无法实现对生物成分与方解石碎屑成分的有效区分，在后续应用这一仪器设备对不同环境中的沉积物进行测定时，可以结合本文上述论述内容，通过重力管的应用解决，不仅能够确保分析结果的可靠性，同时还能够结合分析得出的结果实现对沉积物分布特点的分析。将这一仪器设备与其他测量方法结合，也可进一步促进分析结果的精度提升。