浅析含沙量的测量

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摘要:随着对基础理论的深入研究,各种新型测沙仪器不断产生。多年来科技人员一直在积极探求含沙量的现代测量方法,现浅析含沙量的测量。

Abstract: As the further research on the basic foundation, various new type instruments are produced constantly. For many years, the scientists and technicians are exploring the sand content measure positively. Now the sand content measure is analyzed briefly.

关键词:含沙量;直接测量;间接测量

Key words: sand content; direct measure; indirect measure

中图分类号:TV14 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)03-0037-01

常用的泥沙含量测量方法,根据测量原理的不同可分为:直接测量方法和间接测量方法。

1直接测量方法

含沙量的测量人们很早就进行了研究,开始人们主要采用直接取样测量的方法,其中包括烘干法和比重法。

1.1 烘干法

烘干法是应用最广泛的测定泥沙浓度的方法,其设备简单,方法易行,有较高的精度,常被作为评价其他方法的标准。步骤即为:量水样容积,沉淀浓缩水样,烘干烘杯并称重(100-110°C烘箱中烘2h),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,烘干法测量含沙量被认为是目前最准确的方法之一。

1.2 置换法

置换法是根据泥沙对含沙水体比重的影响来确定含沙量,即量水样容积,沉淀浓缩水样,测定比重瓶装满浑水后的重量(以下简称瓶加浑水重)及浑水的温度,计算泥沙重量。测量时可采用比重计,也可用天平和量筒进行测量,如测得样品的总重量为G(kg),体积为V(m3),则样品中的含沙量Cj(kg/m3)为:

Cj=(CsG-VCwCv)/(CsG-CwG)(1)

式(1)中:Cs=2.65×103kg/m3为标准泥重,Cw=1.0×103kg/m3,为清水密度。用此方法测量含沙量所用设备简单,测量方法更快更直接,但是比重法比烘干法测量精度低。

2间接测量方法

直接测量方法都存在着测量周期长,检测过程繁琐、劳动强度大,不能很好的监测水流的动态过程等局限性。为了能及时、快速测量含沙量,人们在经典测量方法的基础上发展了很多方法,目前主要有红外线法、振动法、电容法、超声波法、γ射线法、激光法[60,61]、同位素法等。

2.1 红外线法

红外线法取决于光与沙粒的相互作用,当光通过悬沙水体时,溶剂要吸收光能,吸收的数量与吸收介质及水体宽度有关,同时泥沙颗粒要对光进行散射。当射线进入某一水体被吸收后,透过光的强度与入射光的强度之间的关系由朗伯-贝尔定律确定:

I=I0(-α0expcl)(2)

式(2)中:I为透射光强度;I0为入射光强度;α0是消光系数,与物质性质有关;c是溶液中物质的质量浓度;l为光源与接收器间距离。如果α0、l为已知数,那么就可以通过透射与入射光线的能量关系来确定吸收物质的浓度。同理此时反射(折射、散射)光线方向上光线强度IE为:IE=I0-I。假定在反射光线方向上有一红外接收传感器,接收光强IF,IF=IE・B,B是和α0、l等有关的综合系数。从上式可知,接收光强与介质的浓度就有一个确定的函数关系了。朗伯-贝尔定律是在理想状况下得出的,实际情况则较复杂,如颗粒间互相遮掩,浓度分布不均,沙粒粒径及形状不同等,所以不同的沙样,其电流泥沙浓度关系曲线不相同,均需要进行率定。

2.2 振动法

振动法则是利用振动学原理,测量注有待测混水两端固定的谐振棒的震动周期,根据谐振棒在不同含沙量的泥水中的振动周期不同,来推求含沙量。在泥重、粒径组成一定,泥沙颗粒运动速度相同时,谐振棒振动周期T(s)与含沙量c近似呈线性正比关系如下:

c=aT+b (3)

式(3)中:a,b为常数,可通过实验事先率定。实验证实对于材料一定的谐振棒,棒体密度与其振动周期的平方成正比。由于实际测量中棒体的运动受水深、水流速度影响较大,测量设备一般采用金属空管代替谐振棒,当含沙水流进入管体时由于管子材料和体积一定,测量管的密度完全由管中液体的密度决定。如果水流中的含沙量发生变化,相当于整个管体的密度发生了变化,则管体的振动周期也随之发生变化,此时测量出泥水的密度,由管体密度与振动周期间的关系,通过(3)式可计算出河水含沙量。

2.3 电容法

电容法利用泥水混合物中泥沙含量的变化会引起其介电常数变化这一电物理学性质,通过测量电容的变化来测量含沙量变化。在平板电容之间,尽管其介电常数与含沙量之间不满足单调函数关系,但在含沙量未达到宾汉体之前,介电常数随泥沙含量的变化呈单调递增趋势。

电容传感器原理简单,只要两相流体具有不同的介电常数即可进行测量。而且电容测量系统构造简单、成本低、使用安全、响应速度快。但由于电容受温度影响较大,电容两端输出电压随温度、土壤含盐量升高而呈非线性增加趋势,使得电容法的适用条件受到一定限制,目前尚处在理论研究阶段。

2.4 超声波法

超声波法是最近几年很受关注的一种测量方法,根据超声波在混水中的衰减规律测量水体含沙量,可分为超声波反射法和超声波衰减法。前者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;后者考虑泥沙颗粒对超声波的散射、吸收和超声波自身的扩散因素,利用传感器检测其能量的衰减,来计算含沙量。超声波反射法对于低含沙量水流较敏感,测量精度较高,但测量范围较窄,在0-3kg/m3之间。加拿大生产的一种仪器设计测量范围为0.5-70kg/m3,但经在美国进行野外测量表明含沙量过低时测量准确度较低。

2.5 γ射线法

γ射线法依据γ射线在含沙溶液中经泥沙颗粒的折射、散射和吸收作用,其透射强度将减小的原理测定含沙量。γ射线水平透射时,泥沙沉积和分层现象将对测量精度影响较大。γ射线测量仪测量含沙量时,虽然水流经过采样室时停留时间较短,测量中依然会由于时间的滞后性而影响含沙量变化量的同步测量;同时水流流入、流出采样室时会对水流的动力学性质产生影响,而在一定程度上影响含沙量的准确测量。