论文部分内容阅读
摘 要：光电测沙法、同位素测沙法及超声波测沙法，由于其方便快捷并且精度较高的优点已经被广泛运用于水体含沙量的现场测量中，但三种方法都不能很好地解决高含沙量情况下的测沙问题。比热测沙法做为新兴的测量含沙量的方法，无论在经济性、实时性、便捷性，还是在测量范围和精度上都有着独特的优势，其在高含沙量情况下的优势与光电测沙法、超声波测沙法等形成天然的互补，也使其在含沙量测量领域有着广阔的前景。
关键词：含沙量 比热容 光电法 同位素法 超声波法
中图分类号：S157 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）006-073-02
含沙水对港口、航道及近海工程等多方面有着重要的影响，对含沙水中含沙量的测量，具有十分重要的工程意义。在目前的研究领域中，主要的测量方法有烘干称重法、比重瓶法、光电测沙法、电导率测沙法、超声波测沙法等等。由于各种方法依据的物理原理不同，每种方法都有其独特的优点，但同时，它们或在测量精度，或在测量范围，或在测量实时性，或在实现成本上存在着弊端。因此，实际运用中也是根据不同的工程条件选择不同的测量方法。而现场测量含沙量则是要求在保证一定测量精度的基础上，对测量的实时性有一定要求。目前采取的主要的现场测量含沙量的方法有光电测沙法、同位素测沙法及超声波测沙法，或者选用多种方法进行相互补充和校正。
本文意在总结如今已经较为成熟和常用的三种现场测量含沙量的方法，并且提出一种新的方法，即比热测沙法，作为含沙量测量这一领域的拓展和对常用的现场测沙法的补充。
1 常用的现场测量含沙量方法浅述
常用的现场测量含沙量方法有很多，由于天然河流泥沙无论是粒径分布还是泥沙含量范围都很广，因此常需要用不同测沙方法相结合才能准确测得含沙量。常用的各种含沙量测量的方法都有其优点和弊端，比如烘干称重法虽然精度较高，但其步骤较为繁琐、操作较为复杂、花费时间较长，因此常只作为实验室的准确测量。此部分只介绍现场测量时最常用的三种测量含沙量的方法。
1.1 光电测沙法
光电测沙法主要是基于浑水消光定律。将一束光射入含沙水体后，水体中的颗粒会吸收一部分光，用光电器件捕获剩余的透射光，并将其转化为电信号传给计算机，计算机通过一系列数据转换、对比、匹配等，最终就可以输出水体的含沙量。
光电测沙法不仅可以测量水体含沙量，更是测量水体中泥沙粒径的常用方法，其特点就是快速简便。光电测沙法的误差主要来自于非线性带来的误差和粒径变化产生的误差，但这都可以通过对光信号与含沙量关系的率定来减小或消除。
光电测沙法作为如今比较成熟的测量含沙量的方法之一，已经衍生出许多分支，比如红外光的光电测沙法就是如今比较流行的光电测沙方法。
由于光电测沙法的局限性，其在高含沙量区域并不能达到较高精度，因此多是用于含沙量较小的水工模型试验和沿海水文测量。
1.2 同位素测沙法
同位素测沙法，也叫 射线法，是利用核放射放出的 射线探测水体中的含沙量的。原理与光电测沙法类似。当 射线穿过含沙水体时，其强度会随着含沙量的增加而发生有规律的减弱，通过对探测器所测得的数据的分析，便可得到其与含沙量之间的关系。
利用同位素测沙法测量含沙量不易受泥沙粒径、颜色、电源盒温度、泥沙粒径等的影响，但同时泥沙沉积和分层现象对精度影响较大。同位素测沙法在我国发展得已经较为成熟，从上世纪六七十年代开始，已经相继有铯135、镅241等放射元素被运用到国内河流的含沙量测量中。
同位素测沙法主要适用于高含沙量水体的测量（适用于含沙量大于或等于2kg），在低含沙量水体中往往误差较大，与光电测沙法形成天然的互补，所以常和光电测沙法结合使用以扩大准确测量范围。但是，随着核污染的思想被越来越多的国家认同，一些发达国家已经开始禁止同位素测沙法的使用。
1.3 超声波测沙法
超声波测沙法主要分为超声波反射法和超声波衰减法。超声波反射法有点类似雷达的原理，通过检测反射波的数量来确定水体的含沙量。超声波衰减法是通过检测超声波在发生散射、反射和吸收后能量的衰减来确定水体含沙量的。
超声波测沙法对于对于低含沙量水体较为敏感，测量精度较高，只是测量范围较窄，不太适合在高含沙量的水体中使用。
由于超声波在水体中传播时都会发生能量的衰减，为了能够准确测到接收波，就需要发射波具有一定强度的能量，然而能量过高的超声波又会在水体中产生扰动，改变水体的动力学状态，甚至会破坏泥沙颗粒，使水体原本的含沙结构发生改变，且含沙量越大改变也越大。因此，超声波测沙法更适用于对低含沙量水体的测量。
2 基于热学的比热测沙法的简单介绍
通过对以上三种常用的现场测量含沙量方法的描述与分析，我们可以清楚地看出，这三种常用的测沙法在高含沙量的水体中都表现得不完美，所以就需要一种新的方法对其进行补充。而比热测沙法恰好能够弥补光电测沙法、超声波测沙法等在高含沙量水体中测量精度的不足。与其它现有技术相比，含沙量的比热测量法不仅在成本上远低于同位素测沙法、激光测沙法等，操作上也比烘干称重法和比重瓶法方便很多、快速很多，并且实时性也很好，方便现场实时的测量。
基于热学的比热法测量含沙量在原理上非常简单。简单地说，比热测沙法是基于水的比热容和沙的比热容的差异，通过测得含沙水体的整体比热容，就可以得到对应的水体的含沙量。具体地说，当含沙水的含沙量一定时，即水和沙的比例一定，那么含沙水总的比热容就是一个定值，当外界给含沙水一定的热量的时候，含沙水升高的温度就是一个与含沙量对应的值。反过来说，在外界给予含沙水的热量可以控制的情况下，如果知道温度升高的值，那么就可以计算出含沙水的比热容，并由比热容得到该含沙水中水和沙的比例，即含沙量。
在实现方式上，为了达到工程上所需要的实时性，我们可以将加热设备的容积设计得很小以减小加热时间，并且可以将采样设备和加热设备集成在一起，共同伸入待测水体中，在水下就可以完成采样、加热、测量的步骤，水面上只要对水下传回的数据进行分析就可以得到要求的含沙量。整个操作过程简单快捷，无技术难度，可在短时间内获得大量数据。
基于热学的含沙量测量方法虽然简单，但是在实际运用中还是要注意一些问题，其中，很重要的问题就是温度的影响。不仅热量的损失会带来对温度的影响，随着水体含沙量的变化，单位水体的比热也会发生改变，而由于纯水的比热随温度是非线性变化的，所以含沙水比热的变化也不是线性的，而是需要通过实验分析找到这种变化的规律。正是由于这种非线性，比热测沙法也许在含沙量较低的水体中并不能达到较高的精度，但其在高含沙量水体的测量上优势却是明显的。并且，这些温度因素的影响都可以通过对公式的率定排除。
比热测沙法是泥沙领域的一个新的尝试，当前的问题会在今后的研究中得到进一步的完善。目前，物理学的几大方向几乎都已经诞生出了相应的较为成熟的含沙量测量方法和测量仪，唯独基于热学的含沙量测量领域还几乎是一片空白，目前河海大学的部分师生正在对此进行研究，并已取得了一些成果。
3 总结
光电测沙法、同位素测沙法及超声波测沙法，由于其方便快捷并且精度较高的优点已经被广泛运用于水体含沙量的现场测量中，但三种方法都不能很好地解决高含沙量下的测沙问题。比热测沙法做为新兴的测量含沙量的方法，无论在经济性、实时性、便捷性，还是在测量范围和精度上都有着自身的优势，其在高含沙量情况下的优势与光电测沙法、超声波测沙法等形成天然的互补，也使其在含沙量测量领域有着广阔的前景。
参考文献：
[1] 蔡守允，等.水利工程模型试验量测技术[M].北京：海洋出版社，2008.
[2] 熊贵枢，龙毓骞，李兆南.近十年泥沙测验技术的进展[A].江河泥沙测量文集[C].河南：黄河水利出版社，2000.
[3] 付艳红，时铁彬，徐岩.含沙量测量方法及比较分析[J].东北水利水电，2010（9）.
关键词：含沙量 比热容 光电法 同位素法 超声波法
中图分类号：S157 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）006-073-02
含沙水对港口、航道及近海工程等多方面有着重要的影响，对含沙水中含沙量的测量，具有十分重要的工程意义。在目前的研究领域中，主要的测量方法有烘干称重法、比重瓶法、光电测沙法、电导率测沙法、超声波测沙法等等。由于各种方法依据的物理原理不同，每种方法都有其独特的优点，但同时，它们或在测量精度，或在测量范围，或在测量实时性，或在实现成本上存在着弊端。因此，实际运用中也是根据不同的工程条件选择不同的测量方法。而现场测量含沙量则是要求在保证一定测量精度的基础上，对测量的实时性有一定要求。目前采取的主要的现场测量含沙量的方法有光电测沙法、同位素测沙法及超声波测沙法，或者选用多种方法进行相互补充和校正。
本文意在总结如今已经较为成熟和常用的三种现场测量含沙量的方法，并且提出一种新的方法，即比热测沙法，作为含沙量测量这一领域的拓展和对常用的现场测沙法的补充。
1 常用的现场测量含沙量方法浅述
常用的现场测量含沙量方法有很多，由于天然河流泥沙无论是粒径分布还是泥沙含量范围都很广，因此常需要用不同测沙方法相结合才能准确测得含沙量。常用的各种含沙量测量的方法都有其优点和弊端，比如烘干称重法虽然精度较高，但其步骤较为繁琐、操作较为复杂、花费时间较长，因此常只作为实验室的准确测量。此部分只介绍现场测量时最常用的三种测量含沙量的方法。
1.1 光电测沙法
光电测沙法主要是基于浑水消光定律。将一束光射入含沙水体后，水体中的颗粒会吸收一部分光，用光电器件捕获剩余的透射光，并将其转化为电信号传给计算机，计算机通过一系列数据转换、对比、匹配等，最终就可以输出水体的含沙量。
光电测沙法不仅可以测量水体含沙量，更是测量水体中泥沙粒径的常用方法，其特点就是快速简便。光电测沙法的误差主要来自于非线性带来的误差和粒径变化产生的误差，但这都可以通过对光信号与含沙量关系的率定来减小或消除。
光电测沙法作为如今比较成熟的测量含沙量的方法之一，已经衍生出许多分支，比如红外光的光电测沙法就是如今比较流行的光电测沙方法。
由于光电测沙法的局限性，其在高含沙量区域并不能达到较高精度，因此多是用于含沙量较小的水工模型试验和沿海水文测量。
1.2 同位素测沙法
同位素测沙法，也叫 射线法，是利用核放射放出的 射线探测水体中的含沙量的。原理与光电测沙法类似。当 射线穿过含沙水体时，其强度会随着含沙量的增加而发生有规律的减弱，通过对探测器所测得的数据的分析，便可得到其与含沙量之间的关系。
利用同位素测沙法测量含沙量不易受泥沙粒径、颜色、电源盒温度、泥沙粒径等的影响，但同时泥沙沉积和分层现象对精度影响较大。同位素测沙法在我国发展得已经较为成熟，从上世纪六七十年代开始，已经相继有铯135、镅241等放射元素被运用到国内河流的含沙量测量中。
同位素测沙法主要适用于高含沙量水体的测量（适用于含沙量大于或等于2kg），在低含沙量水体中往往误差较大，与光电测沙法形成天然的互补，所以常和光电测沙法结合使用以扩大准确测量范围。但是，随着核污染的思想被越来越多的国家认同，一些发达国家已经开始禁止同位素测沙法的使用。
1.3 超声波测沙法
超声波测沙法主要分为超声波反射法和超声波衰减法。超声波反射法有点类似雷达的原理，通过检测反射波的数量来确定水体的含沙量。超声波衰减法是通过检测超声波在发生散射、反射和吸收后能量的衰减来确定水体含沙量的。
超声波测沙法对于对于低含沙量水体较为敏感，测量精度较高，只是测量范围较窄，不太适合在高含沙量的水体中使用。
由于超声波在水体中传播时都会发生能量的衰减，为了能够准确测到接收波，就需要发射波具有一定强度的能量，然而能量过高的超声波又会在水体中产生扰动，改变水体的动力学状态，甚至会破坏泥沙颗粒，使水体原本的含沙结构发生改变，且含沙量越大改变也越大。因此，超声波测沙法更适用于对低含沙量水体的测量。
2 基于热学的比热测沙法的简单介绍
通过对以上三种常用的现场测量含沙量方法的描述与分析，我们可以清楚地看出，这三种常用的测沙法在高含沙量的水体中都表现得不完美，所以就需要一种新的方法对其进行补充。而比热测沙法恰好能够弥补光电测沙法、超声波测沙法等在高含沙量水体中测量精度的不足。与其它现有技术相比，含沙量的比热测量法不仅在成本上远低于同位素测沙法、激光测沙法等，操作上也比烘干称重法和比重瓶法方便很多、快速很多，并且实时性也很好，方便现场实时的测量。
基于热学的比热法测量含沙量在原理上非常简单。简单地说，比热测沙法是基于水的比热容和沙的比热容的差异，通过测得含沙水体的整体比热容，就可以得到对应的水体的含沙量。具体地说，当含沙水的含沙量一定时，即水和沙的比例一定，那么含沙水总的比热容就是一个定值，当外界给含沙水一定的热量的时候，含沙水升高的温度就是一个与含沙量对应的值。反过来说，在外界给予含沙水的热量可以控制的情况下，如果知道温度升高的值，那么就可以计算出含沙水的比热容，并由比热容得到该含沙水中水和沙的比例，即含沙量。
在实现方式上，为了达到工程上所需要的实时性，我们可以将加热设备的容积设计得很小以减小加热时间，并且可以将采样设备和加热设备集成在一起，共同伸入待测水体中，在水下就可以完成采样、加热、测量的步骤，水面上只要对水下传回的数据进行分析就可以得到要求的含沙量。整个操作过程简单快捷，无技术难度，可在短时间内获得大量数据。
基于热学的含沙量测量方法虽然简单，但是在实际运用中还是要注意一些问题，其中，很重要的问题就是温度的影响。不仅热量的损失会带来对温度的影响，随着水体含沙量的变化，单位水体的比热也会发生改变，而由于纯水的比热随温度是非线性变化的，所以含沙水比热的变化也不是线性的，而是需要通过实验分析找到这种变化的规律。正是由于这种非线性，比热测沙法也许在含沙量较低的水体中并不能达到较高的精度，但其在高含沙量水体的测量上优势却是明显的。并且，这些温度因素的影响都可以通过对公式的率定排除。
比热测沙法是泥沙领域的一个新的尝试，当前的问题会在今后的研究中得到进一步的完善。目前，物理学的几大方向几乎都已经诞生出了相应的较为成熟的含沙量测量方法和测量仪，唯独基于热学的含沙量测量领域还几乎是一片空白，目前河海大学的部分师生正在对此进行研究，并已取得了一些成果。
3 总结
光电测沙法、同位素测沙法及超声波测沙法，由于其方便快捷并且精度较高的优点已经被广泛运用于水体含沙量的现场测量中，但三种方法都不能很好地解决高含沙量下的测沙问题。比热测沙法做为新兴的测量含沙量的方法，无论在经济性、实时性、便捷性，还是在测量范围和精度上都有着自身的优势，其在高含沙量情况下的优势与光电测沙法、超声波测沙法等形成天然的互补，也使其在含沙量测量领域有着广阔的前景。
参考文献：
[1] 蔡守允，等.水利工程模型试验量测技术[M].北京：海洋出版社，2008.
[2] 熊贵枢，龙毓骞，李兆南.近十年泥沙测验技术的进展[A].江河泥沙测量文集[C].河南：黄河水利出版社，2000.
[3] 付艳红，时铁彬，徐岩.含沙量测量方法及比较分析[J].东北水利水电，2010（9）.