黄河水利委员会水文局 河南郑州 450004
摘要：河流泥沙含量的测量十分重要。简介了同位素测沙技术的发展与应用历程，介绍了NUT-1型鲤鱼舰泥沙在线监测系统的特点和实验情况。指出使用测沙仪需要注意事项，建议规范率定实验方法，制订测沙仪技术指标。
关键词：含沙量；同位素；测沙仪；应用；工作曲线；率定
河流泥沙含量的测量，在水利水电工程建设、水文观测预报、工农业取水等方面，是一个十分重要的问题。传统上含沙量测量是采取烘干称重和比重瓶法。这些方法操作过程繁杂，要经过量积、沉淀、过滤、烘干、称重等步骤，费时费力，不能快速测定含沙量。传统方法虽然经典，但不便于过程的连续跟踪、实时检测。实时、连续和全面地反映泥沙的空间分布和动态运动过程，是含沙量测量的难题，也是泥沙理论研究与实践的重要内容之一[1-3]。
1 含沙量现代测量方法
为了计算河流输沙量和及时预报洪水沙情，需要有一个准确、快速和连续测量含沙量的方法。基于传统测量方法的局限性，为适应水利工程建设和试验研究的需要，多年来，水文泥沙部门及大专院校和科研机构一直积极探索含沙量的现代测量方法，并进行了一些应用试验，积累了许多成功的经验，取得了相当的进展。先后提出了诸如电导法、电容法、振动法、光电法、激光法、超声法、γ射线法、红外线法和B超成像法等[4-6]。经过科研人员的多年努力，研发出了多种实时在线监测含沙量的设备，这些仪器包括光学测沙仪、声学测沙仪、同位素测沙仪、振动式测沙仪等。这些新型仪器设备，能实现对河流含沙量的实时动态监测。
近年来，研究人员进行了利用ADCP测量悬移质含沙量的实验研究，这种方法具有不扰动流场、测量剖面同步性较好、数据空间分辨率较高的优点，与传统的取样过滤称量法相比，计算效率显著提高。但是该类方法都是在某一含沙量范围内有效，而且对于泥沙颗粒级配有严格要求，需事先进行比测实验以判断该方法的可行性[7][8]。同位素测沙仪则显示出迅速、测量范围广，并能连续监测河水含沙量变化等优点。
2 同位素测沙技术应用
同位素测沙即利用放射性同位素衰变时发射出的射线（所谓核辐射）与浑水介质相互作用，如吸收或散射的原理，对含沙量进行测量，使含沙量测量范围得以扩大，并可连续跟踪测量。
2.1 同位素测沙仪研发与应用
同位素测沙仪（isotope silt meter），利用放射性同位素在水流中检测含沙量时，由于射线通过物质时发生光电效应等，使射线穿过物质后的强度随之减弱。根据射线减弱程度随吸收体厚度按指数规律衰减的原理制作的测沙仪[9]。
早在20世纪60年代，我国就开始研究同位素测沙。最初利用γ射线源，如Cs137和Co60等。后来采用低能X（γ）射线源，如Am241、Cd109和Pu238等。黄河水利委员会水科所与中国原子能科学院、上海原子核研究所、北京核仪器厂和营口电子仪器厂等单位协作共同研制出FH422型γ-γ含沙量计、FT-1型闪烁式低含沙量计、ATX5-1型X射线正比管含沙量计，还有清华大学与长江流域规划办公室合作研制的双闪烁探测器的同位素低含沙量仪，南京水利科学研究院研制的γ射线高含沙量仪和同位素低含沙量仪等。
20世纪60年代初至70年代，黄河水利委员会水利科学研究院（以下称黄科院）先后研制出以铯135为放射源的HF-422同位素含沙量计，及其以镅241为放射源的HF-42改进型，最小量程为3kg/m3；70年代末，黄科院、清华大学和长江水利委员会又研制出两种以镅241为放射源的同位素含沙量计，适用于低含沙量，最小量程为1～1.2kg/m3。这些仪器先后投放到一些河流使用，其中黄河干流有10个水文站使用了10余年之久，有的测站使用效果很好，例如小浪底水文站于1971年用同位素含沙量计测得713kg/m3的高含沙量，80年代起黄河天桥水电站也开始使用同位素含沙量计进行泥沙测量。
1974年1月，黄委会在郑州举行同位素测沙仪鉴定会。与会代表认为在含沙量大于20kg/m3时，适用于该仪器施测含沙量[10]。1974年3月19日，《人民日报》报道，近年来，各地还研制出一批适合中国河流特性的水文新仪器，如低流速仪、同位素测沙仪、测流控制仪等，为进一步提高水文资料质量创造了条件。
同位素测沙仪分为应用吸收原理与散射原理两种。代表性的产品有，清华大学水利系应用吸收原理研制的SDS-1型同位素测沙仪，放射源选用铯137（Cs137）固体源，γ射线能量66Kev，半衰期为33年，可测定江河中的大、中含沙量。黄科院应用散射原理研制的FH-422型同位素测沙仪，选用低能镅-241做放射源，能量60Kev，半衰期为70年，能够测定江河中15kg/m3以上的大、中含沙量[11]。
FH-422型同位素含沙量计，1982、1983年在黄河艾山水文站生产性比测试验，分三个时段比测平均相对误差均小于5%，只有含沙量在0.77～6.6kg/m3时的误差大于5%，但不超过10%。四个时段比测系统误差小于0.4[12]。
我国利用核辐射研究含沙量的测量工作相对国外来说，取得的成果比较多。上世纪70～80年代，我国同位素测沙技术处在世界领先地位。正如1987年5月英国《水能与坝工》（Water Power & Dam Construction，May（1987）刊物上介绍了我国黄河水利委员会水科所最新研制的X射线正比管含沙量计的性能，并认为“比世界上已有的仪表，测量精度高，测量范围大”。
2.2 应用中的“销声匿迹”
在多沙河流中，影响含沙量变化的因子众多，不仅与水流的紊动强度、颗粒的自身沉降、上游来沙量的大小、随水流的扩散能力有关还与河道的边界条件、河道的冲淤变化、河床的组成等等都有关系。由于河流泥沙条件十分复杂，洪水水流体系对仪器的要求很高，以及传感器、电子技术水平的限制等原因，直到目前仍未制订出在线测沙的技术标准。
同位素测沙是利用同位素在泥沙水体中通过时的能量衰减推算含沙量的一种测沙技术，特点是工作可靠，性能稳定。上世纪70年代后，同位素测沙仪器在生产中应用较多。90年代后，该类仪器逐渐“销声匿迹”。
要保证仪器正常使用，需要在使用前和使用中定期率定工作曲线。工作曲线是同位素测沙的主要依据。对于配定的每一套仪器必须作出工作曲线。由于放射源衰变及探头内部几何尺寸位置变更及其他因素（如安装方法不同）都会引起工作曲线变化。20世纪90年代以前曾在一些站使用十多年之久的同位素测沙仪，没用坚持用下去。每隔一定时间需校正一次工作曲线，加上或因造价昂贵，或因测站维修困难，或因恐惧同位素放射性等，都是未能推广和停用原因。
3 新一代同位素测沙仪
随着电子电脑及现代通信技术的发展，使得一些影响测沙仪推广的不利因素逐步消除。同位素测沙实现了实时在线，不仅能得到观测值，还能得到资料的整编结果。
黄河水利委员会水文局研制的NUT-1型鲤鱼舰泥沙在线监测系统，基于C8051F350单片机和低能量源开发。该套泥沙监测仪器，流线型结构提高了仪器自身的防水草性能，高强度的钛合金材料提高了仪器的防撞击性能，配备远程传输模块，实现泥沙在线监测。
2014年10月在黄河潼关水文站对该系统进行了半个多月的试验，包括同位素本底测试、清水温度曲线率定、室内水槽测沙、河道现场测沙及仪器辐射防护检测等项内容[13]。试验证明，该系统对含沙量变化具有良好的适应性，施测最大含沙量可达1000kg/m3。含沙量3kg/m3以下，误差不超过10%；含沙量3kg/m3以上，误差不超过5%。
2017～2018年，分别在黄河上游湟水民和水文站、中游潼关水文站、下游花园口水文站安装3处泥NUT-1型鲤鱼舰泥沙在线监测系统，实现了泥沙实时在线监测。实验结果表明，该系统具有测量范围广、稳定性好、适应性强的优点。系统数据可利用网络电脑、手机等设备实时查询，能够及时、准确、快速掌握河流泥沙信息，提供完整的河流泥沙过程资料。系统可有效控制泥沙变化过程，减轻职工劳动强度，有力促进水文测验新模式改变，加快水文泥沙巡测，为防汛抗旱、水资源管理与调度等工作提供更有力决策支撑。
4 结语
含沙量测量技术与装置虽然较多，但是缺乏测量范围广、稳定性好、精度高、使用方便的量测仪器，能够实时测量河水中含沙量。核子测沙仪性能较为稳定可靠，是一种具有实用前景的测沙仪器[14]。NUT-1型鲤鱼舰泥沙在线监测系统即是案例之一，具有较好的社会效益和经济效益，有较大的推广应用价值。
实际生产中，采用测沙仪测验时，应符合相关标准规定。仪器使用前，应精确率定、建立工作模型，并符合有关技术要求。若仪器校测的系统误差不大于2%，原工作模型可继续使用[15]。否则，须重新率定工作曲线后使用新的工作模型。
对测沙仪的应用，两点建议：（1）制订一些指标，规范率定实验方法、含沙量范围，确保含沙量测量数据准确性；（2）建立工作模型时，除考虑泥沙的颗粒形状、颗粒组成及化学特性等的影响外，还应注意水温尤其是高含沙河流的低温输沙效应及河道边界条件等因素。
参考文献：
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[15]中华人民共和国国家标准.河流悬移质泥沙测验规范GB/T 50159-2015[S].北京：中国计划出版社，2016.
作者简介：李丹丹（1985-），女，工程师。主要从事水文水资源监测技术研究。