刘乐德
重庆交通大学 400074
摘要：泥沙沉降时的粒径与沉速一直是泥沙运动研究的核心内容，关系到泥沙的迁移与淤积。本文主要介绍了几种主流的粒径测量技术与沉速测量技术，并分析了各种技术的优点与不足之处。
关键词：沉速；粒径；测量技术
中图分类号：TV142 文献标志码：A 文章编号：
前言
泥沙沉降特性主要包括泥沙颗粒粒径与泥沙沉降速度的测量，泥沙沉降时的粒径与沉速直接影响着泥沙在水中的运动，是研究泥沙在水中迁移的核心参数。针对该方面的研究可以最早追溯到Stokes对球体绕流的蠕变状态的研究[1]， 经过一百多年发展在粒径测量方面已经有筛析法、沉降法、直接测量法、激光粒度仪、图像处理法、电阻法等[2]较为成熟的方法；沉速测量方面较为成熟的方法主要有沉降分析法、激光衍射法、粒子图像法、声波散射法以及光学后散射法等方法。下面主要介绍各粒径与沉速测量方法。
1.粒径测量
粒径测量按测量技术分类可以分为利用原始技术的筛分法、沉降法、直接测量法，光衍射、散射技术的激光粒度仪法，粒子图像技术的图像分析法，电阻分析技术的电阻法等；在测量颗粒较为松散的絮凝泥沙颗粒时针对测量位置分类又可以分为原位观测量与异位观测。在粒径分析中一般采取概率累积曲线进行分析，下面将按测量技术分别介绍这几种粒径测量方法。
（1）筛分法
筛分法是一种常用的粒径分析法，具有操作简单，使用仪器便宜便捷等优点，不过也有粒径分析精度不高、最小测量粒径只有0.044mm、只能运用于弱胶结与松散的颗粒等缺点。其主要原理是利用一套目数逐级递增的筛网在振动筛分机上进行振动筛分，开始时测量总样品重量记为100%，筛分结束后测量逐级筛网的重量计算每级筛网泥沙颗粒重量占总重量百分比，然后累积得到粒径累积曲线。由于泥沙颗粒颗粒需要取出晒干后进行测量，因此该方法属于异位观测对于发生絮凝的泥沙颗粒会产生破坏因此只适用于大颗粒泥沙定性分析[3]。
（2）沉降法
沉降法的基本原理是依靠颗粒在水中沉降速度来划分粒径级配。其优点是能反应出泥沙颗粒的基本动力学特性，不过该方法目前还只适用于细颗粒泥沙与黏土样品，而且由于细颗粒泥沙与泥土样品会发生絮凝改变其基本特性还需要加入适量分散剂抑制絮凝。该方法既可以原位观测也可以异位观测，不过粒径的准确度很大程度上取决于泥沙颗粒沉速测量与沉降公式的选择[3]。
（3）直接测量法
直接测量法一般运用于颗粒大小大于2mm的沙砾，主要使用直尺与测规测量,选取100-300个分析每一粒级占总数百分比。该方法由于测量较为繁琐精度也不高，但最大的优点就是测量条件要求低，在野外无其他设备时可选择使用，该方法同样也属于异位观测[3]。
（4）激光粒度仪法
激光粒度仪法是一种运用最为普遍粒径测量方法，其具有高效、精度高、测量范围广等特点。其原理主要运用到光的衍射与散射技术，当激光照射到颗粒上时会产生4种光学现象分别是衍射、反射、折射与吸收从而引起激光干涉效应并产生激光散射图谱。然后利用夫朗和费或米氏理论数学模型，针对“散射光角度与样品颗粒的直径成反比，而散射光强随角度的增加呈对数规律衰减”的规律进行分析[4]。该方法既可以取出泥沙颗粒放入激光粒度仪中测量也能现场测量，同时其虽然测量范围含盖了0.2-2000μm，但对于会絮凝的细颗粒泥沙也只能测量出其原始粒径而无法测量絮体泥沙颗粒的粒径。
（5）图像分析法
图像分析法又叫做影像分析法，利用特殊相机进行图片采样再用图像分析软件分析图中粒子数据，一次分析可以同时测得单颗粒粒度大小、粒径分布、球形度、对称性、分形维数以及凹凸度等综合信息。而且有较广的测量范围，既可以原位测量又可以异位测量，异位测量在显微条件或者其他特殊拍摄条件(电子显微镜等)下精度可以进一步提升得到更准确的形态信息与粒径，对于絮凝泥沙在一定条件下也可以测量，是目前絮凝泥沙形态与粒径测量运用较多方法[2]。
（6）电阻法
电阻法测量主要是是测量小孔的电信号改变，当颗粒随着电解液通过小孔占据了电解液空间，引起小孔四周的电阻发生改变，仪器将记录这种电阻引起的电信号改变并进行分析得到颗粒粒径。该方法是仅有的能得到体积粒径的测试方法，与激光粒度仪一样具有重复性好、测量范围广的特点[5]。
2.沉速测量
沉速测量的方法主要发展于20世纪后期，得力于激光衍射技术、图像采集分析技术以及声波散射技术的发展，从最初的沉降分析法逐渐增加了精度更高的激光衍射法、粒子图像法、声波散射法。
（1）沉降分析法
与粒径测量的沉降法相反，沉速沉降分析法是通过粒径测量仪测量实际粒径再通过相应的沉速计算方法计算沉速。此外用沉降管测量时，当颗粒沉降符合Stokes沉降理论时，沉速与颗粒粒径的平方成正比的，颗粒越大沉降越快通过分析沉积泥沙浓度或者烘干后的重量以及沉降时间进行分析也可得到沉速大小，主要沉降法有连续沉降法与混合沉降法两种沉降法都有相当多的沉降管测量方法[6]。
（2）激光衍射法
激光衍射与散射分析出水中的瞬时含沙量，然后利用含沙量结合扩散方程反推沉速或者直接利用该方法计算出的粒径分布利用沉降公式计算沉速，现有的运用较为广泛的激光衍射法有?LISST现场泥沙分析仪器,可以测量实时含沙量与粒径分布从而计算泥沙沉速[7-8]。
（3）声波散射法与光学后散射法
声波散射法与光学后散射法类似也都是通过含沙量或者浊度与泥沙沉速关系推算泥沙的沉速，不同点在于两者得到含沙量的方式，声波散射法是利用声波的反射反应水体中泥沙浓度分布，而光学后散射法主要是测量出水体浊度变化通过浊度与泥沙浓度关系计算出水体泥沙含量，两者代表测量仪器主要是ADV超声测速仪与OBS光学后散射浊度计[8]。这两种沉速测量仪计算的沉速都较为准确，是目前泥沙测速测量较为先进的技术，不过对于单颗粒泥沙沉速方面较为欠缺，一般只能测量出群体沉速[8]。
（4）粒子图像法
粒子图像法最主要的泥沙沉速计算就是粒子示踪技术，该技术在测量水流流场与流速上运用较为广泛与成熟，但在泥沙沉降测速的运用还较为初级，主要原因是泥沙浓度一般远大于示踪粒子的浓度，不过该方法两大主要技术粒子跟踪测速技术（PTV）与粒子图像测速技术（PIV）都已经运用到实验中。该方法主要原理是通过图像采集系统采集原始图像，进行粒子分析，匹配每帧粒子计算沉速，两种图像处理技术不同点在于PTV粒子浓度较低可以识别单个粒子对单个粒子分别计算形态参数与沉速，而PIV的粒子浓度较高可以计算出粒子的流场更着重于整体变化[9]。
3.结论与展望
泥沙监测测量技术一直是制约，泥沙运动相关研究的关键因素，不过随着科技的快速发展越来越多的泥沙粒径与沉速测量技术开始涌现。泥沙粒径与沉速测量开始变得简便、高效、精确，测量范围也在逐步扩大，这将为泥沙运动相关研究奠定坚实的基础。
参考文献
【1】Stokes G G．On the eil'ect of the internal friction of fluids on the motion ofpendulums IJ]．Tram．Cam．Phil．Soc．，1851。9(2)．8-106．
【2】罗章, 蔡斌, 陈沈良. 动态图像法应用于海滩沉积物粒度粒形测试及其与筛析法的比较[J]. 沉积学报, 2016, 034(005):881-891.
【3】任明达, 王乃梁同. 现代沉积环境概论[M]. 科学出版社, 1981.
【4】冉敬, 杜谷, 潘忠习. 沉积物粒度分析方法的比较[J]. 岩矿测试, 2011(06):23-30.
【5】江发伟, 左小超, 张志亮,等. 超细高岭石粒径测试方法对比研究[J]. 中国粉体技术, 2015, 021(006):68-71,75.
【6】庞玲, 张科利, 朱明,等. 泥沙沉降速度实验研究方法回顾与评述[J]. 人民黄河, 2006, 028(005):50-52
【7】陈红, 唐立程江, 何青, 王元叶. 利用LISST观测絮凝体粒径、有效密度和沉速的垂线分布[J]. 泥沙研究, 2005(1).
【8】Fugate D C , Friedrichs C T . Determining concentration and fall velocity of estuarine particle populations using ADV, OBS and LISST[J]. Continental Shelf Research, 2002, 22(11-13):1867-1886.
【9】李丹勋 ... [等. 粒子示踪测速技术原理与应用[M]. 科学出版社, 2012.