作為一項(xiàng)重要的水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，泥沙顆粒的粒徑大小及分布對(duì)于黃河治理工程的各項(xiàng)研究和建設(shè)有著重要的意義，而如何快速準(zhǔn)確地獲得大量的泥沙粒徑數(shù)據(jù)則是上述工作的基礎(chǔ)。采用激光衍射技術(shù)的粒徑分析方法具有測(cè)試量程寬、操作速度快以及分析精度高等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的“沉降篩分”粒度測(cè)量方法相比，大大提高了分析效率和分析精度。在黃河調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)、小北干流放淤試驗(yàn)以及小浪底水庫(kù)異重流測(cè)驗(yàn)等黃河水文泥沙顆粒專項(xiàng)任務(wù)中，馬爾文激光衍射粒度分析儀就發(fā)揮了巨大的效益，展示了其良好的推廣應(yīng)用前景。

黃河作為世界上最復(fù)雜難治的多泥沙河流，其主要問(wèn)題是水少沙多、水沙異源、水沙不平衡�？茖W(xué)治黃要求及時(shí)準(zhǔn)確地掌握河流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析泥沙顆粒級(jí)配組成及分布。從2005年起，黃河水利委員會(huì)提出三道防線理念治理黃河泥沙：第一道防線位于黃土高原，通過(guò)水土流失綜合治理，逐步減少入黃泥沙；第二道防線位于黃河小北干流，通過(guò)小北干流放淤，"淤粗沙排細(xì)沙"；第三道防線是小浪底水庫(kù)，利用水庫(kù)攔沙庫(kù)容，"攔粗沙泄細(xì)沙"。上述每道防線的泥沙治理都要求大量的泥沙顆粒分析資料做支撐，因此，快速、及時(shí)、準(zhǔn)確地提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的泥沙粒徑分布數(shù)據(jù)（即泥沙級(jí)配資料）就顯得尤為重要。黃河水文泥沙粒徑分析工作主要有兩個(gè)特點(diǎn)：第一，泥沙粒徑范圍特別寬，跨度特別大：小到零點(diǎn)幾微米，類似懸浮狀態(tài)的膠泥，大的會(huì)如鵝卵石一般；第二，分析的數(shù)據(jù)量非常龐大，為了獲得有說(shuō)服力的數(shù)據(jù)，必須要在不同的淤積斷面采樣上萬(wàn)個(gè)甚至更多。因此黃河水文泥沙顆粒粒徑分析必須要滿足上述需求。

國(guó)內(nèi)的顆粒分析（粒度分析）早在上世紀(jì)50年代就已經(jīng)開(kāi)始。傳統(tǒng)的粒度測(cè)量方法有篩分法、尺量法、沉降法（消光/吸管/離心沉降/粒徑計(jì)法）等。在水文行業(yè)主要是對(duì)河流泥沙進(jìn)行顆粒分析，早年一直使用“沉降＋篩分”的方法。傳統(tǒng)的測(cè)試方法雖然原理簡(jiǎn)單，設(shè)備成本低，但是由于各種分析方法適用粒徑范圍有限，對(duì)每個(gè)泥沙樣品的顆粒級(jí)配分析需兩種方法組合才能完成，比如即便是對(duì)粒度一般小于1毫米的懸沙進(jìn)行測(cè)量，也要用兩種方法來(lái)組合：63微米以下的顆粒用沉降法（吸管/消光等）進(jìn)行測(cè)量，而63微米以上的顆粒再用篩分法進(jìn)行測(cè)量。然后將上述兩種方法測(cè)出的結(jié)果組合在一起，得出這種樣品的完整粒度分布（或稱顆粒級(jí)配）。因此造成整個(gè)過(guò)程操作繁瑣、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，分析一個(gè)泥沙樣品需要近兩個(gè)小時(shí)的時(shí)間，再加上手工操作人為誤差較大，很難及時(shí)獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，難以滿足黃河治理開(kāi)發(fā)、管理對(duì)泥沙顆粒級(jí)配資料的時(shí)效和精度要求。傳統(tǒng)測(cè)量方法除了步驟繁瑣、需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間外，還存在較大的系統(tǒng)誤差，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性都較差，致使為河道治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性和效率普遍降低。因此，水文行業(yè)迫切需要一種可靠性、準(zhǔn)確性和效率都比較高的測(cè)量方法。

1994年8月，國(guó)家農(nóng)、林、水三部委聯(lián)合發(fā)起“九四八”國(guó)家行動(dòng)計(jì)劃，旨在通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，經(jīng)過(guò)消化吸收為我所用。水利部下屬黃河水利委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱“黃委會(huì)”）經(jīng)過(guò)充分的調(diào)研和一系列的樣品比測(cè)，在2000年引進(jìn)了兩臺(tái)英國(guó)馬爾文儀器有限公司的Mastersizer系列激光粒度儀，開(kāi)始走上了全新的河流泥沙粒度測(cè)量分析研究之路。

Mastersizer系列激光粒度儀的開(kāi)發(fā)是為了滿足業(yè)界對(duì)實(shí)驗(yàn)室結(jié)果的全面可比性、可追溯性、規(guī)范符合性和高效率的日益需求。該儀器利用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的激光衍射系統(tǒng)來(lái)測(cè)定顆粒粒徑。通過(guò)測(cè)定樣品在不同角度上產(chǎn)生的衍射光強(qiáng)分布，應(yīng)用米氏散射理論，反演計(jì)算出顆粒的粒徑分布。專門(mén)為提高小顆粒分辨率而配置的藍(lán)光光源確保了儀器對(duì)小顆粒的分析能力，粒徑下限達(dá)到20納米，而寬角度分布的檢測(cè)器系統(tǒng)確保了儀器在整個(gè)量程范圍內(nèi)都具有較高的分辨率和精度。

Ÿ           寬粒徑測(cè)量范圍(0.02µm - 2000µm) 對(duì)單個(gè)懸沙樣品一個(gè)測(cè)量過(guò)程可完成全部分析內(nèi)容，無(wú)需幾種方法組合。
        Mastersizer系列粒度儀采用高效的分散技術(shù)，機(jī)械攪拌使樣品均勻散開(kāi)，而超聲高頻震蕩使團(tuán)聚的顆粒充分分散，電磁循環(huán)泵則使大小顆粒在整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)中均勻分布，從而在根本上保證了寬分布樣品測(cè)試的準(zhǔn)確重復(fù)。

Ÿ           全自動(dòng)樣品測(cè)量，操作簡(jiǎn)單，大幅提高測(cè)量速度與效率。馬爾文激光法測(cè)量從樣品預(yù)處理、測(cè)量到數(shù)據(jù)輸出只需要3分鐘時(shí)間。
      使用傳統(tǒng)粒度測(cè)量方法每個(gè)實(shí)驗(yàn)室要5-6個(gè)人，各道工序都需要不同的人負(fù)責(zé)并相互配合，比如過(guò)篩分，稱重，消光，烘干，稱重等，最理想的狀態(tài)下，每天至多做30個(gè)樣品的顆粒分析。但是在相同樣品條件下使用馬爾文Mastersizer系列激光粒度儀每天只需1-2人就可對(duì)150-200個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)量，與傳統(tǒng)方法相比，工效和時(shí)效提高近70倍。

Ÿ           由軟件驅(qū)動(dòng)的 SOP標(biāo)準(zhǔn)操作流程徹底消除了用戶間的差異，確保了測(cè)量的重復(fù)性。并且測(cè)量數(shù)據(jù)精確至1%。而傳統(tǒng)粒度測(cè)量由于受人為因素影響較大，標(biāo)準(zhǔn)差大于3%，采用馬爾文激光粒度儀則大大提升了測(cè)量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性 。

Ÿ           數(shù)據(jù)輸出簡(jiǎn)單直觀。通過(guò)軟件之間的轉(zhuǎn)換功能，測(cè)量所得的泥沙級(jí)配數(shù)據(jù)可通過(guò)儀器自帶的軟件直接輸出到以逗號(hào)分隔的文本文檔中，為整編程序直接引用，無(wú)需錄入，大大降低了顆分資料整編工作量，消除了人工錄入容易產(chǎn)生的錯(cuò)誤。

馬爾文激光粒度儀來(lái)到黃河流域之后，憑借傳統(tǒng)測(cè)量方法所無(wú)可比擬的快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定等各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，在不少河道治理研究試驗(yàn)項(xiàng)目中發(fā)揮了出色的作用。

例如，在黃河首次調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)中，根據(jù)測(cè)驗(yàn)任務(wù)的要求，調(diào)水調(diào)沙過(guò)程共需分析來(lái)自潼關(guān)、三門(mén)峽、小浪底等水文站和小浪底庫(kù)區(qū)整個(gè)黃河下游河道及河口濱海區(qū)500多個(gè)淤積測(cè)量斷面近萬(wàn)個(gè)泥沙樣品。若用傳統(tǒng)方法進(jìn)行顆粒分析，至少需要一年時(shí)間，而采用激光粒度分析儀進(jìn)行分析，僅用20多天就圓滿完成了任務(wù)。

而在小浪底水庫(kù)庫(kù)區(qū)2001年、2002年調(diào)水調(diào)沙異重流試驗(yàn)過(guò)程中，由于泥沙顆粒極細(xì)，細(xì)顆粒泥沙漂浮在水中形成穩(wěn)定的懸浮液，用傳統(tǒng)的沉降法無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量泥沙顆粒級(jí)配，而激光粒度分析儀以其測(cè)量下限為20nm的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)順利解決了這一難題。

更有黃河小北干流放淤試驗(yàn)項(xiàng)目，是黃委治理泥沙的第二道防線。泥沙處理和顆粒級(jí)配分析作為原型觀測(cè)的重點(diǎn)，要求隨測(cè)隨分析、隨整理，并及時(shí)提供泥沙顆粒級(jí)配資料，滿足指揮調(diào)度和分析研究的需要，為綜合評(píng)價(jià)放淤試驗(yàn)效果提供數(shù)據(jù)支持，最終達(dá)到“淤粗排細(xì)”的目的。因此，黃河水文工作者利用激光粒度分析儀測(cè)量軟件的優(yōu)勢(shì)，設(shè)置6秒就能分析出泥沙粒徑級(jí)配結(jié)果全過(guò)程，并及時(shí)獲取粗沙比例，從而判斷次洪水粗泥沙是否能夠滿足“淤粗排細(xì)”要求。試驗(yàn)指揮部依靠實(shí)時(shí)滾動(dòng)的泥沙級(jí)配監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)閘門(mén)啟閉時(shí)間、開(kāi)啟高度等做出了準(zhǔn)確判斷并發(fā)出了調(diào)度指令。在1個(gè)月的放淤時(shí)間里，累計(jì)分析泥沙樣品4341個(gè)，及時(shí)準(zhǔn)確報(bào)出顆粒特征值數(shù)據(jù)2388組，試驗(yàn)表明放淤試驗(yàn)區(qū)約有400萬(wàn)噸粗顆粒泥沙淤積(其中大于0.05mm級(jí)的粗沙108萬(wàn)噸，其余為大于0.025 mm級(jí)的粗沙)，150萬(wàn)噸細(xì)顆粒泥沙回歸黃河，保證了“淤粗排細(xì)”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，在灘地上就地解決了阻止粗沙繼續(xù)往下游流的問(wèn)題，減輕了下游河道的淤積。

由于激光法是2005年才正式開(kāi)始使用，那么之前幾十年用傳統(tǒng)方法測(cè)得的歷史數(shù)據(jù)與2005年采用激光法以后的新數(shù)據(jù)之間如何銜接，是廣大水利工作者需要面對(duì)的一個(gè)重要問(wèn)題。雖然資料系列不同，即不同方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)建立在不同的平臺(tái)上，但它們相互之間仍然會(huì)存在一個(gè)比較穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這也是項(xiàng)目研究的一個(gè)重要內(nèi)容。通過(guò)在新老測(cè)量數(shù)據(jù)之間進(jìn)行的參數(shù)率定（參數(shù)率定的實(shí)質(zhì)就是先假定一組參數(shù)，代入模型得到計(jì)算結(jié)果，然后把計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差不大，則把此時(shí)的參數(shù)作為模型的參數(shù)；若計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差較大，則調(diào)整參數(shù)代入模型重新計(jì)算，再進(jìn)行比較，直到計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差滿足一定的范圍）^[1]，建立一個(gè)回歸方程，以實(shí)現(xiàn)新老數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)然這么做的前提是要保證一定的樣本量，而且樣本要有足夠的區(qū)域代表性和時(shí)空代表性，同時(shí)各種其它因素都要考慮進(jìn)去，數(shù)據(jù)量和工作量非常巨大。令人欣慰的是，通過(guò)水文工作者不懈的努力，目前新老數(shù)據(jù)之間的銜接工作已經(jīng)圓滿完成。

黃河水利委員會(huì)根據(jù)國(guó)內(nèi)泥沙測(cè)量的實(shí)際情況，摸索規(guī)律，總結(jié)出一套使用激光法測(cè)量泥沙粒度的適用方法，制定出了全行業(yè)統(tǒng)一的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范。通過(guò)數(shù)年的努力，新版的中華人民共和國(guó)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》（SL42-2010）于2010年初起正式出臺(tái)實(shí)施，并在其中專門(mén)增加了激光衍射法測(cè)定這一章節(jié)。新規(guī)范實(shí)現(xiàn)了儀器操作的規(guī)范化，任何地方的測(cè)試人員，只要遵照這個(gè)統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量操作也就有了可執(zhí)行性，測(cè)量結(jié)果也就具有了可比性。

隨著馬爾文激光粒度儀在黃河水文泥沙顆粒分析過(guò)程中表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，2005年起Mastersizer激光衍射粒度儀開(kāi)始正式在黃河流域率先全面推行，之后又陸續(xù)在長(zhǎng)江委等水利部門(mén)得到應(yīng)用。相信在不久的將來(lái)，激光衍射法粒度分析將在河流水文泥沙分析中大展拳腳，為全國(guó)河流治理和水文研究提供堅(jiān)實(shí)的保障。

[1]繆海洋，吳南山，太倉(cāng)市水利局 《河網(wǎng)水動(dòng)力模型參數(shù)率定》，2007年7月。