[發(fā)明專利]一種天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置及其方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410190678.0
• 申請日: 2014-05-07
• 公開（公告）號: CN103969171A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鐘強;楊文俊;李丹勛;陳啟剛;王興奎
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: G01N15/14
• 分類號: G01N15/14
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于環(huán)境原位監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置。

背景技術(shù)

天然河流中的懸浮于水中的泥沙濃度與級配是河流的重要水文與環(huán)境參數(shù)。天然河流中懸浮泥沙顆粒的粒徑大多在0.2mm以下，目前已有采樣分析法、光學(xué)檢測法、聲學(xué)檢測法和圖像類方法等多種方法獲得泥沙濃度或者泥沙級配。

采樣分析法是一種傳統(tǒng)方法，利用采樣器直接從河流中采集水樣，在分析室中進(jìn)行濃度和級配的分析。該方法測量精度高，但需要專門的設(shè)備，測量效率受人力物力的制約，無法實現(xiàn)實時原位測量，不易掌握泥沙輸移的時空變化規(guī)律。

光學(xué)檢測方法采用光學(xué)手段測量天然河流水流中的含沙濃度與級配，大致可分為透射法、濁度法、光學(xué)反向散射法(optical backscatter，OBS)和激光衍射法(Laser diffraction)。

透射法、濁度法和光學(xué)反向散射法的原理基本相同，只是傳感器的安裝位置有所差異。這三種方法的主要原理是利用水中顆粒物對光的散射作用獲知顆粒物的數(shù)量信息。這三種方法的儀器自帶光源和散射傳感器，光源多使用紅外光，提供穩(wěn)定光束穿過待測水體。散射傳感器固定在與光束傳播方向成一大角度的位置上(140°-165°)時，稱為OBS；安裝在與光束垂直的位置時，稱為濁度計；當(dāng)散射傳感器正對光束時，稱為透射計。光束遇見顆粒物時會產(chǎn)生散射，部分光束的傳播方向會改變并進(jìn)入散射傳感器。確定散射光強度與泥沙濃度的關(guān)系后，即可根據(jù)傳感器所得數(shù)據(jù)實時測量河流水體中的泥沙濃度。透射法、濁度法、光學(xué)反向散射法僅能得到泥沙濃度，不能得到泥沙級配。同時，由于不同基質(zhì)、粒徑和顏色的泥沙顆粒對光的散射性能存在很大差異，所以在相同泥沙濃度的情況下，散射傳感器接受到的光強會差異很大，透射法、濁度法、光學(xué)反向散射法的準(zhǔn)確性較低。

激光衍射法的基本原理是利用光經(jīng)過固體顆粒邊緣時發(fā)生衍射來測量泥沙顆粒的大小。光經(jīng)過固體顆粒邊緣時，有一部分光會繞過固體顆粒并偏離原方向繼續(xù)傳播，顆粒越小，偏離角度越大。在光的波長與顆粒直徑相比很小時，光在圓形邊緣的衍射可用Fraunhoff理論描述。因此只需測量光經(jīng)過顆粒后的偏離角度，就能通過理論算出與顆粒等效的圓球直徑。激光衍射法的設(shè)備基本布置方式是使用單色激光作為光源，穿透數(shù)毫米到數(shù)厘米的待測水體，在測量水體后布置傅里葉透鏡，并在透鏡的后焦面設(shè)置光電探測器。光電探測器由多級不同直徑的同心圓環(huán)組成，每級圓環(huán)接受不同偏離角度的光線，可反算出泥沙級配。同時，提前進(jìn)行率定后，根據(jù)各級光電探測器得到的信號強度，可以使用經(jīng)驗關(guān)系得到相應(yīng)粒徑的濃度，因此激光衍射法能同時測量泥沙濃度與級配。目前全世界僅有Sequoia Scientific公司提供能用于野外實測的儀器，稱為激光原位散射透射測量儀(laser in situ scattering and transmissometry，LISST)。實驗室和野外測試表明，LISST的泥沙級配測量誤差較大，在20％～40％左右。在泥沙濃度測量方面，由于光電探測器必須接收到足夠的光才能得到可靠信號，因此LISST僅適用于0.1～10kg/m³的低濃度情況。同時，由于LISST的濃度測量依賴于經(jīng)驗關(guān)系，導(dǎo)致測量精度并不高。

聲學(xué)檢測法的原理與透射法、濁度法、光學(xué)反向散射法類似，只不過此時的信號源由光變?yōu)槁暡ǎ月晫W(xué)檢測法也只能得到泥沙濃度而不能得到泥沙級配。同時，雖然聲波的反射強度隨泥沙濃度而增加，但在其傳播過程中則隨濃度加大而衰減，因此，這類方法只能測量0.6～3.0kg/m³的濃度范圍，使用范圍非常有限。