浅议同位素测沙仪率定规范的制定

　　摘要:选用测沙仪进行悬移质泥沙测验，应根据测站泥沙测验方法，通过率定建立工作曲线。回顾了测沙仪研发与应用状况，分析了同位素测沙仪在应用中存在的问题;建立工作曲线和适应性检验需要相应的技术标准与操作流程;从法规条件和技术条件等方面论述了制定《同位素测沙仪率定规范》的重要性与可行性。

　　关键词:含沙量;同位素测沙仪;应用;工作曲线;率定;团体标准

　　悬移质泥沙测验仪器分为采样器和测沙仪。资料显示，目前国际泥沙测验仪器仍然以器测法为主。基于不同原理的测沙仪有多种，其中同位素测沙仪显示出迅速、测量范围广，并能连续监测水体含沙量变化等优势。但同位素测沙仪在20世纪末一度“销声匿迹”，直至目前仍未得到很好应用，其原因之一是仪器率定即工作曲线的建立缺少适当标准予以规范。推动现代测沙技术发展，保障同位素测沙仪高效应用，亟须制定《同位素测沙仪率定规范》团体标准(以下简称“同位素测沙团标”)。

　　同位素论文范例： 稳定同位素比质谱技术在食品检验中的应用研究进展

　　1含沙量现代测量方法

　　烘干称重和比重瓶法，是传统的含沙量测量方法。它要经过体积量取、沙样沉淀、过滤、烘干和天平称重等步骤，费时费力。受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，实时、连续并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。对于悬移质含沙量的测量，也有基于盲数理论的模型方法，它是将影响河流泥沙含量的各个参数盲数化，通过盲数运算方法计算出河流泥沙含量。该方法主要针对平原等以水力侵蚀为主的情况。

　　为了计算河流输沙量和及时预报洪水沙情，需要有一个能准确、快速和连续测量含沙量的方法。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;研发出了多种实时在线监测含沙量的设备，这些监测设备主要有同位素测沙仪、声学测沙仪、光学测沙仪、振动式测沙仪等。

　　2同位素测沙仪研发应用回顾

　　同位素测沙仪(Isotopesiltmeter)，它是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。早在20世纪60年代，我国就开始研究同位素测沙仪。

　　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(以下简称“黄科所”)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，还有清华大学联合原长江流域规划办公室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年代初开始至70年代，黄河水利委员会水利科学研究院(以下简称“黄科院”)先后研制出以Cs135为放射源的HF-422同位素含沙量计，及其以Am241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Am241为放射源的同位素含沙量计，测量的低含沙量最小在1.0kg/m3左右。

　　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，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，黄河水利委员会在郑州举行同位素测沙仪鉴定会。鉴定结论是，当含沙量大于20kg/m3时，适合采用该仪器施测。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。

　　3制定“同位素测沙团标”的重要性

　　3.1团标简介

　　《中华人民共和国标准化法》对标准的定义是，在农业、工业、服务业以及社会事业等领域需要统一的技术要求，包括国家标准、行业标准、地方标准、团体标准和企业标准。团体标准，在2015年《深化标准化工作改革方案》中首次提出，2018年1月实施的新《中华人民共和国标准化法》确定了其合法地位。

　　3.2测沙仪应用难题

　　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。20世纪70—80年代，我国同位素测沙技术处在世界领先地位。1987年5月英国《水能与坝工》(WaterPower&DamConstruction)刊物上，介绍了我国“黄科所”最新研制的X射线正比管含沙量计的性能，认为“比世界上已有的仪表，测量精度高，测量范围大”。20世纪70年代后，同位素测沙仪器在生产中应用较多。

　　而90年代以前曾在一些站使用十多年之久的同位素测沙仪，没有坚持用下去，同位素测沙仪逐渐“销声匿迹”。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，皆是其未能被推广和停用的原因。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，以及受传感器、电子技术水平的限制等，直到目前仍未制定出在线测沙的技术标准，包括测沙仪的率定。

　　3.3标准规定

　　在实际生产中，采用测沙仪实施测验时，应符合相关标准规定，也就是须符合GB/T50159—2015《河流悬移质泥沙测验规范》的要求:工作曲线应稳定，校测方法简便，操作安全可靠，校测频次较少。测量精度与稳定性及可靠性，还要满足测站的实际需要。

　　国家标准GB/T15966—2017《水文仪器基本参数及通用技术条件》和GB/T13336—2019《水文仪器系列型谱》对测沙仪的适用范围进行了规定，其中同位素测沙仪测量范围为0.5～1000kg/m3，适用测点流速≤5m/s。除了含沙量测量范围，测沙仪在使用之前和应用过程中，工作曲线需要事先和定期率定。工作曲线是测沙仪进行含沙量测量的主要依据。泥沙测量使用仪器前，应精确率定、建立工作模型。若仪器校测的系统误差不大于2%，原工作模型可继续使用。否则，要重新率定工作曲线，并使用对应的新模型。

　　3.4适应性检验

　　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、河床的组成等都有关系。测沙仪适应性检验，如传感器对水流扰动、水温、泥沙颗粒特征及化学特性等的影响，应能自行或人工设置校正，或能将误差控制在允许的范围内。凡此种种，都需要制定相应的技术标准和操作流程。

　　4制定“同位素测沙团标”可行性讨论

　　4.1法规条件

　　2019年初，《团体标准管理规定》发布。《团体标准管理规定》第13条规定:制定团体标准应当以满足市场和创新需要为目标，聚焦新技术、新产业、新业态和新模式，填补标准空白。也就是说，团体标准应该发挥其灵活性，对市场变化和行业创新做出快速的反应，一是要快速适用市场的需求，二是要在新兴领域占得先机。2020年7月，中国水利学会2020年第73号文件，发布《光学含沙量测量仪率定规范》团体标准。

　　该团标规范了光学测沙仪率定实验方法、含沙量范围等关键技术指标，确保含沙量测量数据的准确性，有力推动了含沙量测量技术的发展;也从一定层面佐证了测沙仪应用的重要性，以及制定率定规范的可行性。《光学含沙量测量仪率定规范》，适用于光学测沙仪的率定，以建立仪器输出数据与水体含沙量的相关关系，即测沙仪的工作曲线。同位素测沙仪与光学测沙仪工作原理不同，适用条件也不同，对于率定通用性要求、率定方法、数据分析、率定结论等方面，都需要相应的指标和流程。

　　4.2技术条件

　　随着计算机及现代通信技术的发展，一些影响测沙仪推广的不利因素逐步消除。同位素测沙仪实现了实时在线，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了泥沙在线监测系统，它是基于C8051F350单片机和低能量源(Am241)开发的。近年来，在黄河潼关水文站进行了多次试验，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。

　　试验结果表明，系统对含沙量变化具有良好的适应性:当含沙量小于3kg/m3时，误差小于10%;当含沙量在3kg/m3以上时，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处该类型泥沙监测系统，结果表明，其测量范围广、稳定性好、适应性较强。在泥沙在线监测系统多年实验中，相关单位总结经验，形成了较为完善的仪器率定流程，构建了数据分析模型，积累了解决实际问题的方法，为科学开展同位素测沙仪率定奠定了坚实的技术线路和工作基础。

　　5结语

　　泥沙问题关系到河流发展演变、规划治理及水库兴利功能等方面。影响水库安全运行的首要问题仍然是泥沙问题，泥沙测验和研究工作的高质量发展，需要科学的手段和技术规范作保障。同位素测沙仪的推广和应用，需要技术标准规范率定实验方法、含沙量范围，确保含沙量测量数据的准确性。制定《同位素测沙仪率定规范》势在必行。声学测沙仪、振动式测沙仪等泥沙测验仪器的应用，同样需要相应的技术标准，规范率定方法，以建立仪器工作曲线，保证测验成果质量。制定《同位素测沙仪率定规范》，对其他类型测沙仪的率定工作具有借鉴意义。

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　　作者：郭涵1，赵新生2，胡明利3