摘要:選用測沙儀進行懸移質泥沙測驗，應根據測站泥沙測驗方法，通過率定建立工作曲線。回顧了測沙儀研發與應用狀況，分析了同位素測沙儀在應用中存在的問題;建立工作曲線和適應性檢驗需要相應的技術標準與操作流程;從法規條件和技術條件等方面論述了制定《同位素測沙儀率定規范》的重要性與可行性。
關鍵詞:含沙量;同位素測沙儀;應用;工作曲線;率定;團體標準
懸移質泥沙測驗儀器分為采樣器和測沙儀。資料顯示，目前國際泥沙測驗儀器仍然以器測法為主。基于不同原理的測沙儀有多種，其中同位素測沙儀顯示出迅速、測量范圍廣，并能連續監測水體含沙量變化等優勢。但同位素測沙儀在20世紀末一度“銷聲匿跡”，直至目前仍未得到很好應用，其原因之一是儀器率定即工作曲線的建立缺少適當標準予以規范。推動現代測沙技術發展，保障同位素測沙儀高效應用，亟須制定《同位素測沙儀率定規范》團體標準(以下簡稱“同位素測沙團標”)。
同位素論文范例： 穩定同位素比質譜技術在食品檢驗中的應用研究進展
1含沙量現代測量方法
烘干稱重和比重瓶法，是傳統的含沙量測量方法。它要經過體積量取、沙樣沉淀、過濾、烘干和天平稱重等步驟，費時費力。受傳統測量方法的局限性，為適應水利工程建設和試驗研究的需要，實時、連續并全面地反映泥沙的空間分布和動態運動過程，是含沙量測量的難題，也是泥沙理論研究與實踐的重要內容之一。對于懸移質含沙量的測量，也有基于盲數理論的模型方法，它是將影響河流泥沙含量的各個參數盲數化，通過盲數運算方法計算出河流泥沙含量。該方法主要針對平原等以水力侵蝕為主的情況。
為了計算河流輸沙量和及時預報洪水沙情，需要有一個能準確、快速和連續測量含沙量的方法。多年來，水文泥沙部門及大專院校和科研機構一直積極探索含沙量的現代測量方法，并進行了一些應用試驗，積累了許多成功的經驗，取得了相當的進展;先后提出了諸如電導法、電容法、振動法、光電法、激光法、超聲法、γ射線法、紅外線法和B超成像法等;研發出了多種實時在線監測含沙量的設備，這些監測設備主要有同位素測沙儀、聲學測沙儀、光學測沙儀、振動式測沙儀等。
2同位素測沙儀研發應用回顧
同位素測沙儀(Isotopesiltmeter)，它是根據射線減弱程度隨吸收體厚度按指數規律衰減的原理制作的測沙儀。早在20世紀60年代，我國就開始研究同位素測沙儀。
最初利用γ射線源，如Cs137和Co60等;后來采用低能X(γ)射線源，如Am241、Cd109和Pu238等。黃河水利委員會水科所(以下簡稱“黃科所”)與中國原子能科學院、上海原子核研究所、北京核儀器廠和營口電子儀器廠等單位協作共同研制出FH422型γ-γ含沙量計、FT-1型閃爍式低含沙量計、ATX5-1型X射線正比管含沙量計，還有清華大學聯合原長江流域規劃辦公室研制的雙閃爍探測器的同位素低含沙量儀，南京水利科學研究院研制的γ射線高含沙量儀和同位素低含沙量儀等。
20世紀60年代初開始至70年代，黃河水利委員會水利科學研究院(以下簡稱“黃科院”)先后研制出以Cs135為放射源的HF-422同位素含沙量計，及其以Am241為放射源的HF-42改進型，最小量程為3kg/m3;70年代末，黃科院、清華大學和長江水利委員會又研制出兩種以Am241為放射源的同位素含沙量計，測量的低含沙量最小在1.0kg/m3左右。
這些儀器先后投放到一些河流使用，其中黃河干流有10個水文站使用了10余年之久，有的測站使用效果很好，如小浪底水文站于1971年用同位素含沙量計測得713kg/m3的高含沙量，80年代起黃河天橋水電站也開始使用同位素含沙量計進行泥沙測量。1974年1月，黃河水利委員會在鄭州舉行同位素測沙儀鑒定會。鑒定結論是，當含沙量大于20kg/m3時，適合采用該儀器施測。1974年3月19日，《人民日報》報道。近年來，各地還研制出一批適合中國河流特性的水文新儀器，如低流速儀、同位素測沙儀、測流控制儀等，為進一步提高水文資料質量創造了條件。
3制定“同位素測沙團標”的重要性
3.1團標簡介
《中華人民共和國標準化法》對標準的定義是，在農業、工業、服務業以及社會事業等領域需要統一的技術要求，包括國家標準、行業標準、地方標準、團體標準和企業標準。團體標準，在2015年《深化標準化工作改革方案》中首次提出，2018年1月實施的新《中華人民共和國標準化法》確定了其合法地位。
3.2測沙儀應用難題
我國利用核輻射研究含沙量的測量工作相對國外來說，取得的成果比較多。20世紀70—80年代，我國同位素測沙技術處在世界領先地位。1987年5月英國《水能與壩工》(WaterPower&DamConstruction)刊物上，介紹了我國“黃科所”最新研制的X射線正比管含沙量計的性能，認為“比世界上已有的儀表，測量精度高，測量范圍大”。20世紀70年代后，同位素測沙儀器在生產中應用較多。
而90年代以前曾在一些站使用十多年之久的同位素測沙儀，沒有堅持用下去，同位素測沙儀逐漸“銷聲匿跡”。每隔一定時間需校正一次工作曲線，加上或因造價昂貴，或因測站維修困難，或因恐懼同位素放射性等，皆是其未能被推廣和停用的原因。由于河流泥沙條件十分復雜，洪水水流體系對儀器的要求很高，以及受傳感器、電子技術水平的限制等，直到目前仍未制定出在線測沙的技術標準，包括測沙儀的率定。
3.3標準規定
在實際生產中，采用測沙儀實施測驗時，應符合相關標準規定，也就是須符合GB/T50159—2015《河流懸移質泥沙測驗規范》的要求:工作曲線應穩定，校測方法簡便，操作安全可靠，校測頻次較少。測量精度與穩定性及可靠性，還要滿足測站的實際需要。
國家標準GB/T15966—2017《水文儀器基本參數及通用技術條件》和GB/T13336—2019《水文儀器系列型譜》對測沙儀的適用范圍進行了規定，其中同位素測沙儀測量范圍為0.5～1000kg/m3，適用測點流速≤5m/s。除了含沙量測量范圍，測沙儀在使用之前和應用過程中，工作曲線需要事先和定期率定。工作曲線是測沙儀進行含沙量測量的主要依據。泥沙測量使用儀器前，應精確率定、建立工作模型。若儀器校測的系統誤差不大于2%，原工作模型可繼續使用。否則，要重新率定工作曲線，并使用對應的新模型。
3.4適應性檢驗
在多沙河流中，影響含沙量變化的因子眾多，不僅與水流的紊動強度、顆粒的自身沉降、上游來沙量的大小、隨水流的擴散能力有關，還與河道的邊界條件、河道的沖淤變化、河床的組成等都有關系。測沙儀適應性檢驗，如傳感器對水流擾動、水溫、泥沙顆粒特征及化學特性等的影響，應能自行或人工設置校正，或能將誤差控制在允許的范圍內。凡此種種，都需要制定相應的技術標準和操作流程。
4制定“同位素測沙團標”可行性討論
4.1法規條件
2019年初，《團體標準管理規定》發布。《團體標準管理規定》第13條規定:制定團體標準應當以滿足市場和創新需要為目標，聚焦新技術、新產業、新業態和新模式，填補標準空白。也就是說，團體標準應該發揮其靈活性，對市場變化和行業創新做出快速的反應，一是要快速適用市場的需求，二是要在新興領域占得先機。2020年7月，中國水利學會2020年第73號文件，發布《光學含沙量測量儀率定規范》團體標準。
該團標規范了光學測沙儀率定實驗方法、含沙量范圍等關鍵技術指標，確保含沙量測量數據的準確性，有力推動了含沙量測量技術的發展;也從一定層面佐證了測沙儀應用的重要性，以及制定率定規范的可行性。《光學含沙量測量儀率定規范》，適用于光學測沙儀的率定，以建立儀器輸出數據與水體含沙量的相關關系，即測沙儀的工作曲線。同位素測沙儀與光學測沙儀工作原理不同，適用條件也不同，對于率定通用性要求、率定方法、數據分析、率定結論等方面，都需要相應的指標和流程。
4.2技術條件
隨著計算機及現代通信技術的發展，一些影響測沙儀推廣的不利因素逐步消除。同位素測沙儀實現了實時在線，不僅能得到觀測值，還能得到資料的整編結果。黃河水利委員會水文局研制了泥沙在線監測系統，它是基于C8051F350單片機和低能量源(Am241)開發的。近年來，在黃河潼關水文站進行了多次試驗，包括同位素本底測試、清水溫度曲線率定、室內水槽測沙、河道現場測沙及儀器輻射防護檢測等項內容。
試驗結果表明，系統對含沙量變化具有良好的適應性:當含沙量小于3kg/m3時，誤差小于10%;當含沙量在3kg/m3以上時，誤差不超過5%。2017—2018年，分別在黃河上游湟水民和水文站、中游潼關水文站、下游花園口水文站安裝3處該類型泥沙監測系統，結果表明，其測量范圍廣、穩定性好、適應性較強。在泥沙在線監測系統多年實驗中，相關單位總結經驗，形成了較為完善的儀器率定流程，構建了數據分析模型，積累了解決實際問題的方法，為科學開展同位素測沙儀率定奠定了堅實的技術線路和工作基礎。
5結語
泥沙問題關系到河流發展演變、規劃治理及水庫興利功能等方面。影響水庫安全運行的首要問題仍然是泥沙問題，泥沙測驗和研究工作的高質量發展，需要科學的手段和技術規范作保障。同位素測沙儀的推廣和應用，需要技術標準規范率定實驗方法、含沙量范圍，確保含沙量測量數據的準確性。制定《同位素測沙儀率定規范》勢在必行。聲學測沙儀、振動式測沙儀等泥沙測驗儀器的應用，同樣需要相應的技術標準，規范率定方法，以建立儀器工作曲線，保證測驗成果質量。制定《同位素測沙儀率定規范》，對其他類型測沙儀的率定工作具有借鑒意義。
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作者：郭涵1，趙新生2，胡明利3
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