黃河水濁度與含沙量、泥沙粒度之間的關系
摘要：黃河水的濁度與含沙量之間沒有固定的比值關系。本文根據濁度與光密度的關系，提出了確定濁度T與含少量C w 的關系需要引入泥沙顆粒比表面積參數S 0 ，并用黃河上、下游不同河段的的不同粒度分布的泥沙或渾水進行了實測 分析 ，得到了關系式 。此式對黃河高濁度水有較好的的普遍意義，并為高濁度水投藥自動控制解決了濁度儀與含沙量測定儀表兩者讀數的銜接 問題 。
關鍵詞：黃河水 濁度 含沙量 泥沙粒度 關系
黃河水濁度與含沙量之間沒有固定的比值關系，往往相同含沙量的原水，表現出不同的濁度，或者相反。這樣使人們對水質的評價發生一定的困難。沒有固定的沙濁比(含沙量與濁度的比值)，給高濁度水凈化時的投藥量控制帶來一定的困難。因此，非常有必要對黃河水濁度與含沙量之間的關系進行 研究 。
一、 理論 說明
水的濁度，是利用光學原理測定水質的一項重要指標，它在一定程度上表示了水中懸浮物質的多寡，但濁度值與水中濁度物質的質量值并不總是等價的。
目關國內常采用分光光度計或專門的濁度儀表來測定濁度，這屬于透射式或散射式的光學濁度。濁度T與入射光強I 0 關系式:
式中: D——光密度，即分光光度計所顯示的值;
b——光徑;
I——透射光強。
采用光沉降法(或稱消光法)測定顆粒大小時，光密度D 〔1〕 為
式中:
C——顆粒質量濃度;
L——沉降槽長度;
K r ——消光系數;
κ r ——由顆粒形狀所決定的常數(球體的κ=π/4);
d 0 ，d st ——光柱中最小和最大顆粒粒徑;
n r ——顆粒數。
在初始濃度時，光密度為最大(D M )，并有
式(3)、(4)中:
S——顆粒的表面積;
α s，r ——顆粒表面形狀系數;
W——顆粒的質量;
α υ，r ——顆粒的容積形狀系數
ρ s ——顆粒的密度。最終可得
D M =CL(ιοge)K m κS w (5)
式中:
K m ——消光系數的平均值;
S w ——質量比表面積。
式中:
α sr ， ，A ——顆粒的面積、體積形狀系數;
X r ——d r，A 粒經顆粒在全體顆粒中的組分。
式(6)中的∑(X r /d r， )即為過去曾經采用的當量粒徑d θκб 的定義 〔2〕 。
綜合式(1)和式(5)可得
式(7)與Lambert-Beer定律的表達式 〔3〕 相似，即
l R (I 0 /I)=κACL(8)
式中:
A——光束中每克顆粒的投影面積;
C——懸濁液的顆粒濃度(質量濃度);
L——光徑;
κ——有關光行程系統的常數。
盧永生、徐友仁、龍毓騫 〔4〕 在研制光電顆分儀時為確定消光系數提出了如下的關系式:
式中:
d 50 —泥沙顆粒的中值粒徑其它符號的意義見前。
式(9)又可表達為如下形式:
對于某一具體泥沙樣
式(11)中的6/d 50 可定義為顆粒的比表面積S 0 ，因此式(11)與式(5)、式(8)具有相似的形式。
根據我們對黃河不同河段泥沙粒度分布的測定，用d 50 代表S 0 或S w 的依據尚不充分。在多數情況下d 50 與S 0 有較好的關系，但在另外一些情況下就不完全如此。
由以上式(5)、(8)和式(11)可知，水的濁度除與顆粒濃度(即含沙量)有關外，還與粒徑因素有關，粒徑因素主要表現為顆粒的比表面積。
二、對黃河水的考慮
黃河水含沙量之高為世界河流之冠。黃河水中的泥沙絕大部分來自黃土，其物質成分十分復雜，有六十余種礦物。但黃土的顆粒、礦物、化學成分呈現的變化，基本上是有 規律 的。因此，黃河水濁度與其泥沙顆粒因素的關系，有可能較穩定，顆粒的形狀系數和消光系數不致有很大的波動。這對尋求濁度與含沙量、顆粒組成的關系提供了可能性。
三、試驗情況
我們取了甘肅蘭州、寧夏表銅峽、河南滎陽孤柏嘴、河南鄭州花園口，四處黃河河段的泥沙樣或水樣，配成不同濃度的渾水，測定其濁度。根據蘭州自來水公司的經驗，渾水在作濁度測定時往往需要稀釋，此時要采用固定的稀釋倍數，這樣，不同渾水樣的單位含沙量的濁度值相當穩定。而不按固定稀釋倍數所得的數據偏差較大。濁度測定用上海自來水公司生產的GDS—3型光電式渾濁度儀，每個泥沙樣或渾水樣用河海大學工廠生產的NSY-1型光電顆分儀測定其粒度分布， 計算 出各自的S w 。不同沙樣的顆分結果見表1。
應當指出，正如我們在進行高濁度水投藥量與泥沙顆粒表面積關系的 研究 時所提出的那樣，不同粒度 分析 儀器的測定結果有一定差異，有時甚至有較大的距離，難以類比換算。固以采用同一類型儀器進行顆分測定為好。
同時還用高嶺土配制的渾水進行了對照測定。
不同沙樣的濁度測定結果見表2。從表2可以看出，粒徑因素不同時，相同含沙量級的濁度呈現出明顯的差異。
各試樣泥沙的顆粒特征 表1
四、試驗結果分析
按式(1)、式(5)和式(8)所示，原水濁度應與水中顆粒濃度和顆粒的比表面積成正比，亦即是與水中顆粒的總表面積成正比。但按試驗結果整理出的濁度T與含沙量C w 、顆粒比表面積S 0 的關系具有如下形式:
式中:
n、a、b—經驗系數。
具體的結果如下式
式(13)的相關系數r=0.9981，并示于圖1。
圖1所示和相關系數接近于1的情況說明，我們所得的試驗結果和上述關系式相當穩定。尤其是試驗中用了黃河上、下游不同河段—蘭州、青銅峽、鄭州鋁廠孤柏嘴取水口和鄭州花園口的泥沙，其結果仍然很好，說明式(12)的基本關系是正確的，可以適用于黃河全河段的濁度與含沙量、顆粒比表面積的關系計算。
我們在試驗中還用高嶺土配制成渾水做了測定，其結果與黃河水完全一致，呈現了與黃河泥沙相同的光學性質，也進一步說明了式(12)的可*性。
式(12)與式(7)尚有一定差異，主要表現在系數n不為1，n不等于1的原因較復雜，推測有如下幾點。
1.顆粒大小不同時，對入射光的吸收程度不相同，而消光系數難以設為變量;
2.黃河水中泥沙顆粒的物質成分復雜，顆粒表面的形狀、光潔度、顏色都有差異;
3.顆粒分析儀器的測定結果和顆粒表面積計算 方法 的 影響 。因為我們在研究投藥量與泥沙顆粒表面積(S 0 ·C w )關系時，在采用不同型式顆分儀器的測定結果的情況下，S 0 的方次就在1的左右變動，變動范圍為0.7—1.33。
系數α包括了消光系數、顆粒形狀系數等因素;系數b接近于1，但不等于1，估計也與顆M分結果的數值有關。
高嶺土僅采用了一個品種，還難以解釋其光學性質與黃河泥沙幾乎相同的原因。
五、結論及存在 問題
1.黃河高濁度水的濁度不但與含沙量有關，而且與顆粒因素有關，忽略其中的一個因素就難以得到穩定的關系，其一般關系式為:
T=f(S 0 ，C w );
2.在通常情況下，沙濁比C w /T)大，泥沙顆粒粗，反之則細;
3.用黃河上、下游不同河段泥沙進行測定后，其結果呈現出良好的一致性。由此得出了具體的關系式為:
此式有可能適用于全河段;
4.不同顆分儀器或方法所得的結果往往有差異，甚至有相當大的差異，因此欲求得濁度與S 0 、C w 的關系時，應采用同一類型的顆分儀器或方法;
5.由于條件關系，未做其它較高濁度河流的測定，估計本文提出的基本關系有可能用于其它水系的以含有粗分散系顆粒為主的較高濁度水，如長江上、中游水系，但并不一定適用于低濁度水河流。
參考 文獻
〔1〕艾倫，T，顆粒大小測定(第三版)喇華璞、童三多、施娟英譯 中國 建筑 工業 出版社1984 年
〔2〕Mинц，д.M.шуберт，C.A.Гидрвликазернистыхмaтериалов.Hзд.MKX PCXCP.1955
〔3〕三輪茂雄、日高重助《粉體工程實驗手冊》楊倫、謝淑嫻譯，中國建筑工業出版社1987年。
〔4〕盧永生、徐友仁、龍毓騫《消光法用于河流泥沙顆粒分析——河流泥沙國際學術討論會論文集》第二卷光華出版社1980年。
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