黄河水浊度与含沙量、泥沙粒度之间的关系

出　　自： 《中国给水排水》 1989年第1期第10页
发表时间： ： 1989-1

金同轨；陈保平；梁春华(西安冶金建筑学院)唐荣昌(西北电力设计院)

摘要：黄河水的浊度与含沙量之间没有固定的比值关系。本文根据浊度与光密度的关系，提出了确定浊度T与含少量C w 的关系需要引入泥沙颗粒比表面积参数S 0 ，并用黄河上、下游不同河段的的不同粒度分布的泥沙或浑水进行了实测分析，得到了关系式 。此式对黄河高浊度水有较好的的普遍意义，并为高浊度水投药自动控制解决了浊度仪与含沙量测定仪表两者读数的衔接问题。

　　黄河水浊度与含沙量之间没有固定的比值关系，往往相同含沙量的原水，表现出不同的浊度，或者相反。这样使人们对水质的评价发生一定的困难。没有固定的沙浊比(含沙量与浊度的比值)，给高浊度水净化时的投药量控制带来一定的困难。因此，非常有必要对黄河水浊度与含沙量之间的关系进行研究。

一、理论说明

　　水的浊度，是利用光学原理测定水质的一项重要指标，它在一定程度上表示了水中悬浮物质的多寡，但浊度值与水中浊度物质的质量值并不总是等价的。
　　目关国内常采用分光光度计或专门的浊度仪表来测定浊度，这属于透射式或散射式的光学浊度。浊度T与入射光强I 0 关系式:

　　式中: D——光密度，即分光光度计所显示的值；
　　b——光径；
　　I——透射光强。
　　采用光沉降法(或称消光法)测定颗粒大小时，光密度D 〔1〕 为

　　式中:
　　C——颗粒质量浓度；
　　L——沉降槽长度；
　　K r ——消光系数；
　　κ r ——由颗粒形状所决定的常数(球体的κ=π/4)；
　　d 0 ，d st ——光柱中最小和最大颗粒粒径；
　　n r ——颗粒数。
　　在初始浓度时，光密度为最大(D M )，并有

　　式(3)、(4)中:
　　S——颗粒的表面积；
　　α s，r ——颗粒表面形状系数；
　　W——颗粒的质量；
　　α υ，r ——颗粒的容积形状系数
　　ρ s ——颗粒的密度。最终可得
　　D M =CL(ιοge)K m κS w (5)
　　式中:
　　K m ——消光系数的平均值；
　　S w ——质量比表面积。

　　式中:
　　α sr ， ，A ——颗粒的面积、体积形状系数；
　　X r ——d r，A 粒经颗粒在全体颗粒中的组分。
　　式(6)中的∑(X r /d r， )即为过去曾经采用的当量粒径d θκб 的定义 〔2〕 。
　　综合式(1)和式(5)可得

　　式(7)与Lambert-Beer定律的表达式 〔3〕 相似，即
　　l R (I 0 /I)=κACL(8)
　　式中:
　　A——光束中每克颗粒的投影面积；
　　C——悬浊液的颗粒浓度(质量浓度)；
　　L——光径；
　　κ——有关光行程系统的常数。
　　卢永生、徐友仁、龙毓骞 〔4〕 在研制光电颗分仪时为确定消光系数提出了如下的关系式:

　　式中:
　　d 50 —泥沙颗粒的中值粒径其它符号的意义见前。
　　式(9)又可表达为如下形式:

　　对于某一具体泥沙样

式(11)中的6/d 50 可定义为颗粒的比表面积S 0 ，因此式(11)与式(5)、式(8)具有相似的形式。
根据我们对黄河不同河段泥沙粒度分布的测定，用d 50 代表S 0 或S w 的依据尚不充分。在多数情况下d 50 与S 0 有较好的关系，但在另外一些情况下就不完全如此。
由以上式(5)、(8)和式(11)可知，水的浊度除与颗粒浓度(即含沙量)有关外，还与粒径因素有关，粒径因素主要表现为颗粒的比表面积。

二、对黄河水的考虑

黄河水含沙量之高为世界河流之冠。黄河水中的泥沙绝大部分来自黄土，其物质成分十分复杂，有六十余种矿物。但黄土的颗粒、矿物、化学成分呈现的变化，基本上是有规律的。因此，黄河水浊度与其泥沙颗粒因素的关系，有可能较稳定，颗粒的形状系数和消光系数不致有很大的波动。这对寻求浊度与含沙量、颗粒组成的关系提供了可能性。

三、试验情况

我们取了甘肃兰州、宁夏表铜峡、河南荥阳孤柏嘴、河南郑州花园口，四处黄河河段的泥沙样或水样，配成不同浓度的浑水，测定其浊度。根据兰州自来水公司的经验，浑水在作浊度测定时往往需要稀释，此时要采用固定的稀释倍数，这样，不同浑水样的单位含沙量的浊度值相当稳定。而不按固定稀释倍数所得的数据偏差较大。浊度测定用上海自来水公司生产的GDS—3型光电式浑浊度仪，每个泥沙样或浑水样用河海大学工厂生产的NSY-1型光电颗分仪测定其粒度分布，计算出各自的S w 。不同沙样的颗分结果见表1。
应当指出，正如我们在进行高浊度水投药量与泥沙颗粒表面积关系的研究时所提出的那样，不同粒度分析仪器的测定结果有一定差异，有时甚至有较大的距离，难以类比换算。固以采用同一类型仪器进行颗分测定为好。
同时还用高岭土配制的浑水进行了对照测定。
不同沙样的浊度测定结果见表2。从表2可以看出，粒径因素不同时，相同含沙量级的浊度呈现出明显的差异。
各试样泥沙的颗粒特征 表1

四、试验结果分析

　　按式(1)、式(5)和式(8)所示，原水浊度应与水中颗粒浓度和颗粒的比表面积成正比，亦即是与水中颗粒的总表面积成正比。但按试验结果整理出的浊度T与含沙量C w 、颗粒比表面积S 0 的关系具有如下形式:

　　式中:
　　n、a、b—经验系数。
　　具体的结果如下式

　　式(13)的相关系数r=0.9981，并示于图1。

　　图1所示和相关系数接近于1的情况说明，我们所得的试验结果和上述关系式相当稳定。尤其是试验中用了黄河上、下游不同河段—兰州、青铜峡、郑州铝厂孤柏嘴取水口和郑州花园口的泥沙，其结果仍然很好，说明式(12)的基本关系是正确的，可以适用于黄河全河段的浊度与含沙量、颗粒比表面积的关系计算。
　　我们在试验中还用高岭土配制成浑水做了测定，其结果与黄河水完全一致，呈现了与黄河泥沙相同的光学性质，也进一步说明了式(12)的可靠性。
　　式(12)与式(7)尚有一定差异，主要表现在系数n不为1，n不等于1的原因较复杂，推测有如下几点。
　　1.颗粒大小不同时，对入射光的吸收程度不相同，而消光系数难以设为变量；
　　2.黄河水中泥沙颗粒的物质成分复杂，颗粒表面的形状、光洁度、颜色都有差异；
　　3.颗粒分析仪器的测定结果和颗粒表面积计算方法的影响。因为我们在研究投药量与泥沙颗粒表面积(S 0 ·C w )关系时，在采用不同型式颗分仪器的测定结果的情况下，S 0 的方次就在1的左右变动，变动范围为0.7—1.33。
　　系数α包括了消光系数、颗粒形状系数等因素；系数b接近于1，但不等于1，估计也与颗M分结果的数值有关。
　　高岭土仅采用了一个品种，还难以解释其光学性质与黄河泥沙几乎相同的原因。

五、结论及存在问题

　　1.黄河高浊度水的浊度不但与含沙量有关，而且与颗粒因素有关，忽略其中的一个因素就难以得到稳定的关系，其一般关系式为:
　　T=f(S 0 ，C w )；
　　2.在通常情况下，沙浊比C w /T)大，泥沙颗粒粗，反之则细；
　　3.用黄河上、下游不同河段泥沙进行测定后，其结果呈现出良好的一致性。由此得出了具体的关系式为:
　　此式有可能适用于全河段；
　　4.不同颗分仪器或方法所得的结果往往有差异，甚至有相当大的差异，因此欲求得浊度与S 0 、C w 的关系时，应采用同一类型的颗分仪器或方法；
　　5.由于条件关系，未做其它较高浊度河流的测定，估计本文提出的基本关系有可能用于其它水系的以含有粗分散系颗粒为主的较高浊度水，如长江上、中游水系，但并不一定适用于低浊度水河流。

参考文献

　　〔1〕艾伦，T，颗粒大小测定(第三版)喇华璞、童三多、施娟英译中国建筑工业出版社1984 年
　　〔2〕Mинц，д.M.шуберт，C.A.Гидрвликазернистыхмaтериалов.Hзд.MKX PCXCP.1955
　　〔3〕三轮茂雄、日高重助《粉体工程实验手册》杨伦、谢淑娴译，中国建筑工业出版社1987年。
　　〔4〕卢永生、徐友仁、龙毓骞《消光法用于河流泥沙颗粒分析——河流泥沙国际学术讨论会论文集》第二卷光华出版社1980年。