羅 章１ 蔡 斌２ 陳沈良１
1.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室 上海 ２０００６２；２．德國萊馳科技 上海 ２０１２０４）
摘 要
篩析法是海灘沉積物粒度分析較經典和常用的方法。隨著科學技術的發展，利用動態圖像法分析沉積物粒度逐漸得到推廣。本文利用動態圖形法和篩析法對海南島５ 個海灘剖面２０ 組沉積物樣品進行粒度粒形測試，并將兩種方法所測得的粒度進行比較。測試分析結果顯示，該方法的測試結果重復性好，精度高；通過與篩析法的對比顯示，動態圖像法與篩析法的測試結果非常接近，粒度級配曲線基本一致，各個粒度參數值很接近且相關性非常好（Ｒ２ ＞０．９４）；由動態圖像法得出的粒形參數可以看出，粒徑相當的不同海灘沉積物粒形參數有很大差別，同一海灘不同部位的球形度和寬長比變化很大，對稱度和凹凸度變化稍小。研究表明，動態圖像法與篩析法之間的粒度分析差異主要來自于兩者測量原理的不同和天然海灘砂顆粒形狀的不規則；動態圖像法解決了不規則沉積物粒度的測量。因此，動態圖像法可以替代篩析法來測量沉積物粒度，應用前景廣闊。
關鍵詞 動態圖像法 Ｃａｍｓｉｚｅｒ ＸＴ 海灘沉積物 粒度參數 篩析法
*作者簡介 羅 章 男 １９９０ 年出生 碩士研究生 港口、海岸及近海工程 Ｅ?ｍａｉｌ： ５１１４２６０１０３４＠ ｅｃｎｕ．ｃｎ
通訊作者 陳沈良 男 教授 Ｅ?ｍａｉｌ： ｓｌｃｈｅｎ＠ ｓｋｌｅｃ．ｅｃｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
中圖分類號 Ｐ７３６．２１ 文獻標識碼 Ａ
由砂或礫等松散沉積物組成的海灘是砂質海岸重要的沉積地貌單元，其中沉積物粒度是一個重要的沉積動力和地貌動力參數［１］ 。海灘沉積物粒度參數包含沉積動力條件和沉積物運移方面的豐富信息［２?５］ 。沉積物粒度分析是揭示海灘沉積動力和地貌演變的重要手段之一，并且顆粒形態對沉積動力也有顯著影響［６?７］ 。我國華南，特別是海南島海灘分布廣泛［８］ 。海灘沉積物粒度分析對砂質海岸的沉積特征和穩定性研究具有重要的意義［９］ ，也是海灘旅游開發、科學管理和持續利用需要了解的一項基本參數［１０］ 。
沉積物粒度的分析方法很多，有直接測量法、篩析法、沉降法、圖像分析法、Ｘ 射線衰減法、電阻法、光散射法和激光法等［１１?１３］ 。然而，海灘沉積物通常粒度較粗，現有激光粒度儀無法測試，目前zui常用的方法仍是篩析法。近年來，隨著科學技術的發展，德國萊馳科技（Ｒｅｔｓｃｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）基于ＩＳＯ１３３２２?２ 標準，采用動態數字圖像分析技術研發了一款新型的干濕兩用多功能粒度粒形分析儀（Ｃａｍｓｉｚｅｒ ＸＴ）［１４］，并開始在海岸沉積以及海洋地質領域得到應用［１５］ 。本文以海南島典型海灘為例，選取若干海灘沉積物樣品進行測試對比，分析動態圖像法和篩析法在粒度曲線、粒度參數的異同及其相關性，從而綜合評價動態圖像法在海灘沉積物粒度分析中的適用性。
１ 測量原理及實驗方法
１．１ 篩析法
篩析法是碎屑顆粒粒徑測量的一種常用方法。其原理非常簡單：根據需要將不同篩孔直徑的標準篩按孔徑從小到大依次摞起，蓋上篩蓋，放在固定的振篩機上，選擇適當的模式及時長讓其振動即實現篩分。振動完成后，稱得每層標準篩中的顆粒質量，即可求得試樣以重量計的顆粒粒徑分布，進而得出該沉積物樣品的顆粒級配的頻率分布或累積分布。
１．２ 動態圖像法
多功能粒徑粒形分析儀（Ｃａｍｓｉｚｅｒ ＸＴ）是德國萊馳科技公司一款基于ＩＳＯ１３３２２?２ 動態數字成像技術的粒度粒形分析儀。其擁有的雙ＣＣＤ 成像技術，包括基準鏡頭（Ｂ?ＣＣＤ）記錄大顆粒的粒度和形態信息，聚焦鏡頭（Ｚ?ＣＣＤ）記錄小顆粒的粒度和形態信息。兩個鏡頭既可單獨使用也可同時使用［１４］ ，因而能在一個很寬的粒度范圍內得到具有重現性的數據結果。一次進樣，同時測得粒度大小、粒度分布、球形度、對稱性、凹凸度等顆粒綜合信息。
Ｃａｍｓｉｚｅｒ ＸＴ 的測量過程：將處理好的樣品通過進樣漏斗和進樣槽分散，然后通過振動裝置將樣品振入測試腔，顆粒物被ＣＣＤ 鏡頭實時快速捕捉，系統將捕捉到的動態圖像信息經過復雜的程序轉化處理，進而得出根據各種不同粒度直徑定義的粒度分布曲線。主要包括投影寬度（Ｘｃ）、等效球徑（Ｘａｒｅａ ）、弗雷特長度（ＸＦｅ）以及定向等分徑（ＸＭａ）等。Ｘｃ是指沿測量方向上的zui大弦；Ｘａｒｅａ是指等投影面積球形的直徑；ＸＦｅ是指沿一定方向測得的顆粒投影輪廓兩邊界平行線間的距離；ＸＭａ指的是投影面上在測量方向面積平分線的長度；Ｘｃ＿ｍｉｎ 是指沿投影面所有測量方向上的zui大弦的zui小值，從原理上來看，Ｘｃ＿ｍｉｎ 其數值大小接近于篩分值（圖１）。
１．３ 實驗方法
實驗選取采自２０１３ 年１２ 月海南島崖州灣、鶯歌海灣和洋浦灣５ 個代表性海灘斷面的２０ 組沉積物樣品（圖２），其中五個樣品來自崖州灣的一個斷面，從后濱到水下部位（海灘斷面采樣圖見圖３）依次編號為ＹＺＷ?１～ＹＺＷ?５，以此類推來自鶯歌海灣和洋浦灣的樣品分別編號為ＹＧＨ?１～ ＹＧＨ?５、ＹＰＷ?１～ ＹＰＷ?５和ＹＰＷ?６～ＹＰＷ?１０；重復性實驗的樣品來自崖州灣的ＹＺＷ?１。測試前，先對樣品進行預處理［１６］ ：用純水浸泡清洗，洗去樣品中的鹽份，然后在烘箱中干燥８～１２ ｈ，置于干燥器中冷卻至室溫。將同一組樣品混勻后用二分器一分為二，分別用于多功能粒徑粒形分析儀和篩析法測量。
動態圖像法采用德國Ｒｅｔｓｃｈ 公司２０１２ 年研制的粒度粒形分析儀，使用其干法模塊Ｘ?ＦＡＬＬ，測量范圍是１ μｍ～３０ ｍｍ；測試時，首先打開軟件，設置合適參數，用二分器對處理好的樣品進行分樣，然后把分好的樣品放入進樣漏斗中，點擊軟件進行測量。篩分法采用德國Ｒｅｔｓｃｈ 公司生產的ＡＳ２００ ｃｏｎ?ｔｒｏｌ 型振動篩分儀，分析篩zui大直徑為２０３ ｍｍ，粒度測量范圍２０ μｍ ～ ２５ ｍｍ。根據國家海洋調查規范［１７］ ，實驗選取的篩網孔徑分別是６３μｍ、９０μｍ、１０６ μｍ、１２５ μｍ、２５０ μｍ、３１５ μｍ、５００ μｍ、１ ０００μｍ，將適量預處理后的樣品放在套篩zui上層，振篩機振動１５ 分鐘后分別稱量各層篩面上的沙重。
２ 實驗結果分析
２．１ Ｃａｍｓｉｚｅｒ ＸＴ 粒度重復性分析
重復性是反映儀器測量精度的一個重要指標。重復性指的是使用同樣的方法在正確操作下由同一操作人員在同一實驗室內使用同一儀器，并在短期內對相同試樣做多個單次測試，所得測試結果之間的重合程度。本文采用兩種實驗方案分析對比來說明此儀器的重復性：①將ＹＺＷ?１ 號樣品重復測量１０ 次，得出結果編號為１＃～１０＃；②取它的１０個子樣（將樣品充分混合，保證子樣的隨機性）分別用此儀器測量１０ 次，得出結果編號為１１＃～２０＃。分別繪制前１０ 組和后１０ 組樣品的累積頻率曲線，然后進行對比。
前１０ 組和后１０ 組的累積頻率曲線分別如圖４和圖５；測量得到Ｄ１０、Ｄ５０、Ｄ９０三個粒度參數，平均粒徑（Ｍｚ）、分選系數（σ１）、偏度（Ｓｋ１）和峰度（Ｋｇ）這４ 個參數采用Ｆｏｌｋ?Ｗａｒｄ 圖解法公式求得［１８］ ，各參數見表１。Ｑ３是體積累積分布曲線，指的是粒徑小于Ｘ的顆粒體積與總體積的比值；ｑ３是體積密度曲線，指的是各顆粒體積與總體積的比值（ｑ３（ｘ） ＝ｄＱ３（ｘ）ｄｘ ）。
圖４ 中１０ 種不同顏色的曲線分別表示同一樣品重復測量１０次的結果，可以看出１０ 條曲線幾乎*重合；各密度曲線之間的縱向和橫向差值都十分微小，基本可以忽略不計；從直方圖可以看出單樣每次測量在不同的粒徑區間有微小的差別。圖５是分別選取１０ 組子樣進行測量得到的曲線，各曲線的重合度較１＃～１０＃的曲線圖差，各曲線稍微要分散一些；從密度分布曲線來看zui大峰值和zui小峰值相差１０％～１５％，累積頻率曲線圖的zui大差值在０．１％～０．２％之間。
從表１ 中１＃～１０＃可以看出：Ｄ１０、Ｄ５０、Ｄ９０和Ｍｚ這４ 個參數１０ 次測量結果非常穩定，１０ 組數據的標準偏差很小（＜０．６５），Ｄ９０ 略大為２．１５；從相對標準偏差來看，４ 個參數的相對標準差都小于０．６％；由分選系數、偏度和峰度３個統計參數來看：分選系數的變化在千分位，偏度和峰度在百分位變化，它們的相對標準偏差都小于２％，其中峰度和分選系數都只有百分之零點幾的波動，這表明數據的穩定性*，說明ＣａｍｓｉｚｅｒＸＴ 儀器的重復性高。由１０ 個子樣的測量結果可以得到類似于前１０ 組數據的結論，但各指標數值都略有偏大。其主要原因是取樣所帶來的誤差，二分取樣不能保證樣品充分均勻，也不能保證樣品的總量相等，并且各子樣相對于樣本總體也很難具有的代表性，所以各子樣的測量結果會有一定偏差。從上述兩組測試結果來看，與儀器自身性能所帶來的誤差相比，取樣誤差更為顯著，即子樣的選取是影響ＣａｍｓｉｚｅｒＸＴ 測量精度的主要因素。
２．２ 動態圖像法與篩析法的比較
分別用動態圖像法和篩析法對樣品粒徑進行測量，然后將得到的兩組實驗結果的顆粒參數、級配曲線進行分析對比。
２．２．１ 累計頻率曲線對比
對比測試共２０ 組樣品，這里以其中４組樣品的級配曲線為例，得到篩析法和Ｃａｍｓｉｚｅｒ ＸＴ 動態圖像法的級配曲線（圖６）。從體積級配曲線對比圖可以看出，動態圖像法和篩分法的級配曲線基本一致，只在拐點上下略有差別。
兩種方法測量的測量結果出現微小差別的主要原因是：
（１）累積頻率曲線的橫坐標表示粒徑大小，曲線越靠近左邊說明顆粒越細，所以由圖６可知篩分曲線的大顆粒部分在動態圖像法所得曲線的左邊，小顆粒在動態圖像法的右邊。所以篩分曲線大顆粒部分測出來的結果比動態圖像法的結果偏小，小顆粒部分測得的結果較動態圖像法的結果偏大。首先從篩析法本身來看，理論上通過篩孔的zui大圓球體顆粒，其直徑將等于篩孔直徑，所以對于不規則的沉積物顆粒，只要中徑小于或等于篩孔邊長的粒徑都能通過篩子［１１］。如果篩子孔徑為ａ，那么篩孔沿對角線方向的長度為２ａ ，因此在某些特殊情況下中徑或者zui大寬度介于ａ 與２ａ 的顆粒也可以通過篩子。由于海灘沉積物顆粒形狀并不規則，其中存在片狀、扁狀和尖狀的大顆粒，篩分測量時這些顆粒通過篩孔的對角線掉到下一級篩子；而動態圖像法所測量顆粒投影寬度Ｘｃ＿ｍｉｎ，原理上得出的結果是顆粒實際的篩分值。綜上所述，由于篩析法本身的理論缺陷造成了兩種測量方法的微小差異，反映在級配曲線上也就出現了圖６的情況。
（２） 篩子的合理選取也會影響篩分曲線的圓滑程度，如果篩子選取合理，篩分曲線就越接近理想的標準級配曲線；如果選取的篩子孔徑和樣品的粒徑分配范圍差別太大，就會造成級配曲線的尖點和凹點。因此，在做篩分實驗時，需要通過樣品的大致粒徑分配來選擇實驗的篩子個數和目數。
２．２．２ 粒度參數對比
粒度參數及其組合特征可用于判斷沉積水動力條件及沉積環境的參考依據。沉積物研究中常用的粒度參數包括：Ｄ１０、Ｄ５０、Ｄ９０、平均粒徑、分選系數、偏度和峰度。下面分別來討論兩種測量方法的粒度參數，并進行對比。
篩分法和動態圖像法測量的Ｄ１０、Ｄ５０、Ｄ９０和平均粒徑的對比如圖７ 所示，圖中的１?２０ 分別表示ＹＺＷ?１～ ＹＺＷ?５、ＹＧＨ?１ ～ ＹＧＨ?５ 和ＹＰＷ-１ ～ ＹＰＷ?１０。總體來看，兩種方法測量的粒徑值變化趨勢基本一致，２０ 組樣品的Ｄ１０、Ｄ５０、Ｄ９０和平均粒徑的走向一致，都在７ 號點處表現為zui大值，５ 號點處出現zui小值。Ｄ５０ 和平均粒徑兩種方法的偏差很小；Ｄ１０ 和Ｄ９０ 的偏差略大一些，不過誤差也都在幾十微米甚至幾微米范圍內。由此可見，這兩種方法測得的Ｄ５０和平均粒徑的吻合度較Ｄ１０和Ｄ９０ 好，圖像也出現了交叉，這個結論和圖６ 所得到的結論一致。
圖像法與篩析法得出的峰度、偏度和分選系數變化趨勢也基本一致（圖８）。兩種方法得出的峰度和分選系數相差非常小，誤差均在百分位和千分位之間；偏度之間的誤差稍大一些，但基本也在百分位變化，少數誤差大的在十分位變化，但總體都很接近，都表現為正偏。結合圖７和圖８ 來看峰度和偏度較大的粒徑也比較大，基本上有相同的變化趨勢，相對于峰度和偏度來看２０ 組樣品的分選系數則比較穩定，大都在０．４～０．６ 之間變化，這說明實驗所選取得５個斷面的樣品顆粒的分選性比較一致。
２．２．３ 粒度參數對比
對兩種方法所得到的４ 個粒徑參數進行回歸分析（圖９）。Ｄ５０和平均粒徑相關圖的相關系數Ｒ２ 都達到０．９９ 以上，相關性*；Ｄ１０ 和Ｄ９０ 的相關系數分別是０．９７８ 和０．９４４ １，相關性也非常好。從這４ 個參數指標的接近程度來看，ＣａｍｓｉｚｅｒＸＴ 動態圖像法和篩析法測出的粒度參數基本是*一致的。
從圖７、８、９ 看來兩種方法的測試結果基本一致，但也略有偏差。略有偏差的原因主要是實驗樣本量比較小，儀器本身的誤差和操作的誤差還存在較大的比重。因此在改進測量技術的基礎上如果在增加測量的樣本量和測量的次數，那么測量結果就更能夠具有說明性。
２．３ 粒形參數分析
球形度、對稱度、寬長比和凹凸度等是顆粒的重要粒形參數，這些粒形參數的大小直接影響著顆粒沉降和流體的流動性能；因此在海灘沉積和海岸動力學研究中，對沉積物粒形資料的分析十分重要。本文使用動態圖像法測量的海灘砂樣的平均粒形參數見圖１０、１１、１２和表２，表中數據來自崖州灣、鶯歌海灣和洋浦灣的三個粒徑大小相當的斷面，在每個斷面的后濱、灘肩、灘面、水邊線和水下部位采表層樣，分別編號為１＃、２＃、３＃、４＃和５＃。
圖１０、１１、１２ 分別示意了崖州灣、鶯歌海灣和洋浦灣的粒形參數累計曲線。對比三個海灣斷面的球形度、對稱度、寬長比和凹凸度可以得出不同的海灣粒形參數有很大差別，間接地說明了各海灣的顆粒所受的水動力條件和岸上風化侵蝕有很大區別。對比同一斷面不同岸灘部位的同一個粒形參數可以得出：后濱、灘肩、灘面、低潮線和水下部位的球形度相差zui大，在同一Ｑ３值下zui大差值接近０．２，其次是寬長比，對稱度和凹凸度變化范圍zui小。
表２ 測量結果顯示，崖州灣岸灘斷面五個部位的球形度和寬長比的相對標準偏差都在１．７５％左右；對稱度和凹凸度的相對標準偏差都在０．２％附近，這相對于球形度和寬長比穩定了很多；說明了在同一岸灘斷面不同部位，球形度和寬長比變化非常大，而對稱度和凹凸度的變化相對較小，這個結論和顆粒形狀參數累計曲線得到的結果一致。然后分析鶯歌海灣和洋浦灣的數據結果也得到了類似于崖州灣的結論。
３ 不同方法的優缺點和度分析
３．１ 優缺點分析
振動篩析法是研究沉積物粒度較為經典常用的方法之一，準確率高，并一直沿用到現在，也是當今粒度分析zui流行的方法之一。但篩析法也存在測量時間長、工作量大以及測量范圍小等不足之處。
Ｃａｍｓｉｚｅｒ ＸＴ 動態圖像法測量沉積物粒度精度好、效率高，相比于篩析法具有如下優點：①提供更多的顆粒粒徑定義和顆粒信息，諸如投影寬度、等效球徑、弗雷特長度、球形度、對稱度、凹凸度等，可以提供顆粒的三維信息；②重現性非常好；③測量范圍廣，測量范圍是１ μｍ～３０ ｍｍ，超出了篩分法的下限；④解決了不規則沉積物粒形難題，不僅得出不同的粒徑值，還可得到顆粒的形狀結構；⑤測量工作量小，步驟簡單，測量速度快（２ ｍｉｎ／樣），大大提高了測量效率。
然而，動態圖像法也存在其局限性，在沉積物研究中還涉及到亞微米級的極細黏土，由于受到光學技術的限制，動態圖像法不能的進行亞微米級顆粒測量。
３．２ 度和準確度分析
從方法本身來講，篩析法是用標準篩通過振動分級來得到沉積物的粒度值，測量前的準備和測量過程中隨機因素非常多，這些都有可能帶來粒徑的測量誤差；ＣａｍｓｉｚｅｒＸＴ 動態圖像法利用雙ＣＤＤ 雙攝像頭拍攝，用光學手段直接測量顆粒的粒徑，準確度高于利用間接法獲取顆粒粒徑的篩析法。
由于沉積物顆粒形狀不規則，如果用一個統一的粒徑值來表述不規則顆粒的大小會存在很大的估計誤差。篩析法是通過篩子孔徑大小來估算顆粒的粒徑值，它在測量微米級顆粒的沉積物粒度上具有較高的精度，這也是篩析法沿用至今的一個重要原因。但由于得出的結果只是一個估計值，并不知道具體單顆粒的粒形信息，所以在利用得到的結果來處理別的問題時準確度還是難以有很大提高。動態圖像法在不規則顆粒的粒度測量上不僅解決了粒徑的測量還得出了不規則顆粒的形態數據，*可以用來替代傳統的篩析法研究沉積物粒徑。
動態圖像法與篩析法相比，測試效率高、操作簡單、參數多而且精度高，具有更強的優勢。當然，不同方法測量的結果也是存在有差異的［２０］。通過多次實驗測量比較，Ｃａｍｓｉｚｅｒ ＸＴ 動態圖像法在測量粒度粒形上優于篩析法。然而，在眾多可選擇的粒度分析方法和儀器面前，zui重要的是要了解它們的缺陷和不足，以便合理使用、分析其測試結果［１１］。
４ 結論
通過實驗研究，分析討論了動態圖像法與篩析法測量海灘沉積物粒度的結果，并對二者進行了圖形對比、參數對比和相關分析。結論如下：
（１） 多功能粒徑粒形分析儀（ＣａｍｓｉｚｅｒＸＴ）的測試結果重復性非常好，測量精度高；影響測量度的zui主要的因素是子樣的選取。
（２） 動態圖像法和篩析法測量結果基本一致，從頻率曲線、粒度參數，以及兩者測量結果的相關性來看，動態圖像法*可以替代篩析法測量。
（３） 動態圖像法具有準確度高、效率高、參數多，而且操作簡單的優點，與傳統的篩析法相比具有的優勢。
（４） 天然沉積物顆粒形狀不規則是影響篩析法測試結果的主要因素，動態圖像法解決了不規則顆粒的測量問題，通過多個參數的測量結果來描述沉積物顆粒的三維信息；動態圖像法將不規則顆粒的測量推向一個新的階段。因此，對于微米級沉積物顆粒的測量，動態圖像法可以*代替篩析法。
（５） 粒徑范圍相當的岸灘斷面沙粒，粒形參數差別比較大，同一岸灘斷面的不同部位粒形參數也有差別。
鑒于這次實驗所取樣品平均粒徑都是在百微米級以上，僅僅代表了較粗顆粒使用動態圖像法的性和便利性。因此，進一步的研究工作有待開展，包括對動態圖像法的其他參數進行研究，并且討論這些參數的實際意義；對微米級以及亞微米級的顆粒進行測量論證，探討動態圖像法的實驗量程；研究動態圖像法和激光粒度儀的對比以及兩種方法的優缺點分析和適用性分析；利用動態圖像法得到的粒形數據對岸灘的沉積動力及岸灘演變進行分析，解決科學問題。
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