长江河口细颗粒泥沙的絮凝沉降特性述要.doc

长江口细颗粒泥沙的絮凝沉降特性述要
管君阳 51082601024

1. 絮凝机理
在含有电解质的水中，细颗粒泥沙会吸附阳离子而形成双电层，同时受范德华(Van der Waals) 引力和双电层斥力的作用。范德华引力与颗粒间表面电荷密度无关，但双电层斥力取决于悬液中电解质的组成及浓度，与颗粒的表面电荷密度密切相关。当范德华引力大于双电层斥力时，泥沙颗粒就发生絮凝。
细颗粒泥沙的絮凝,既有物理上的原因，也有化学上的原因,但其本质是颗粒间的电化学作用。在含有电解质的水中，因布朗运动，颗粒的不等速沉降，以及水流紊动引起的碰撞会迅速产生絮凝。碰撞率随含沙浓度的增大而增大，而碰撞后的结合率则取决于电解质浓度。只有当电解质浓度超过临界絮凝浓度时，细颗粒泥沙才会发生絮凝。关于水流剪切力对絮凝的影响，目前还只能定性地认为有双重作用：即中等紊动既促进沙粒碰撞又不破坏絮粒，有利絮凝；而强烈紊动虽有利于沙粒碰撞但会剪切破坏絮粒，不利絮凝。总之，细颗粒泥沙絮凝是一个很复杂的物理化学过程。它不仅和细颗粒泥沙的物质组成、泥沙初始浓度以及级配有关，还与各种外界条件(如水质、温度和水流紊动等)密切相关。这些因素互相影响,给絮凝机理的研究带来了很大难度。尤其在动水条件下细颗粒泥沙的絮凝机理，更是处于探索阶段。
细颗粒泥沙的絮凝沉降特性 陈洪松,邵明安 (中科院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌　712100)

2. 对絮凝沉降的影响因素
2.1 盐度的影响
蒋国俊等（长江口细颗粒泥沙絮凝沉降影响因素分析）通过对细颗粒泥沙的静水和动水絮凝沉降试验发现,在淡水环境中细颗粒泥沙基本不发生絮凝沉降，其沉降也十分缓慢，一旦加入盐，细颗粒泥沙即发生迅速的絮凝沉降。而且张志忠等（长江口细颗粒泥沙絮凝若干特性探讨）在研究时发现,只要少量的盐分，细颗粒泥沙就可出现絮凝现象，在盐度为3以下时，絮凝作用有类似加速的过程，盐度达到3以后，快速的絮凝作用使絮凝沉降量以近似恒定的值而迅速落淤。可见盐度对细颗粒泥沙絮凝沉降是起阈值影响因素的作用，所以只要有盐分存在，细颗粒泥沙就能发生絮凝沉降，它是影响细颗粒泥沙絮凝沉降的主要因素。
2.2 流速的影响
阮文杰（细颗粒泥沙动水絮凝的机理分析）利用室内环形水槽进行试验做了定性的分析，
而蒋国俊等（长江口细颗粒泥沙絮凝沉降影响因素分析）通过动水絮凝沉降试验做了更进一步的研究，都发现水流对细颗粒泥沙絮凝沉降的影响在低流速时表现为促进絮凝作用,在高流速作用时表现为阻滞絮凝作用。蒋国俊等更发现，随着水流流速的减小，细颗粒泥沙絮凝沉降强度逐渐增大；一般情况下在流速大于40cm/s时，细颗粒泥沙基本不发生絮凝沉降，但在流速小于或等于30cm/s时，细颗粒泥沙絮凝沉降强度随流速的减小逐渐增强。
2.3 水温的影响
蒋国俊等（长江口细颗粒泥沙絮凝沉降影响因素分析）通过实验室试验研究显示，细颗粒泥沙絮凝沉降受水温的控制。通常情况下水温较低时，细颗粒泥沙絮凝沉降强度较低，甚至不发生絮凝沉降，但一旦水温超过25℃，细颗粒泥沙发生迅速的絮凝沉降，且具有随水温升高絮凝沉降强度增大的变化趋势。由此可见在其他条件不变的情况下温度25℃是细颗粒泥沙发生絮凝沉降的临界值。
2.4 含沙量的影响
蒋国俊等（长江口细颗粒泥沙絮凝沉降影响因素分析）通过实验室试验研究显示，细颗粒泥沙絮凝沉降的强度受悬沙供给量的影响，含沙量越高细颗粒泥沙的絮凝沉降强度越大。并且还发现含沙量与细颗粒泥沙絮凝沉降强度的关联度达0.8025，其影响程度甚至超过了流速。
2.5 粒度的影响
悬沙粒度对絮凝沉降起着重要的作用。张志忠等[11]（长江口细颗粒泥沙基本特性研究），蒋国俊等（长江口细颗粒泥沙絮凝沉降影响因素分析）通过对不同粒度的细颗粒泥沙沉降试验研究显示，当泥沙粒径大于32μm时，在盐水中的悬沙基本不发生絮凝沉降，当悬沙粒度小于32μm 时，细颗粒泥沙能发生絮凝沉降。所以细颗粒泥沙絮凝作用受到泥沙粒径的影响，32μm是细颗粒泥沙与粗颗粒泥沙的分界线。

3. 泥沙絮凝沉降的研究方法
3.1　利用泥沙絮凝沉降动力模式研究
关许为等[13]通过分析静水条件下的泥沙絮凝沉降试验资料,发现采用二级动力模式可更好地反映长江口泥沙絮凝沉降的实际情况,并在泥沙中值粒径为0.006mm(试验沙样是用0.45μm滤膜对采自无盐水入侵的江阴河段水体过滤后取得)、泥沙含量为0.1～5.0kg/m3和盐度为0～20‰等试验条件下,测得该模式的衰减系数k为0.06～4.5 ,半衰期t1/2为0. 5～8h ,沉降速率为(0.4～48)×10-3 cmPs。
二级动力模式方程式如下:
ds/dt= - λs2或1/s= λt +1/s0；半衰期t1/2 =1/λs0
式中ds/dt为含沙浓度变化率；λ为衰减系数；s0为初始含沙浓度；t为沉降时间。
关许为. 长江口泥沙絮凝静水沉降动力学模式的试验研究. 海洋工程,1995 ,13(1) :46～50.
3.2 利用泥沙的静水和动水絮凝沉降试验研究
3.2.1 泥沙的静水絮凝沉降试验
静水沉降实验采用人工配制海水,自然海水主要含二价离子,一般用简单配方(Nacl 、Mg2SO4 按一定比例)配出的盐水主要含一价离子,与实际情况相悖较远,故采用Subow配

试剂
NaCl
MgSO4·7H2O
MgCl2·6H2O
CaCl2
KCl
NaHCO3
NaBr
试量(g)
26. 518
6. 76
5. 22
1.41
0.725
0.202
0.083

将配制好的盐度34 的人工海水分别稀释成盐度为1 ,4 ,7 ⋯34 等12 组,同时将等量的钱塘江口原型沙和分选后的泥沙装入含有不同盐度的12 根沉降管中,根据Stock定律预先计算出不同颗粒径沉降的所需时间表,依次获得从大到小的若干组泥沙絮团,并重复几组实验。
3.2.2 泥沙的动水絮凝沉降试验
泥沙动水沉降实验在环形水槽中进行,环形水槽上、下槽作反方向转动,通过按一定比例调试,上、下盘的反方向转动使横向付流限制到非常小的程度,从而达到较均匀稳定的流场。使水槽上、下盘高速运转,以打碎絮团,形成均匀浑水。调节水流平均流速,在下盘槽壁不同水深的取样孔处取得浑水样品(图2) ,用比重瓶测定不同时间与水深时的含沙浓度的变化,以研究浑水中泥沙的沉降规律和淤积特性。试验所采用的水深是20cm ,水流速范围为0～70cm/s ,每增加10cm/s 测一组数据,含沙浓度范围为1～10kg/m3 ,含盐度为15,水温取实验室温度为:15°C。
（钱塘江河口细颗粒泥沙絮凝沉降特性研究 吴荣荣1 , 李九发1 , 刘启贞1 , 金　鹰2 , 刘　倩2）

4. 结论
（1） 根据蒋国俊等（长江口细颗粒泥沙絮凝沉降影响因素分析）实验室试验的研究，影响细颗粒泥沙絮凝沉降的主要因素有水温、盐度、粒度、含沙量和流速。
（2） 盐度的临界值是3。水温的临界值是25℃。小于25 ℃时细颗粒泥沙基本不发生絮凝沉降,大于25℃时随水温升高细颗粒泥沙沉降强度增大.粒度的临界值是32μm。流速的影响在一个范围内。一般情况下在流速大于40cm/s时，细颗粒泥沙基本不发生絮凝沉降，但在流速小于或等于30cm/s时，细颗粒泥沙絮凝沉降强度随流速的减小逐渐增强。
（3）

参考文献
1. 张志忠,王允菊,徐志刚.长江口细颗粒泥沙絮凝若干特性探讨[A].第二次河流泥沙国际学术讨论会论文集[ C].北京:水利电力出版社,1983.274 —285.
2. 蒋国俊,姚炎明,唐子文.长江口细颗粒泥沙絮凝沉降影响因素分析.海洋学报,2002,
(5):51 -56.
3. 阮文杰.细颗粒泥沙动水絮凝的机理分析[J].海洋科学,1991,46-49
4. 张志忠.长江口细颗粒泥沙基本特性研究[A].全国泥沙基本理论研究学术讨论会论文集[C].北京:中国建材工业出版社,1992.369-375.
5. 时　钟.长江口细颗粒泥沙过程[J].泥沙研究,2000,(6):72-81.
6. 张志忠,阮文杰,蒋国俊.长江口动水絮凝沉降与拦门沙淤积的关系[J].海洋与湖沼, 1995,26(6):632-638.
7. 陈洪松,邵明安.细颗粒泥沙的絮凝沉降特性.土壤通报,2002,(5):357-359.
8. 关许为.长江口泥沙絮凝静水沉降动力学模式的试验研究.海洋工程,1995, (1):46～50.
9. 吴荣荣,李九发,刘启贞,金 鹰, 刘　倩.钱塘江河口细颗粒泥沙絮凝沉降特性研究.海洋湖沼通报,2007,(3):29-33
10.
11.