黏性细颗粒泥沙絮凝研究浅析

絮凝现象是黏性细颗粒泥沙淤积的重要原因,泥沙絮凝对泥沙淤积规律和模拟具有重要意义.由于黏性细颗粒泥沙絮凝受多重因素影响,其形成机理极为复杂,有必要对现有研究成果进行总结与整理.在系统分析现有研究基础上,从研究方法、研究成果两方面,对研究进展进行整理,明确进一步研究方向与思路.     

黏性泥沙絮凝研究进展

黏性泥沙颗粒的絮凝特性表现出与粗颗粒泥沙迥异的物理及输移特性,因此黏性泥沙絮凝是河流海洋泥沙理论研究中的热点之一。总结了黏性泥沙絮凝在试验研究和数学模型方面的研究成果,介绍了最新的相关研究进展,并分析了现有研究中存在的问题。认为目前存在的主要问题有:①有关黏性泥沙的试验研究以单因素影响试验为主,缺少多因素影响研究;②对泥沙絮团的三维结构形态研究不足;③相关数学模型只能描述定性规律。今后应在黏性泥沙相似准则、多因素影响试验、絮团微观结构观测仪器开发、大尺度三维絮凝数值模拟等方面加强研究。     

黏性泥沙絮凝研究综述与展望

絮凝是黏性泥沙最重要的特性之一,也一直是泥沙基本理论和运动规律研究的重点和难点课题,对絮凝过程与机制的研究是理解、模拟和预测黏性泥沙及其携带物质输运规律的关键.总结了黏性泥沙絮凝机制、絮团特性和影响絮凝因素方面的研究成果与进展,并分析提出了现有研究的不足,主要有三方面:对黏性泥沙生物絮凝过程与作用机理的精细化研究薄弱;...     

黏性细颗粒泥沙絮凝及沉降的三维模拟

鉴于试验观察黏性细颗粒泥沙悬浮体系絮凝-沉降过程存在技术困难，尝试以分形生长理论为基础，使用改进的受限反应絮团聚集(RLCCA)模型，在计算机上模拟这一复杂过程。模型考虑了絮团的分形结构与可渗透特性、泥沙浓度对悬浮液黏性的影响等因素，复演颗粒、絮团在重力沉降和布朗作用下的三维运动及相互碰撞并黏结的现象。在对模拟数据的统计分析基础上，讨论了絮凝-沉降过程的各种特性，结果表明：碰撞效率系数不同时，絮凝发育过程存在相似性。     

水体紊动对黏性泥沙絮凝影响研究

紊动水流中黏性泥沙絮凝沉降对河口海岸黏性泥沙输送过程起着十分重要的作用。建立了均匀各向同性紊流中黏性泥沙絮凝沉降的三维格子玻尔兹曼数学模型,模拟不同紊动剪切率对黏性泥沙絮凝过程的影响。模拟结果表明:随着紊动剪切率的增加,计算区域内絮团形成所需的时间先减少后增加,黏性泥沙沉降速度也呈现先减小后增大的趋势,剪切率的转折点在200s-1左右,与已有观测结果一致。模拟结果反映了低强度水体紊动对絮凝有促进作用而高强度水体紊动对絮凝有抑制作用。     

黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮运动过程数学模型研究

黏性泥沙运动特性是河流海洋泥沙动力学研究热点之一。为研究紊动水体中黏性泥沙运动过程及其机理,以絮凝动力学方程为基础,通过设置不同粒径级别的泥沙絮团再悬浮量为下边界条件来反映黏性泥沙絮团的再悬浮,建立了黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮动态过程数学模型。模型验证结果表明,新建模型可用于描述黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮运动过程,且具有一定的精度。最后以泥沙絮团体积分布为指标,探讨了强紊动水体中絮凝、沉降和紊动扩散在这一动态过程中的作用。研究结果表明,强紊动水体中,上层区域泥沙絮团分布的决定因素是沉降和紊动扩散;中部区域是絮凝;下层区域是絮凝和紊动扩散。     

黏性泥沙絮凝体结构观测与分形维数估算

用液氮冷冻升华方法制备黏性泥沙絮凝体标本。实验分析指出：采用体视镜观察絮凝体的图像具有较好的立体感;激光共聚焦显微镜可以获得絮凝体水平分层断面图像;引用分形集的横切面理论,可以得到黏性泥沙在三维空间的分彤维数。     

温度对黏性泥沙絮凝影响的机理研究

用格子玻耳兹曼方法,引入胶体作用理论(e Xtended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek theory,XDLVO理论)模拟不同温度下两个黏性泥沙颗粒静水不等速沉降絮凝过程。结果表明,温度升高缩短泥沙絮凝时间,促进絮凝。同时分析了泥沙颗粒的运动轨迹、相对运动速度和颗粒间近距离作用力,探讨温度对泥沙絮凝的影响机理。分析结果认为温度升高一方面减小水体黏性系数,加大泥沙沉速,加快泥沙颗粒相互靠近;另一方面,增大泥沙颗粒表面吸附水膜厚度的同时,也增大泥沙颗粒之间的近距离排斥力,对吸附水膜厚度和排斥力影响的综合结果也促进了絮凝。     

黏性泥沙不等速沉降絮凝的格子Boltzmann模拟

建立黏性泥沙运动的三维格子Boltzmann模型,对黏性泥沙不等速沉降絮凝过程进行全尺度直接数值模拟,从微观角度分析了泥沙颗粒不等速沉降形成的絮团特性和絮团成长过程。模拟结果与已有实验结果一致。模拟结果还表明,不等速沉降时不同泥沙浓度条件下形成的絮团若大小相近则沉降速度接近,但泥沙浓度对水体中泥沙总体平均沉速有明显影响,泥沙浓度越高,泥沙平均沉速越大,主要是因为泥沙浓度越大,颗粒之间越容易发生碰撞而形成更大、更多的絮团。     

鄱阳湖黏性细颗粒泥沙絮凝特性研究

黏性细颗粒泥沙是鄱阳湖悬浮物的主要组成部分,其絮凝作用对鄱阳湖泥沙冲淤及湖床演变具有明显影响。采用鄱阳湖湖区泥沙的现场样品,通过室内泥沙静水沉降试验对鄱阳湖黏性细颗粒泥沙的絮凝特性进行了分析。研究结果表明,鄱阳湖黏性细颗粒泥沙絮凝临界粒径为0.028 mm;黏性细颗粒泥沙沉降过程包括分选沉降、絮凝沉降和絮凝平衡三个阶段,含沙量越大,絮凝沉降加速阶段持续时间越长。含沙量对絮凝沉速的影响存在临界现象。含沙量0～3 kg/m³范围内絮凝沉速随含沙量增加而增加,而3～5 kg/m³含沙量时对絮凝沉速的影响已不明显。     

絮凝剂作用下黏性细沙絮凝沉降规律研究

细颗粒泥沙广泛分布于河流、水库、河口及海岸水体中,其絮凝沉降及输移规律是泥沙运动力学中一个重要课题。采用自制沉降实验装置,实验观测了不同絮凝剂浓度、不同浓度黏性细颗粒泥沙的絮凝沉降过程,分析研究了黏性细沙絮凝沉降规律。结果表明：聚合氯化铝(PAC)絮凝剂比较稳定,PAC溶液浓度对不同泥沙浓度絮团沉速的影响均较小,最佳投放浓度可统一采用0.08 g/L。阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)絮凝剂对泥沙浓度的反应最为敏感,絮凝剂最佳投放浓度随着泥沙浓度的变化分为3个稳定段和2个敏感段,稳定段CPAM最佳投放浓度分别为0.08、0.10和0.12 g/L,敏感段CPAM最佳投放浓度可采用区间插值方法选取。阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)絮凝剂最佳投放浓度随着泥沙浓度的变化分为2个稳定段和1个敏感段,稳定段APAM最佳投放浓度不随泥沙浓度的变化而变化,分别为0.08和0.10 g/L,敏感段APAM最佳投放浓度可采用区间插值方法选取。絮凝剂APAM的絮凝效果最好,絮凝剂CPAM的絮凝效果次之,絮凝剂PAC的絮凝效果较差。     

近海与河口粘性泥沙输移过程——第六届INTERCOH 2000综述

第六届近海与河口粘性泥沙输移过程国际学术会议主要包括以下内容 :1)粘性泥沙与湍流的相互作用 ;2 )淤泥动力特性的现场观测 ;3)粘性泥沙输移过程的数值模拟 ;4 )絮凝作用和絮凝团沉降速率 ;5 )淤泥底床侵蚀、固结过程。主要进展表现在 :1)分形理论被应用于粘性泥沙运动 ;2 )水声学技术、PIV技术的应用 ;3)原位剪应力测量装置 (ISIS)被应用于测量淤泥表面、床体上的侵蚀剪应力分布 ;4 )生物对粘性泥沙运动影响的研究 ,即利用环形水槽实验等 ,探讨异养细菌、超细胞聚合体对粘性泥沙稳定作用的影响 ;5 )一种健壮、有效的适应有限元数学模型 ,考虑絮凝、非牛顿流及高浓度下的湍流耗散 ,被用来解决粘性泥沙的输移问题。     

粘性泥沙起动流速的探讨

本文结合琅琊山抽水蓄能电站下库库区原状土起动流速试验，对以往所采用的粘性泥沙起动流速分工进行了讨论。根据近年来明渠均匀紊流的理论研究与试验研究成果，对粘性泥沙的起动机理及起动流速的确定提出了一个设想，并给出了固结粘土的起动流速公式。本文指出，粘性泥沙的起动，除水流方面的影响外，粘性泥沙的组成及结构也是影响其起动的重要因素。因此，借鉴土力学、粘土坟物学等相关学科的研究成果将有助于此类工程问题的解决。     

Progress in Sediment Research of TGP

ＳｅｄｉｍｅｎｔｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｉｃａｌｉｓｓｕｅｓｆｏｒＴＧＰ．ＳｅｄｉｍｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｏｆＴＧＰｈａｓｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｆｏｒｍｏｒｅｔｈａｎ4 0ｙｅａｒｓｓｉｎｃｅ 195 8．Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ＹＲＳＲＩｃｏｎｔｉｎｕｅｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｏｎｓｅｄｉｍｅｎｔｉｎｔｈｅｄａｍｓｉｔｅａｒｅａａｎｄｔｈｅｒｅｓｅｒ ｖｏｉｒａｒｅａｈａｖｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｅｃｈｎｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｇｉｖｅｓｂｒｉｅｆｌ…     

有机质对细颗粒泥沙静水絮凝沉降特性的影响

在CaCl2和MgCl2浓度为0－1．0mmol/L，泥沙浓度为10g/L时，本文用吸管法研究了有机质对细胞粒泥沙絮凝沉降的影响，结果表明，在液面上同一深度，有机质并不影响泥沙浓度随时间呈指数衰减的变化规律，但去除有机质后，细颗粒泥沙絮凝的最佳电解质浓度降低；对于相同的电解质浓度，其絮凝沉降加快，泥沙平均沉速明显增大。     

长江口不同河段表层细颗粒泥沙絮凝特性

利用长江口的现场观测资料分析河口不同区段表层细颗粒泥沙絮凝特性及其影响因素。结果表明:在河口上段水域,流速对絮凝表现为破坏作用,盐度是"制约"条件,流速和浊度对絮团影响明显,絮团平均粒径约为40.69mm,是分散粒径的4倍左右;口门最大浑浊带水域絮团峰值出现在憩流或者中等流速处,高盐度抑制、低盐度促进絮团生长,小潮时流速影响最明显、大潮时则是盐度,絮团平均粒径小潮为28.54mm、大潮35.17mm,是分散粒径2~3倍左右;北港口外,絮团生长或者破碎频繁,流速表现出促进作用,盐度有抑制作用,盐度对絮团影响最大,絮团平均粒径约为110.36mm,是分散粒径的18倍左右。     

河流泥沙吸附磷的研究现状与展望

输送水流泥沙和营养物质是河流的主要功能之一。大坝等水利工程拦截泥沙的同时,改变了河流营养物质的迁移和转化。从国内外近20 a泥沙吸附磷的相关研究文献可以看出:泥沙对磷的吸附与泥沙颗粒的理化性质、水体初始磷浓度、含沙量以及环境因子等相关,即颗粒越细,表面吸附位越多,更有利于磷的吸附;水体初始磷浓度越高,吸附量越多;含沙量越大,总吸附量越大,单位质量泥沙吸附量越少;泥沙吸附磷的机理模型主要有热力学模型和动力学模型两类,Langmuir模型和Freundlich模型在等温吸附中应用较广;二级动力学模型对泥沙吸附磷的全过程拟合程度更高;在河流生态系统中,泥沙吸附的磷以颗粒态磷的形式作为生物可利用磷的储备,间接影响水生生物的生长。颗粒态磷与水生生物的生长关系、吸附量与含沙量等多因子的动力学模型在今后有待进一步研究。     

泥沙流变学及其应用

本文将流变学的研究方法应用于泥沙问题的研究,提出泥沙流变学,将其作为泥沙学的一个分支科学,倡导从流变学的角度研究在外力作用下泥沙的流动和变形规律,以及其自身结构的变化,以期为工程领域以及自然现象中的一些问题提出新的解决途径。本文以长江口泥沙样本为例,对其流变特性进行了测量,展示了触变性和剪切变稀行为,以及相态转变的4个分区。     

三峡水库泥沙絮凝特征及影响因素分析

以三峡水库奉节河段和庙河河段的现场取样资料为基础,通过现场测量和室内实验分析,发现819个现场取样点中,99.4%的测点存在泥沙絮凝现象,其中83.6%的泥沙絮团直径约为单颗粒直径的3~8倍,表明在条件适合的情况下三峡水库泥沙絮凝具有普遍性,絮凝的临界粒径为0.02 mm。从库区泥沙絮凝的分布来看,主要集中在中上层水体中,并且顺水流方向呈现衰减的趋势,庙河河段的絮凝度明显小于奉节河段。库区泥沙絮凝的临界流速为0.7 m/s,流速小于0.7 m/s有利于泥沙絮凝的形成,但由于库区泥沙颗粒间的相对动能较小,泥沙絮凝难以形成稳定的大絮团,主要表现为弱絮凝。