泥沙颗粒生长生物膜后沉降的实验研究Ⅱ：沉降速度计算

泥沙生长生物膜后相应的物理特性会发生改变。本文主要探讨泥沙颗粒在微生物生命活动的影响下沉降特性的改变情况。将官厅水库的泥沙分为6组,使用天然水和营养液的混合液对泥沙进行培养,用来模拟富营养水体中泥沙颗粒特性的发展变化情况。对于生长生物膜后的絮体颗粒在各个不同培养时间的沉降运动,实验采用先进的图像采集观测系统进行拍摄采样,并利用图像分析测量颗粒大小和沉速的变化,推导了生长生物膜后的颗粒沉速计算公式。研究表明生物膜极大地改变了颗粒的表面特性,使得颗粒下沉阻力增大,与同等大小无生物膜黏连的泥沙颗粒相比沉速明显减小。     

泥沙颗粒生长生物膜后沉降的实验研究(Ⅱ)——沉降速度计算

泥沙生长生物膜后相应的物理特性将会发生改变，本文主要探讨泥沙颗粒在微生物生命活动的影响下沉降特性的改变情况。通过将官厅水库的泥沙分为六组，使用天然水和营养液的混合液对泥沙进行培养，用来模拟富营养水体中泥沙颗粒特性的发展变化情况。对于生长生物膜后的絮体颗粒在各个不同培养时间的沉降运动，实验采用先进的图像采集观测系统进行拍摄采样，并利用图像分析测量颗粒大小和沉速的变化，推导了生长生物膜后的颗粒沉速计算公式。研究表明生物膜极大的改变了颗粒的表面特性，使得颗粒下沉阻力增大，与同等大小无生物膜粘连的泥沙颗粒相比沉速明显减小。     

附着生物膜的泥沙颗粒对磷的吸附特性研究

附着在泥沙表面的生物膜具有很强的吸附特性,对水环境中营养盐等物质的迁移转化具有重要的作用.本文对去除生物膜的泥沙和表面附着生物膜的泥沙分别进行了吸附营养盐磷的实验研究,对比了去除生物膜与附着生物膜的泥沙颗粒对磷的吸附能力,研究了附着生物膜的泥沙颗粒吸附磷的动力学及热力学特征.研究结果表明,去除生物膜的泥沙对磷的吸附性微小,而附着生物膜的泥沙颗粒对磷的吸附能力很强,在相同条件下附着生物膜的泥沙颗粒的吸附量比纯净泥沙吸附量高出1个数量级;同时附着生物膜的泥沙颗粒吸附磷的动力学特性符合准二级动力学模型,等温吸附特性符合Langmuir等温式,吸附速率和平衡吸附量随泥沙粒径减小而增大.     

附着生物膜的泥沙颗粒对磷的吸附特性研究

附着在泥沙表面的生物膜具有很强的吸附特性，对水环境中营养盐等物质的迁移转化规律具有非常重要的作用。本文采用实验手段分别对去除表面杂质的纯净泥沙和表面附着生物膜的泥沙进行吸附营养盐磷的实验研究，对比了去除生物膜的泥沙与附着生物膜的泥沙对磷的吸附能力，研究了附着生物膜的泥沙颗粒吸附磷的动力学及热力学特征。研究结果表明，去除表面杂质的纯净泥沙对磷的吸附性微小，而附着生物膜的泥沙颗粒对磷的吸附能力很强，在相同条件下附着生物膜的泥沙颗粒的吸附量比纯净泥沙吸附量高出1个数量级；同时附着生物膜的泥沙颗粒吸附磷的动力学特性符合准二级动力学模型，等温吸附特性符合Langmuir等温式，吸附速率和平衡吸附量随泥沙粒径减小而增大。     

絮凝对三峡水库泥沙沉降的影响

现场与室内实测的泥沙级配差异证实了三峡水库中存在泥沙絮凝现象,絮凝会加速水库泥沙淤积速率。为了确定絮凝对泥沙沉降速率的影响,现场采集了三峡水库原样泥沙,基于三峡水库水体环境,采用室内静水沉降试验对三峡水库中泥沙絮凝沉降规律进行了研究。研究结果表明,当试验采用的初始含沙量大于0.3 kg/m3时,部分单颗粒泥沙会聚集形成絮团,且泥沙絮凝程度以及沉速增加的幅度与水体中含沙量呈正比。参与絮团形成的单颗粒泥沙粒径均位于0.022 mm以下,小于临界粒径的泥沙占全沙的83%;采用絮凝因数和物质沉降通量因数分别表征絮凝对泥沙沉降的影响程度,这两种因数都随含沙量增加而增加,含沙量在1.5 kg/m3以下时其最大值分别为5.03和1.66,表明絮凝对三峡库区汛期的泥沙淤积有可能造成较大影响。     

黏性泥沙絮团形态的模拟研究

基于耗散粒子动力学方法,通过构造作用力场势函数,模拟计算了不同电荷量及泥沙浓度条件下黏性泥沙的絮凝过程,得到了在范德华力、静电力以及氢键力作用下,负电性泥沙颗粒絮团形成过程及三维结构形态。结果表明,絮团内部非键能的变化是导致絮团外部形态变化的内在原因。泥沙颗粒表面的负电荷量越大,非键能越大,形成初始絮团所需要的时间越长。在泥沙颗粒黏结絮凝过程中,非键能与分形维数减小,絮团中泥沙颗粒数目增多。在一定的絮凝时间内,低电荷泥沙形成的絮团中泥沙颗粒数目明显大于高电荷量下絮团中泥沙颗粒数目。泥沙颗粒表面负电荷量大的泥沙形成的絮团分形维数大于负电荷量小的絮团分形维数。水沙体系中泥沙浓度越大,最终形成的絮团个数越少,絮团结构越密实。     

生物絮凝泥沙的干容重研究

生物絮凝泥沙是指微生物通过生物膜作用在泥沙颗粒上形成的类絮凝结构,是泥沙与环境科学交叉研究中的一类新问题,在泥沙传统理论中涉及较少.本文以官厅水库细颗粒底泥为载体培养生物膜,采用Logistic生长曲线方程描述生物膜随时间生长变化的规律,通过环境扫描电子显微镜和激光扫描共聚焦显微镜观察生物絮凝泥沙的生长过程,并采用图像处理的方法对其结构特性进行分析,最终给出生物絮凝泥沙的干容重计算公式,为泥沙输移计算打下基础.     

淤泥絮凝脱水的室内试验研究

自然状态下淤泥中细颗粒泥沙难以形成大的絮团,对其进行自然或者机械脱水都是极度困难的。因此,在运输河湖疏浚淤泥过程中,极易造成二次污染。通过在淤泥中添加阴离子型絮凝剂（PAM）,对淤泥的絮凝脱水效果进行了分析,探讨了淤泥絮凝脱水的影响因素和颗粒粒径变化规律。结果表明,絮凝剂加入比例和淤泥含水率对淤泥絮凝脱水均有影响;随着絮凝剂加入量的增加,絮团颗粒的当量粒径呈增大趋势;当投加量超过一定值后,淤泥颗粒级配基本保持稳定;当絮凝剂比例在0.3%,淤泥含水率在200%时,淤泥脱水效果最佳。     

非黏性沙级配对浊度法测量含沙量的影响

利用浊度仪测量水流含沙量时,泥沙颗粒级配和矿物成分是影响浊度仪标定结果的主要泥沙因素。采用黄河原型非黏性沙配制不同粒径、不同含沙量浑水水体,开展固定粒径、粗细沙、混合沙等多组次试验研究,对黄河天然沙粒径及级配对浊度仪输出浊度的影响进行定量分析和机制探讨。结果表明:固定含沙量条件下,非黏性泥沙粒径对水体浊度的影响特征符合Mie散射定律;含沙量变化对浊度仪输出浊度的影响数量级为10～10²,泥沙颗粒粒径变化对浊度仪输出浊度的影响数量级为10^-1～1;相同含沙量条件下,悬沙比表面积与浊度仪输出浊度符合线性分布。建立了考虑非黏性沙级配影响的含沙量与浊度关系模型,能够较准确地反映非黏性沙粒径及泥沙浓度对水体浊度的影响,可为浊度与含沙量关系的准确率定及测量结果的校准提供可靠依据。     

长江口南支边滩悬沙级配的现场与室内观测结果的比较分析

根据2005年6月在长江口南支边滩的现场悬沙级配观测数据和悬沙水样的室内粒度分析数据,对分散状态与未分散状态下的悬沙级配的时空分布特征、絮团对悬沙级配的影响及其现场含量等进行了研究。室内粒度分析结果表明,在颗粒分散条件下,悬沙组成较细,以粉砂和粘土为主,悬沙级配的时间和空间变化较小;悬沙级配有明显的垂向分布规律,平均粒径等在垂向上呈线性分布。现场观测结果显示,在颗粒未分散条件下,悬沙组成较粗,粒径大于63μm和4~63μm的颗粒是悬沙的主要成分,悬沙级配在潮周期内变化显著。对比表明,悬沙级配的现场与室内观测结果差异显著,前者明显粗于后者,絮凝作用是造成差异的主因,絮团在现场悬沙中的含量估计超过60%,絮凝作用能够使参加和不参加絮凝作用的泥沙颗粒在絮凝前、后的体积含量发生明显改变。絮团与流速和悬沙浓度的关系复杂,在潮周期内的部分时段里,悬沙平均粒径与流速和悬沙浓度存在较好的线性关系。     

湖泊底泥絮凝沉降试验研究

湖泊底泥的运动过程产生了内源污染,加剧了湖泊生态环境的恶化。研究湖泊底泥在风浪作用下悬浮后再沉降的运移规律,可为了解湖泊水质变化成因以及开展生态环境治理提供技术支持。本课题采用有机玻璃制作的沉降桶,在静水条件下对太湖、龙感湖、巢湖的底泥进行了沉降试验,研究3个湖泊的水体在不同初始含沙浓度和不同水深条件下含沙浓度的变化,分析了3个湖泊淤泥的沉降规律,近似代表天然湖泊的底泥运动状态。试验研究表明3个湖泊水体中悬浮泥沙的沉降均为絮凝沉降,其沉降过程和沉速与单颗粒泥沙相比均发生了量和质的变化,悬浮泥沙絮凝平均沉速随沉距、含沙浓度的增大而增大。最后得出3个湖泊底泥的沉降速度,其研究结果可为采用絮凝沉降法改善水质环境提供参考依据。     

排沙漏斗悬移质泥沙运动数值模拟

排沙漏斗是一种利用立轴旋涡实现水沙分离的二级排沙设施。为了探明排沙漏斗悬移质泥沙运动特征和排沙机理,采用欧拉-拉格朗日方法模拟了排沙漏斗水气沙三相流动,其中水相和气相采用雷诺应力模型(RSM)和VOF方法描述,悬移质泥沙用颗粒轨道模型描述。通过对计算的悬移质含沙量垂向分布与实验结果的对比,验证了数学模型的可靠性。计算结果表明:在漏斗室外侧区域含沙量分布整体上较均匀,在漏斗室内侧区域的近底部存在一个明显的高浓度带。作者认为,上述排沙漏斗悬移质泥沙含沙量分布特征主要是由排沙漏斗内的二次流引起的。     

跃移泥沙颗粒起跳时间的特性分析

跃移是推移质泥沙颗粒运动的主要形式之一,跃移颗粒的运动特性是影响推移质输沙率的重要参数,但目前对跃移泥沙颗粒的起跳时间研究相对较少.本文利用高速摄影技术,对不同粒径泥沙起跳过程进行了系列的试验研究,后期采用RGB颜色映射函数获得灰度图,通过逐帧批处理获取颗粒的运动轨迹,直接得到了泥沙颗粒的起跳时间大小.试验结果表明,在...     

河湖淤泥絮凝沉降特性试验研究

絮凝沉降性能是河湖疏浚淤泥资源化处理中重要且未完善的研究课题。以武汉沙湖、官桥湖及南湖3种淤泥为研究对象,通过沉降筒试验,利用清浑交界面沉降速度和上清液浊度研究了粒径分布、初始含沙量及高分子聚合物对河湖淤泥絮凝沉降特性的影响规律,并探讨了沉降筒尺寸对试验结果的影响。试验结果表明:河湖淤泥粒径越小,淤泥絮凝沉降越慢,上清液浊度越小;随初始含沙量的增加,河湖淤泥整体沉降速度变小,但当初始含沙量增加到一定值后,初始含沙量的影响作用开始变弱;高分子聚合物会促进河湖淤泥絮凝沉降;沉降筒尺寸虽然对试验结果略有影响,但对于分析河湖淤泥絮凝沉降特性无较大影响。研究河湖淤泥絮凝沉降特性对于河湖通航、蓄洪、水质修复、疏浚淤泥的处理均有重要意义。     

沙漠沙的筛分粒径与粒径计粒径的比较实验

筛分法与粒径计法是两种重要的颗粒分析方法。本文通过较为系统的实验发现采用这两种方法所得到的实验结果之间存在较大的偏差。采用粒径计法测得的样品粒径较之用筛分法所得的结果明显偏大 ,说明用这两种原理不同的颗分方法所测出的粒径数据不能不加换算地直接采用。由于目前有关筛分粒径与粒径计粒径转换关系的研究结果并不一致 ,所以文中比较了几家代表性研究成果之间的差异 ,重点讨论了采用不同沉降速度公式进行计算时所得粒径计粒径之间的差异 ,探讨了各家结果不同的原因 ,对与颗粒粒径相关的研究具有参考价值     

基于Rouse公式的紊流区悬沙粒径级配垂线分布规律

基于Rouse公式及紊流泥沙沉速公式,分别推导得到了紊流时的悬沙粒径及级配垂线分布公式,前者直接量化了泥沙“上细下粗”的垂线分布规律,后者则可用于计算不同水层及垂线上总的悬沙粒径级配。通过实例,应用粒径级配计算公式得到了不同水层的悬沙粒径级配。结果表明:泥沙粒径“上细下粗”的分布规律明显;在越远离床面的水层,细颗粒所占的比重越大,粒径分布越均匀。当考虑悬浮高度影响时,以最大粒径悬沙的最大悬浮高度为界,该高度之下级配“等宽”,该高度之上级配“上窄下宽”。     

Sensitivity of a sediment transport model for Lake Michigan

A two-dimensional (vertical and cross-shore) sediment transport model was applied to several transects in southern Lake Michigan using observations of waves and currents recorded during the spring of 2000. Conditions during this period included several storms that are among the largest observed in the lake. The observations were used to examine the sensitivity of the model to variations in the input parameters (waves, currents, initial bottom sediment size distribution, settling velocity, and bottom stress required for erosion). The results show that changing the physical forcing (waves and currents) or the initial bottom sediment size distribution affected the results more than varying the particle properties (settling velocity and critical shear stress) or the size classes used to describe the size distribution. This indicates that for this model specification of input parameters are of first order importance and should be specified with some confidence before adding additional complexity by including processes such as flocculation and bed consolidation.     

一种塑料模型沙运动特性试验

对一种复合塑料模型沙的水下休止角、群体沉速、起动流速等运动特性进行了试验研究:使模型沙在静水中自然落淤成丘,通过几何关系可得水下休止角;将沙样按粒径分组进行单颗粒沉速试验,统计平均后再按质量加权得到模型沙群体沉速;在玻璃水槽中对5种水深下的泥沙起动流速进行了测量及经验公式验证。试验结果表明:该模型沙水下休止角为28.4°,较传统塑料沙、水下休止角范围大,具有较好的水下成形特性;对于该模型沙,其单颗粒沉速用W.W.Rubey公式计算精度较高,但群体沉速用中值粒径进行经验计算则精度不够,合理的代表粒径有待进一步研究;起动流速比传统塑料沙大,这与水下休止角试验是相符的,通过调整沙莫夫系数K,沙莫夫公式可较好地表述个别起动和少量起动的情况,大量起动时则不够精确。     

Two-phase velocity measurement in a particle-laden jet

A horizontally discharging jet laden with solid sediment particles is investigated experimentally. The submerged jet discharges water with an initially horizontal direction into stagnant water of the same density but the presence of sediment particles produces jet effluent having a combined density greater than that of the ambient water. A modified particle-imaging velocimetry (PIV) technique is applied to estimate the velocity fields of the solid particle phase and the jet fluid liquid phase. Phase separation is achieved optically between the scattered light signals from the particles and the laser-induced fluorescence signal from the jet fluid dozed with a fluorescent dye. It is found that initial sediment concentrations below 0.1% volume fraction do not cause significant changes to the global properties of the jet flow. In jets of higher initial sediment concentrations, settling of sand particles are observed to drag the jet to spread with a downward-bending mean trajectory. Intensive particle–flow interaction is also observed in jets of high sediment concentrations.     

排沙漏斗悬板径向坡度对流场影响的试验研究

为了弄清楚溢流悬板径向坡度改变对排沙漏斗流场的影响,通过物理模型试验方法,利用粒子图像流场测速技术(PIV)对悬板径向坡度分别为0、0.087、0.173、0.259时的排沙漏斗模型三维速度场进行了量测,并结合排沙漏斗工作原理对各工况下的切向速度、径向速度、垂向速度及流线进行了对比分析。结果表明:随着悬板径向坡度增加,漏斗室内旋流强度增大,空气涡面积增大,排沙耗水率降低,泥沙颗粒向室内运动机率增大,淤积在悬板上的可能性减小;悬板坡度对漏斗室内的二次流强度和形成位置影响较大,其中坡度为0.173时二次流最为稳定,坡度为0.259时,无二次流形成,不利于底部泥沙输移至排沙底孔;垂向速度分布结果表明坡度为0.259时过渡区垂直向上流速较少,泥沙落淤悬板或者随流溢出的机会最小,但垂直速度相比切向速度和径向速度而言较小,且过渡区范围很小,对悬板落淤和截沙率的影响可以忽略不计。