粘性细颗粒泥沙絮凝研究概述

以絮凝动力学理论(Smoluchowski方程)、胶体稳定性理论(DLVO理论)和分形几何(Fractal Geometry)在絮凝研究中的应用为线索，回顾了粘性细颗粒泥沙絮凝结构，絮团沉速，以及影响絮凝因素(泥沙粒径、浓度、电解质阳离子、温度和水流紊动等)等方面的研究成果；综述了絮团的尺寸、密度、沉速、破坏强度及碰撞频率函数的分形几何描述方式；介绍了快速絮凝和慢速絮凝的分形生长模型，以及絮凝发育过程数值模拟的研究进展．针对河流泥沙在矿物组成、颗粒尺度、表面电荷分布和水中盐分多样性的特点，以及粘性细颗粒泥沙絮凝研究的特殊性，提出进一步深化粘性细颗粒泥沙絮凝研究的建议．     

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。     

均匀切变水流对黏性细颗粒泥沙絮凝的影响研究

黏性细颗粒泥沙的絮凝是河流动力学中一个重要且尚未完善的研究课题。本文以分形聚集生长理论为基础,考虑了絮团破碎、泥沙浓度等因素的影响,使用三维无网格方法,在MATLAB平台上通过模拟泥沙颗粒和絮团在布朗运动、重力沉降和均匀切变水流作用下的碰撞黏结过程,研究了水流剪切作用对黏性细颗粒泥沙絮凝的影响。研究结果表明：水流作用可提高颗粒之间的碰撞几率,促进絮凝,但高水流剪切力作用下絮团破碎现象明显,因此,水流速度梯度的大小对细颗粒泥沙的絮凝有一定的影响,即絮凝速度及絮团平均粒径随水流流速梯度的增大呈先增后减的规律;均匀切变水流作用下,絮团粒径分布均匀化,絮团在垂直水流方向上发育较好且分形维数较大。本文研究成果是进一步研究天然河道中黏性细颗粒泥沙絮凝机理的成功尝试。     

长江口浑浊带絮凝体特性

2005年1月,在长江口浑浊带所在的南槽水域,利用现场激光粒度仪(LISST-100),在不扰动天然细颗粒泥沙絮凝体的情况下,定点连续测量了涨落潮变化过程中表层水体细颗粒泥沙絮凝体的级配谱;并用OBS-3A和ADP同步测得表层水体的含沙量、盐度和流速.数据分析表明,在长江口浑浊带水域存在明显的粘性细颗粒泥沙絮凝现象,絮凝体的形成和破碎过程非常明显:水流动力条件直接导致絮凝体的破碎,盐水则促进絮凝体的形成;水流流速和盐度的变化分别造成了絮凝体的四分之一日和半日周期的变化,在长江口浑浊带水域盐度对粘性细颗粒泥沙絮凝的影响比水动力条件的影响更大且更快;粘性细颗粒泥沙发生絮凝现象的临界粒径为32.5μm左右.这为长江口浑浊带形成机制及长江口粘性细颗粒泥沙动力沉积过程的研究提供了依据.     

长江口细颗粒泥沙沉降速度室内试验研究

对细颗粒泥沙的基本特性尤其是沉降特性进行深入探索有助于解决泥沙学科很多悬而未决的问题。在查阅大量中外文献的基础上,借助大型可温控自动搅拌沉降试验筒,对长江口天然细颗粒泥沙的沉降机理展开了室内试验。结果表明:含沙量和粒径均是影响细颗粒泥沙沉速的重要因子,并进一步推断细颗粒泥沙絮凝沉降的过程可能是一个絮凝体、絮网结构"网捕-重构"的过程。     

NaCl对细颗 粒泥沙静水絮凝沉降动力学模式的影响

细颗粒泥沙的絮凝沉降对泥沙输移、土壤渗透性以及污染物迁移有重要作用. 在泥沙初始浓度为5g/L、10g/L、20g/L时, 作者用吸管法研究了不同浓度NaCl对细颗粒泥沙静水絮凝沉降的影响, 认为细颗粒泥沙相对浓度随时间的变化符合双曲线型动力学模式, 泥沙絮凝沉降越快, 研究发现泥沙中值沉速(中值粒径)随泥沙初始浓度和NaCl浓度的增大而增大, 但泥沙初始浓度和NaCl浓度较高时渐超缓慢; 细颗粒泥沙絮凝度与分散粒径呈幂函数关系, 细颗粒泥沙絮凝临界粒径为0.0245mm.     

NaCl对细颗粒泥沙静水絮凝沉降动力学模式的影响

细颗粒泥沙的絮凝沉降对泥沙输移、土壤渗透性以及污染物迁移有重要作用。在泥沙初始浓度为5g/L、10g/L、20g/L时，作者用吸管法研究了不同浓度NaCl对细颗粒泥沙静水絮凝沉降的影响，认为细颗粒泥沙相对浓度随时间的变化符合双曲线型动力学模式，泥沙絮凝沉降越快，研究发现泥沙中值沉速（中值粒径）随泥沙初始浓度和NaCl浓度的增大而增大，但泥沙初始浓度和NaCl浓度较高时渐趋缓慢；细颗粒泥沙絮凝度与分散粒径呈幂函数关系，细颗粒泥沙絮凝临界粒径为0．0245mm。     

长江口细颗粒泥沙絮凝问题研究综述

为了给长江口区的综合整治工作提供科学依据,系统地梳理了国内外近年来有关细颗粒泥沙絮凝的研究成果,并着重于有关长江口细颗粒泥沙絮凝问题研究成果.从细颗粒泥沙絮凝的机理、絮凝的特性、絮凝沉降的动力模式以及长江口泥沙数学模型中絮凝影响因素的处理等几个方面进行了阐述.建议下一阶段工作应重点放在对泥沙动力特性的研究上,继续开展长江口泥沙絮凝沉降动力学模式的研究工作和完善考虑泥沙絮凝影响因素的泥沙计算数学模型.     

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。     

黄河泥沙的絮凝形态学和絮体构造模型问题

从黄河高浊度水在高分子絮凝剂作用下的干扰沉降现象出发，叙述了黄河泥沙颗粒与高分子聚合物链状分子间的吸附作用、黄河泥沙絮凝过程的比表面积模型。结合分形理论在絮凝形态学中的应用，对有限扩散凝聚、弹射凝聚和反应控制凝聚等三种凝聚模型进行了简介，同时讨论了絮体的分形和高分子聚合物的分形。文章对几种分形维数的计算方法作了简介。以黄河泥沙颗粒絮凝后形成的微小絮体为代表，讨论了絮体的构造模型，以及自由沉降和干扰沉降状态下，不同的絮体构造模型及模型的适用可能。     

三维分形絮团沉降的格子Boltzmann模拟

黏性泥沙絮团的形成机理和沉降特性对河口海岸细颗粒泥沙运动规律研究具有重要作用。为了从微观结构出发研究絮团运动机理，由扩散受限絮凝体聚集模型生成不同大小的分形絮团，引入格子Boltzmann方法模拟三维分形絮团的静水沉降，获得了絮团沉速的变化过程。比较格子Boltzmann算法模拟结果与采用盒子计数分维数的 Winterwerp絮团沉速公式，发现二者有较好的一致性，表明格子Boltzmann模拟方法可应用于河口海岸环境中的黏性泥沙运动研究。     

分形理论在泥沙研究中的应用概述

论述了分形理论在泥沙研究中的应用,主要包括:泥沙颗粒物特性,群体泥沙组成及其沉积物排列方式,细颗粒泥沙絮凝体结构以及河流几何形态等;概括了当前在应用中的特点:促进学科交叉,形成新的研究领域;活跃传统思想,提供新的研究方法;同时指出值得注意的问题:分形算法的统一和规范,明确各研究对象分形维数物理意义并用于解决实际问题.     

泥沙的分形表面和分形吸附模型

天然水体中泥沙对污染物的吸附过程对水质影响很大，己成为环境水力学研究领域中的热点问题之一。尽管采用分形理论分析泥沙颗粒表面现象方面取得了许多进展，但泥沙颗粒的分 维与污染物的吸附解吸的热力学和动力学特征之间的关系尚不清楚。针对这一问题，本文首 先介绍了分形几何学的基本概念、分形维数的定义以及分形表面的维数测定方法。并应用分形几何原理，从理论上推导出具有分形表面泥沙的分形吸附方程。这一方程与Freundlich等温吸附方程和Langmuir等温吸附方程相比更具有普遍意义。     

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。     

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。     

黄土高原重点流域河网分形特征研究

分形理论为流域地貌形态特征的定量描述开辟了新的思路。本文采用盒维数计算原理和方法,计算黄土高原20条重点流域的河网分维值,探讨其分维值与流域面积、径流模数、产沙模数的相关关系,结果表明:黄土高原地貌形态在其无标度区间内表现出很好的分形特征,根据计算出的各流域分维值发现,黄土高原大多数流域可能处于侵蚀发育的幼年期;流域干流长度与流域面积的幂函数关系式拟合较好,符合Hack提出的主河道长度与流域面积的关系;径流模数与河网分维存在很好的线性关系,其相关系数通过了显著性水平为0.01的检验;河网分维与流域面积、产沙模数都呈正相关性,但难以用某一种简单函数描述。最后通过多元回归分析,建立了产沙模数模型,验证结果表明,该模型具有较高精度,可以对流域产沙模数进行估算。     

表面分形原理在研究泥沙吸附乳化油特性中的应用

本文应用表面分形原理，研究了泥沙表面的分形特性，得出了相应的分维数，并以此为基础，进一步对泥沙吸附乳化油的特性进行分析，最终导出了平衡吸附量与分维数、泥沙粒径、吸队质截面积等因素的关系。     

黏性泥沙数学模拟中几个关键问题的研究进展

综合评述了黏性泥沙数学模拟中的关键问题,包括泥沙絮凝沉速、水流挟沙力、恢复饱和系数等参数的选取,以及黏性泥沙固结模型的研究。对黏性泥沙数学模拟需进一步研究的问题提出了若干建议。