史長瑩,張寶磊,申　陽,李子晗,代業(yè)寧

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080;2.北京市永定河管理處，北京 100072)

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城鎮(zhèn)污物排放對河流泥沙粒度侵蝕作用的分析

史長瑩1,張寶磊1,申陽2,李子晗1,代業(yè)寧1

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080;2.北京市永定河管理處，北京 100072)

以松花江哈爾濱段為研究對象，以馬爾文3000為研究手段，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合圖形分析為研究核心。給出松花江泥沙分析的現(xiàn)場采樣方法，試驗(yàn)參數(shù)確定方法和試驗(yàn)分析方法，分別從松花江流經(jīng)哈爾濱段的上游、中游、下游采樣進(jìn)行顆粒粒度分析，著重分析了微米級顆粒粒度流經(jīng)城鎮(zhèn)后的變化規(guī)律和潛在影響。

馬爾文3000；泥沙粒度；粒度分析；微米級；松花江

近年來有關(guān)污染物對河流的影響研究較多，但在已有的研究中，城市污染物的排放對河流泥沙的粒度侵蝕作用罕有研究。由于試驗(yàn)手段的限制，對于微米級別的粒徑難以真實(shí)測量；另外大多數(shù)學(xué)者重點(diǎn)研究污染物種類和降解污染濃度方面[1-4]。泥沙顆粒對岸坡的侵蝕會引起岸坡的不均勻沉降，經(jīng)過凍融作用加劇了岸坡的破壞，降低穩(wěn)定系數(shù)造成滑落塌陷，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。目前，國內(nèi)對泥沙顆粒的分析手段較多，主要有篩分法通過設(shè)備篩分稱量質(zhì)量得到級配曲線、顯微鏡分析通常用帶有標(biāo)尺的格子線來測量顆粒直徑、圖像分析法測量每個粒子的面積、電阻法測量顆粒體積并計(jì)數(shù)得到數(shù)量-體積平均粒徑[5]。由于特征參數(shù)取值不同所得到的平均粒徑不同，在不同的行業(yè)所適用的特征參數(shù)也不同。比如在太空中的物體數(shù)量是重要的；在貴重金屬行業(yè)得到顆粒質(zhì)量是重要的；而在河流泥沙研究方面粒徑為1 mm以上用質(zhì)量特征參數(shù)表示，在微米級別的情況下質(zhì)量參數(shù)不在適用取而代之的是體積表示，即等效圓球理論。粒徑分析是測量顆粒的某個“一維”特征參數(shù)，等效為圓球，再以圓球的直徑作為粒徑，這樣就可用一個數(shù)字來表達(dá)。運(yùn)用這種方法對微米級別的顆粒就有一個定量的描述，對分析泥沙顆粒有重要意義。泥沙的演變規(guī)律和特性分析對灌溉、水力發(fā)電、水庫淤積、河道岸坡的侵蝕作用等方面研究意義重大。

圖1　馬爾文3000激光衍射原理Fig.1　Laser diffraction theory of Malvern MS3000

1　馬爾文3000測量原理

光學(xué)中的米氏散射理論和弗朗霍夫衍射理論指出[6]，光照射到顆粒時(shí)，光的衍射和散射方向能力與光的強(qiáng)度、散射波長和粒徑尺度有關(guān)。其測量過程為當(dāng)光照射到顆粒時(shí)，由于粒徑的大小不同產(chǎn)生的散射光角度不同，在信號接收器上光強(qiáng)度也就不同，使用衍射模型, 通過數(shù)學(xué)反演的處理,算出結(jié)果，疊加的光強(qiáng)度反映出顆粒所占的百分比多少，最后通過計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)化成為顆粒的分布信息(圖1)。

2　試驗(yàn)參數(shù)確定

馬爾文3000激光粒度分析儀的粒徑為2 mm～0.6 nm，由于測量樣品的物理、化學(xué)性質(zhì)的差異，測量不同樣品時(shí)的光學(xué)參數(shù)是完全不同的，本項(xiàng)研究是以松花江哈爾濱段為研究對象，同時(shí)給出松花江哈爾濱段泥沙顆粒研究的相關(guān)光學(xué)參數(shù)，其主要參數(shù)有分散時(shí)間、攪拌(泵)速度、超聲強(qiáng)度、折射率、吸收率、遮光度、快照次數(shù)(測量時(shí)間)等。

2.1分散

根據(jù)樣品狀態(tài)決定使用干法測量還是濕法測量，由于松花江哈爾濱段的微粒較小很難用干法測量，故采用濕法測量。濕法測量時(shí)由于微小顆粒的理化性質(zhì)容易形成絮凝現(xiàn)象[2]，對試驗(yàn)影響很大，傳統(tǒng)方法是加入分散劑分散，馬爾文3000提供超聲波分散。取9組具有代表性的試樣分為兩組，分別進(jìn)行對比試驗(yàn)分散后，用馬爾文3000分別進(jìn)行測量，兩組數(shù)據(jù)絕對差值最大的一組數(shù)據(jù)見表1。由表1可見，其結(jié)果非常接近，可用超聲波分散代替分散劑分散。

表1　兩種處理方法對比(累計(jì)百分?jǐn)?shù))

進(jìn)行超聲波分散時(shí)中途不可停止超聲波，若未到時(shí)間停止溶液中的水分散出來的小顆粒會繼續(xù)溶解于介質(zhì)中，導(dǎo)致分散沒有效果。另外超聲強(qiáng)度不宜過小，起不到分散凝絮作用，過大會分列易碎晶體顆粒，一般取15個位移強(qiáng)度為最佳。

2.2泵速

馬爾文3000的攪拌器與泵是配置在一起，設(shè)置泵轉(zhuǎn)速是為了儀器測量時(shí)，顆粒能均勻分布到介質(zhì)中，適宜的流速為人眼觀察時(shí)燒杯內(nèi)介質(zhì)與顆粒分布均勻，過大會破壞顆粒結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣泡。過小使分布不均勻測量不準(zhǔn)，通過松花江哈爾濱段泥沙顆粒的對比分析，選擇2 500～3 000 r/min較適宜，2 860 r/min為最佳轉(zhuǎn)速。

2.3遮光度

遮光度又稱光學(xué)濃度反映測量時(shí)光束中含有樣品濃度的參數(shù)，其大小與介質(zhì)中顆粒濃度有關(guān)，與顆粒本身大小無關(guān)。若數(shù)值過高會發(fā)生多重衍射，測量結(jié)果會偏大。過低會使檢測信號不足，導(dǎo)致誤差過大。由對比試驗(yàn)得出，隨著加入樣品遮光度宜控制在10～20。

2.4快照次數(shù)

快照次數(shù)與測量時(shí)間是相互關(guān)聯(lián)的，最佳測量時(shí)間與樣品的分布寬度和大小有關(guān)，分布寬度較大則測量時(shí)間相應(yīng)的延長，哈爾濱段泥沙測量時(shí)間宜為2～15 s，快照次數(shù)5 000次為最佳，分布寬度用徑距(Span)表征其計(jì)算方法為[7]：

(1)

式中DV90為累積到90%所對應(yīng)的粒徑；DV50為累積到50%所對應(yīng)的粒徑；DV10為累積到10%所對應(yīng)的粒徑。

2.5吸收率和折射率

每一樣物質(zhì)都有自己相應(yīng)對光的折射率和吸收率各不行同，用馬爾文3000激光粒度儀進(jìn)行測量時(shí)必須知道分散介質(zhì)的折射率和被測樣品的吸收率和折射率。測試樣品中分散劑選擇蒸餾水折射率為1.33，泥沙顆粒的折射率和吸收率選擇1.45和0.1。

以上參數(shù)見表2，相關(guān)試驗(yàn)時(shí)得到的擬合曲線見圖2。其加權(quán)殘差值均小于1%，光能擬合效果良好，參數(shù)取值準(zhǔn)確可靠。

表2　試驗(yàn)主要參數(shù)

圖2　光能擬合曲線Fig.2　Light fitting curve

3　試驗(yàn)方法

3.1采樣及樣品制備

本研究以松花江哈爾濱段河流泥沙為研究對象，由于河段較大，支流較多。為保證試驗(yàn)樣品具有足夠的代表性，河床質(zhì)泥沙現(xiàn)場取樣采用坑測法[8]，即分別在淺灘布設(shè)試坑。沿河流分為3段取樣，上游位于四方臺松江村設(shè)為A采樣點(diǎn)，沿?cái)嗝娌荚O(shè)3處試坑，每處試坑取3份試樣；中游位于太陽島附近為B采樣點(diǎn)；下游分別在大馬家窩棚屯、呼蘭河口濕地公園、呼蘭區(qū)偉光村設(shè)為C采樣點(diǎn)，9處采樣點(diǎn)基本覆蓋了松花江哈爾濱段，其中A、B段相距9.2 km，B、C段平均相距27.7 km，保證了分級取樣，各處都具有很強(qiáng)的代表性。取樣位置平面圖見圖3。

圖3　松花江哈爾濱段取樣位置Fig.3　Sampling locations of Songhua River in Harbin

將取自3處斷面的泥沙風(fēng)干后，用蒸餾水充分浸泡并經(jīng)常攪動，去除表面上的污染物，單獨(dú)的污染物在顆粒分析時(shí)會被認(rèn)為是小固體顆粒，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。洗沙完畢后烘干將試樣過1 mm篩，取1 mm以下顆粒進(jìn)行粒度分析。

3.2結(jié)果與討論

本試驗(yàn)采用濕法制備進(jìn)行激光粒度分析實(shí)驗(yàn)，測試用時(shí)少，一組試樣只需3～5 min即可，測量結(jié)果見表3。

表3為試驗(yàn)測得河床質(zhì)泥沙顆粒的粒徑值，用體積密度DX表示，每段試驗(yàn)均獲得45組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，3段分別取其平均值，選取16個具有代表性的粒度級別進(jìn)行數(shù)據(jù)作圖分析。以體積密度(%)為縱坐標(biāo)，粒度分級(μm)為橫坐標(biāo)繪在單對數(shù)坐標(biāo)系中(圖4)，綠色曲線表示上游粒度分布，黑色曲線表示中游粒度分布，紅色曲線表示下游粒度分布，哈爾濱段河床泥沙顆粒為正態(tài)分布。主要粒度集中在100～500 μm，分布寬度變化不大，體積密度主要集中在12%左右，含有少量1～10 μm的粒徑，含量小于1%。從曲線變化趨勢來看，在上游取樣的主要顆粒粒徑相對較大且含量較多，下游取樣的主要粒徑相對最小且含量較少，中游在二者之間，微小顆粒含量從上游到下游含量逐漸增加，曲線的峰值以等差數(shù)列減小且向左(粒徑減小的方向)移動。

樣品累積到10%、50%、90%分別對應(yīng)的粒徑和分布寬度見表4。由表4可見，上游累積粒徑DX(10)、 DX(50)、 DX(90)分別為128.7、315.7、548.0 μm，中游累積粒徑分別為114.7、206.0、377.0 μm，下游累積粒徑分別為53.0、143.7、285.7 μm。沿河段分布寬度逐漸增加。

松花江流經(jīng)哈爾濱后顆粒粒徑發(fā)生了變化，且大顆粒減小，小顆粒增多，都有逐漸減小的趨勢。其原因可能是綜合因素影響的結(jié)果，但其中主要因素與松花江水質(zhì)變化有關(guān)，水體酸堿度的改變導(dǎo)致對河流中的泥沙被加劇侵蝕，泥沙顆粒逐漸減小并非益事，顆粒變小水流的攜沙量增加，水流將小顆粒的泥沙攜帶到水庫，嚴(yán)重增加水庫的淤積程度，同時(shí)顆粒變小對岸邊的侵蝕作用加強(qiáng)，加劇岸邊的破壞，最后將導(dǎo)致水流沖毀岸坡，造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。小顆粒還加劇了水體污染，次生富營養(yǎng)化。

表3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)差分表

圖4　粒度分布曲線Fig.4　Particle distribution curves

樣品位置DX(10)DX(50)DX(90)分布寬度S上游A1A2A31281281303163173145465495491.31.31.3均值A(chǔ)128.7315.7548.01.33中游B1B2B31151161132012092083793783741.51.51.4均值B114.7206.0377.01.45下游C1C2C35254531461441412842862871.61.61.7均值C53.0143.7285.71.62

4　結(jié)　論

1)給出運(yùn)用馬爾文3000分析松花江泥沙顆粒的基本參數(shù)，水折射率1.33，顆粒吸收率0.1，顆粒折射率1.45，測量時(shí)間為3 min，遮光度控制在10～20，泵速控制在2 500～3 000 r/min最好，超聲強(qiáng)度為12，分散時(shí)間為2。

2)給出運(yùn)用馬爾文3000分析泥沙顆粒的試驗(yàn)方法，試坑法沿?cái)嗝嫣幉贾迷嚳?，分別取其平均值，使樣品具有足夠的代表性。

3)分析了松花江哈爾濱段的泥沙顆粒粒徑組成，由于河段內(nèi)酸堿度的變化，導(dǎo)致河流中的泥沙遭受侵蝕加劇，松花江泥沙粒徑隨時(shí)間在減小且小顆粒在逐漸增多。

4)較小的泥沙顆粒會導(dǎo)致水流的攜沙量增加，泥沙被攜帶到水庫，會嚴(yán)重增加水庫的淤積程度；同時(shí)顆粒變小對岸邊的侵蝕作用加強(qiáng)，加劇岸邊的破壞，最后將導(dǎo)致水流沖毀岸坡，造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

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Analysis about river silt particles erosion effect by town filth

SHI Chang-Ying1,ZHANG Bao-Lei1,SHEN Yang2,LI Zi-Han1,DAI Ye-Ning1

(1.CollegeofHydraulicandElectricPower,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China; 2.BeijingYongdingheRiverManagementDivision,Beijing100072,China)

The research object is Songhua River in Harbin and method is Malvern MS3000. Test data combined with graphical analysis is the core of research. The Songhua River silt particles’ field sampling method, the determination of test parameters and the test analysis method were proposed. River sedimental particles of analysis were sampled from each section of the Songhua River including the upstream, middle stream and downstream which flow through Harbin. Focusing on the analysis of the micro-scale particles’ change rules and potential impacts after flowing through the town.

Malvern MS3000；silt particles；particle analysis； micro-seale particles； Songhua River

10.13524/j.2095-008x.2016.03.034

2016-05-20

黑龍江省黑龍江干流堤防工程科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(HGZL/KY-13);黑龍江大學(xué)研究生創(chuàng)新科研資助項(xiàng)目(YJSCX2016-063HLJU)

史長瑩(1964-)，男，河北樂亭人，教授，博士，研究方向：水利工程，E-mail: shicy2004@126.com。

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2095-008X(2016)03-0007-05