周蘇芬，黃志文，鄔年華，王志超

（江西省水利科學(xué)院，江西 南昌330029）

黏性細(xì)顆粒泥沙是自然界泥沙的重要組成部分，其基本特性與運(yùn)動(dòng)規(guī)律與非黏性泥沙最大的區(qū)別在于非黏性泥沙以單顆粒運(yùn)動(dòng)為主，而黏性細(xì)顆粒泥沙受多種因素影響，會(huì)發(fā)生絮凝作用[1]，形成絮團(tuán)，在天然水體中絕大部分以絮團(tuán)的形式輸運(yùn)[2]。因此，對(duì)黏性細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)的研究關(guān)鍵在于對(duì)絮凝作用的研究。本文在查閱大量文獻(xiàn)和資料分析的基礎(chǔ)上，從研究方法、取得的主要研究成果兩方面，總結(jié)現(xiàn)有黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝作用研究成果，提出進(jìn)一步研究的具體方向和技術(shù)思路。

1 研究方法

1.1 理論研究

細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降理論研究可以分為絮凝動(dòng)力學(xué)理論、膠體穩(wěn)定性理論、分形幾何理論三個(gè)階段。

1.1.1 絮凝動(dòng)力學(xué)理論

1917年，波蘭學(xué)者Smoluchowski基于擴(kuò)散理論，在6個(gè)假設(shè)前提下，即顆粒為實(shí)心球體、絮凝過程中絮團(tuán)不發(fā)生破壞及沉降、液體為層流、初始顆粒粒徑相同、碰撞僅在兩顆粒間發(fā)生、碰撞即粘結(jié)，建立了絮凝動(dòng)力學(xué)方程：

式中，t為時(shí)間，下標(biāo) i、j、k 為絮團(tuán)內(nèi)顆粒個(gè)數(shù)；n 表示單位體積內(nèi)的絮團(tuán)數(shù)目；c為絮團(tuán)最大值；α為碰撞效率參數(shù)；β（i，j）為碰撞頻率函數(shù)。但因?yàn)榉匠淌窃诶硐牖僭O(shè)的基礎(chǔ)上，絮團(tuán)碰撞頻率函數(shù)、效率系數(shù)很難直接確定，實(shí)際河流中的絮凝沉降現(xiàn)象往往非常復(fù)雜，很難直接采用此公式進(jìn)行分析。

1.1.2 膠體穩(wěn)定性理論

膠體穩(wěn)定性（DLVO）理論：顆粒間存在綜合作用能，它是范德華引力能和電層排斥能的疊加。這一理論認(rèn)為，兩個(gè)細(xì)顆粒靠近時(shí)其交互作用能會(huì)出現(xiàn)三個(gè)極值，在極大值即勢(shì)壘處，兩微粒產(chǎn)生最強(qiáng)排斥力，可逆粘結(jié)發(fā)生在第二極小值處，絮凝發(fā)生在第一極小值處，同時(shí)提出，顆粒粘結(jié)的臨界條件為排斥勢(shì)壘為0（如圖1所示）。

圖1 粒子間典型位能曲線

1.1.3 分形理論

分形理論是由B.B.Mandelbrot[3]提出的分形幾何概念在海岸線、地貌等復(fù)雜幾何形態(tài)研究中逐漸演變而成。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，分形理論推動(dòng)了泥沙絮凝研究，先后形成了擴(kuò)散受限聚集模型（DLA）和擴(kuò)散受限的絮團(tuán)聚集模型（DLCCA），彌補(bǔ)了絮凝動(dòng)力學(xué)理論無法描述實(shí)際顆粒聚集體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的空白。目前，分形理論在河流泥沙領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，一是將分形維數(shù)作為一項(xiàng)指標(biāo)，用于河床地貌、河型分類及泥沙顆粒級(jí)配等研究中，如劉興年[4]利用分形理論研究河流地形地貌及河流類型的劃分；分形理論在河流剖面形態(tài)及河流表面形態(tài)等河流形態(tài)研究中也有廣泛應(yīng)用[5]；王協(xié)康[6，7]基于分形理論，分析泥沙顆粒級(jí)配及非均勻沙床面粗糙度；李嘉[8]給出了泥沙顆粒粒徑的分形分布函數(shù)；金同軌[9]利用分形研究黃河泥沙絮凝過程中的形態(tài)。二是利用分形模型模擬復(fù)雜現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)過程，如DLA和DLCCA等模型。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x器不斷更新，使得對(duì)黏性細(xì)顆粒泥沙現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)條件得到了極大改善。當(dāng)前，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)主要測(cè)量絮凝體粒徑、絮凝體沉降速度及絮凝體結(jié)構(gòu)，激光粒度儀[9]為粒徑和體積濃度的主要測(cè)量?jī)x器，沉速測(cè)量方法主要有ADV法[11]、SEDVEL沉速儀法[12]、INSSEV原位錄像沉速儀[13]等，絮凝體的結(jié)構(gòu)主要通過顯微鏡、高清攝影機(jī)等光學(xué)設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)[11]。

黃鵬程[14]利用激光粒度分析儀、X射線熒光光譜儀、Zeta點(diǎn)位儀等測(cè)量?jī)x器對(duì)三峽庫(kù)區(qū)忠縣皇華城區(qū)域泥沙樣品進(jìn)行粒度、元素、Zeta電位等特性進(jìn)行分析。王詩(shī)妮[15]利用現(xiàn)場(chǎng)激光粒度儀（LISST）、聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）和光學(xué)后向散射濁度計(jì)（OBS），在不擾動(dòng)天然細(xì)顆粒泥沙絮凝體的情況下，定點(diǎn)連續(xù)測(cè)量了長(zhǎng)江河口上段、口門段以及北港口外段的表層絮凝體的級(jí)配譜，結(jié)合水動(dòng)力、鹽度數(shù)據(jù)，分析了絮凝體粒徑與流速、鹽度和濁度的關(guān)系，以及河口不同區(qū)段的絮凝特性。李文杰[16]利用ADV和泥沙采樣測(cè)得三峽庫(kù)區(qū)忠縣和奉節(jié)河段同步的瞬時(shí)流速和含沙量，通過泥沙擴(kuò)散理論反算現(xiàn)場(chǎng)泥沙沉速及絮團(tuán)粒徑，得到了三峽庫(kù)區(qū)泥沙絮凝度及其與粒徑、流速和含沙量的關(guān)系。宋迪迪[17]利用Image－pro plus圖像處理軟件，提取了絮凝體外形尺寸及絮凝體內(nèi)孔隙直徑、孔隙率、孔隙比等特征。余立新[18]利用環(huán)境掃描電鏡（ ESEM）觀測(cè)有機(jī)質(zhì)對(duì)絮凝體形態(tài)影響。

1.3 物理試驗(yàn)研究

總結(jié)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，物理模型試驗(yàn)是研究黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝主要研究方法，通過采樣、預(yù)處理、制配等過程，利用室內(nèi)試驗(yàn)裝置對(duì)黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝進(jìn)行研究，主要分為靜水沉降試驗(yàn)和動(dòng)水絮凝試驗(yàn)兩方面。

靜水沉降試驗(yàn)裝置主要有沉降（量）筒或自主開發(fā)的沉降筒。如張德茹[19]、李慧梅[20]試驗(yàn)研究都是在體積為1 000mL的沉降量筒中進(jìn)行的，馮曦[21]則采用內(nèi)徑4.5cm、長(zhǎng)104cm的沉降管進(jìn)行試驗(yàn)，王茜[22]采用500mL和1 000mL沉降筒試驗(yàn)，利用清渾交界面沉降速度和上清液濁度研究了粒徑分布、初始含沙量及高分子聚合物對(duì)河湖淤泥絮凝沉降特性的影響規(guī)律；在沉降（量）筒內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是由于體積小，泥沙配置更均勻，但存在取樣不方便，很難測(cè)量沿垂線分布的含沙量和泥沙的級(jí)配等缺點(diǎn)。而且有可能對(duì)絮團(tuán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，損失水量，產(chǎn)生量測(cè)誤差。陳曦[23]、吉祖穩(wěn)[24]、謝瑞[25]等則利用自制沉降筒進(jìn)行試驗(yàn)研究，使得測(cè)量數(shù)據(jù)更精確。

靜水試驗(yàn)中黏性細(xì)顆粒泥沙在不受外界擾動(dòng)的情況下完成絮凝沉降，而在天然水體中水流往往是流動(dòng)的，黏性細(xì)顆粒泥沙的沉降受動(dòng)水影響。動(dòng)水絮凝試驗(yàn)主要是研究水流紊動(dòng)等動(dòng)水參數(shù)對(duì)細(xì)顆粒泥沙沉降的影響，試驗(yàn)裝置主要有長(zhǎng)型水槽[26]、振動(dòng)沉降筒[27]、旋轉(zhuǎn)沉降筒[28]、環(huán)形水槽[29]等。

1.4 數(shù)學(xué)模型研究

由于黏性細(xì)顆粒泥沙粒徑往往是微米級(jí)別，受技術(shù)及測(cè)量?jī)x器限制，直接觀測(cè)其絮凝過程存在一定的難度，因此，近年來隨著數(shù)學(xué)模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，眾多學(xué)者嘗試通過數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝進(jìn)行研究。已有研究主要從以下4個(gè)方面開展：（1）基于絮凝動(dòng)力學(xué)理論，在離散絮凝動(dòng)力學(xué)方程基礎(chǔ)上加上簡(jiǎn)化假設(shè)，計(jì)算單顆粒間的碰撞頻率。如Xu[30]利用絮凝方程的質(zhì)量形式模擬河口地區(qū)濁度與絮凝的關(guān)系；Lee[31]在改進(jìn)的絮凝方程基礎(chǔ)上研究了河口泥沙的雙峰絮凝；楊鐵笙[32]利用Smoluchowski方程研究黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝-沉降的時(shí)空過程。（2）基于分形理論建立的絮凝體生長(zhǎng)模型，如DLA、DLCA、RLCA等模型，DLA模型通過簡(jiǎn)化處理，注重構(gòu)建顆粒的絮凝體結(jié)構(gòu)，未考慮泥沙顆粒之間粘結(jié)機(jī)理，而RLCA與DLCA模型除考慮了單個(gè)泥沙顆粒之間碰撞粘結(jié)現(xiàn)象，還考慮了泥沙顆粒與絮凝體、絮凝體與絮凝體之間碰撞與粘結(jié)現(xiàn)象[33]。柴朝暉[34]以分形聚集生長(zhǎng)理論為基礎(chǔ)，考慮了絮團(tuán)破碎、泥沙濃度等因素影響，使用三維無網(wǎng)格方法，在MATLAB平臺(tái)上通過模擬泥沙顆粒和絮團(tuán)在布朗運(yùn)動(dòng)、重力沉降和均勻切變水流作用下碰撞黏結(jié)過程，研究了水流剪切作用對(duì)黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝影響。（3）基于格子玻爾茲曼方法（LB）的微觀作用力模型，LB方法避免了求解N-S方程中的非線性項(xiàng)，并且進(jìn)一步簡(jiǎn)化了計(jì)算量，具有編程簡(jiǎn)單、易于并行等優(yōu)點(diǎn)[35]，可以從微觀的角度模擬水流和泥沙運(yùn)動(dòng)。張金鳳[36]為了模擬紊動(dòng)剪切率對(duì)泥沙絮凝影響建立了三維格子玻爾茲曼數(shù)學(xué)模型。喬光全[37]用格子玻耳茲曼方法，引入膠體作用理論模擬不同溫度下兩個(gè)黏性泥沙顆粒靜水不等速沉降絮凝過程。（4）其他，如張宇卓[38]基于介觀尺度下的耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法，建立了包含力場(chǎng)勢(shì)函數(shù)的均勻各向同性紊流模型，對(duì)不同剪切率條件下黏性泥沙絮凝過程及絮團(tuán)形態(tài)進(jìn)行了模擬計(jì)算。

2 研究成果

2.1 黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝成因

2.1.1 鹽絮凝

鹽絮凝是因?yàn)樗械慕饘匐x子濃度提高而導(dǎo)致泥沙顆粒失去穩(wěn)定產(chǎn)生的一種絮凝現(xiàn)象[39]。主要原因是懸浮泥沙顆粒吸附水中金屬離子后，表面排斥力減小，顆粒之間平衡被破壞，泥沙穩(wěn)定性降低，從而促進(jìn)絮凝的發(fā)生，而這一機(jī)制主要包括壓縮雙電層作用和電性中和作用[40]。

2.1.2 橋聯(lián)絮凝

橋連絮凝是指在被吸附的有機(jī)物膠結(jié)作用下，顆粒之間互相碰撞時(shí)形成粒間橋鍵，由此發(fā)生的絮凝現(xiàn)象稱之為橋聯(lián)絮凝。產(chǎn)生橋聯(lián)絮凝的情況主要有以下兩種[41]：一是一個(gè)有機(jī)物高分子與兩個(gè)或兩個(gè)以上顆粒通過僑聯(lián)而出現(xiàn)絮凝；二是不同細(xì)顆粒表面上吸附的有機(jī)高分子通過相互作用而出現(xiàn)絮凝。

2.1.3 網(wǎng)捕作用

網(wǎng)捕作用[42]是指細(xì)小的泥沙顆粒附著在大的絮凝體（絮團(tuán)）之間的空隙而一同下沉的現(xiàn)象，而有機(jī)物的膠結(jié)作用是促進(jìn)大的絮凝體（絮團(tuán)）的主要原因。

2.1.4 碰撞理論

碰撞理論是指水體中的泥沙顆粒受布朗運(yùn)動(dòng)、不等速沉降、水流紊動(dòng)等動(dòng)力作用，發(fā)生碰撞粘結(jié)，形成較大絮凝體現(xiàn)象[43]。當(dāng)粒徑＜1μm時(shí)，黏性泥沙顆粒之間的碰撞主要是由于布朗運(yùn)動(dòng)；在水庫(kù)、湖泊等靜水中泥沙粒徑常＞1μm，不等速沉降是其發(fā)生碰撞的主要原因；而動(dòng)水中的泥沙顆粒碰撞的主要?jiǎng)恿κ撬魑蓜?dòng)[44]。

2.2 影響?zhàn)ば约?xì)顆粒絮凝因素

2.2.1 泥沙粒徑

泥沙粒徑是影響絮凝發(fā)生的一個(gè)重要因素，粒徑越小越容易出現(xiàn)絮凝，而且會(huì)影響形成絮團(tuán)的過程以及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有研究成果表明，黏性細(xì)顆粒泥沙產(chǎn)生絮凝的臨界粒徑為0.009mm～0.032 5mm。

2.2.2 泥沙濃度

大量研究表明泥沙濃度的增加會(huì)導(dǎo)致絮凝作用先增強(qiáng)后減弱。從絮凝碰撞機(jī)制來看，泥沙濃度越高，顆粒間碰撞的幾率越大，從而加快顆粒聚合，促進(jìn)絮團(tuán)生長(zhǎng)；但較大的泥沙濃度需要較大水流流速挾帶，而大流速又會(huì)抑制泥沙絮凝，進(jìn)而導(dǎo)致當(dāng)泥沙濃度達(dá)到一定程度時(shí)，絮凝呈減弱趨勢(shì)。如萬(wàn)遠(yuǎn)揚(yáng)[51]通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著含沙量增加，沉速先增大后穩(wěn)定再減?。焕钗慕躘16]通過對(duì)三峽庫(kù)區(qū)泥沙絮凝現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)隨著含沙量增加，庫(kù)區(qū)泥沙絮凝度呈先增大后微弱減小趨勢(shì)。

2.2.3 水流紊動(dòng)強(qiáng)度

水流紊動(dòng)強(qiáng)度對(duì)泥沙絮凝影響規(guī)律與泥沙濃度對(duì)其影響規(guī)律類似，低強(qiáng)度紊動(dòng)促進(jìn)絮凝，高強(qiáng)度紊動(dòng)抑制泥沙絮凝［27，28，54，55]，所以存在影響絮凝的臨界紊動(dòng)強(qiáng)度，從表2絮凝臨界紊動(dòng)強(qiáng)度研究成果表中可以看出，受研究對(duì)象、試驗(yàn)裝置、水體條件等影響，臨界紊動(dòng)強(qiáng)度存在較大差異。

表1 絮凝臨界粒徑研究成果表

表2 絮凝臨界紊動(dòng)強(qiáng)度研究成果表

2.2.4 其他水化學(xué)因素

黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝除受上述因素影響之外，水體內(nèi)水化學(xué)因素如鹽離子濃度[59]、溫度[37]、pH 值[60]、有機(jī)物等也是影響絮凝的重要因素。鹽離子濃度、pH值等會(huì)降低泥沙顆粒表面電位來促進(jìn)絮凝發(fā)展[40，61]是近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者的共識(shí)。而對(duì)有機(jī)物對(duì)絮凝的影響結(jié)果存在差異，是因?yàn)橛袡C(jī)物種類繁多，不同有機(jī)物等對(duì)絮凝影響機(jī)制與效果有所不同，如Lee[62]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)胞外聚合物（EPS）促進(jìn)絮凝發(fā)展，而腐殖質(zhì)（HS）會(huì)對(duì)絮凝產(chǎn)生抑制作用；李學(xué)凱[63]研究發(fā)現(xiàn)硫酸鉀對(duì)細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降有促進(jìn)作用。

3 結(jié) 語(yǔ)

從以上分析可以看出，由于影響絮凝作用的因子很多，理論研究又大多基于假設(shè)，與實(shí)際情況存在較大差異，且大部分研究都是分析單一因子對(duì)黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝作用影響，研究區(qū)域也是集中在河口、海岸等高含鹽水域，而對(duì)多因子之間的耦合作用及大水深低流速水庫(kù)湖泊等水域內(nèi)的黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝研究相對(duì)較匱乏?？梢詮囊韵聨讉€(gè)方面進(jìn)一步開展研究：

（1）多因子共同作用對(duì)黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝影響研究。目前雖然研究獲得一些單一因子對(duì)絮凝作用影響規(guī)律，但需進(jìn)一步研究各因子之間的相互作用及對(duì)絮凝的耦合作用。

（2）大水深低流速水庫(kù)湖泊等淡水水域內(nèi)黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝機(jī)理研究。由于上游來沙、城市排泄等外源引入和動(dòng)植物死亡等內(nèi)源產(chǎn)生，河湖中存在大量的淤泥。淤泥質(zhì)湖區(qū)含有大量黏性細(xì)顆粒泥沙，其運(yùn)動(dòng)是湖灘沉積和地貌演變主要因素。此外細(xì)顆粒泥沙較強(qiáng)的吸附作用使其成為河湖中污染物的主要累積地，對(duì)河湖水質(zhì)治理及修復(fù)產(chǎn)生一定影響，更深入研究對(duì)于河湖通航、蓄洪、水質(zhì)修復(fù)、疏浚淤泥的處理均有重要意義。

（3）補(bǔ)充完善動(dòng)水條件下黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。現(xiàn)有對(duì)動(dòng)水條件下絮凝研究裝置集中于旋轉(zhuǎn)筒或震動(dòng)格柵筒，與天然水體條件存在較大差異，因此補(bǔ)充完善在接近天然水體狀態(tài)動(dòng)水條件下絮凝體運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究十分必要。