龔 政,葛 冉,馮 騫,魏佳欣,蘇 敏,靳 闖,羅景陽(yáng)

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)江蘇省海岸海洋資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098；3.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098)

泥沙起動(dòng)是泥沙運(yùn)動(dòng)遷移的前提,影響泥沙沖淤特性,參與地貌演變、物質(zhì)遷移循環(huán)等多個(gè)重要的地球物理化學(xué)過(guò)程[1]。泥沙起動(dòng)研究中,常依據(jù)粒徑將泥沙分為黏性沙及非黏性沙[2]。黏性沙粒徑細(xì)小,其性質(zhì)與非黏性沙存在較大區(qū)別,導(dǎo)致其起動(dòng)特性復(fù)雜多變,給黏性沙的管理和利用帶來(lái)了許多問(wèn)題。例如,抗沖性強(qiáng)的黏性河床受到水流沖刷而露出,形成“膠泥嘴”,促進(jìn)畸形河勢(shì)的發(fā)展,給河流防洪造成極大壓力[3]；黏性沙一旦落淤,難以清理,致使湖庫(kù)淤積,喪失有效蓄水容積[4]。此外,黏性沙還是一種珍貴的資源。中國(guó)河口海岸地區(qū)分布著大量粉砂淤泥質(zhì)潮灘,不僅為沿海地區(qū)提供了大量的后備土地資源,同時(shí)還在緩沖風(fēng)暴潮侵襲、污染物降解、海陸物質(zhì)循環(huán)及生物多樣性保護(hù)等方面發(fā)揮著重要作用[5],而隨著海平面上升、人類活動(dòng)加劇,海岸潮灘面臨蝕退的風(fēng)險(xiǎn)[6]。目前,針對(duì)黏性沙起動(dòng)問(wèn)題,或依據(jù)實(shí)測(cè)資料獲得經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,或直接借用非黏性沙研究成果,與實(shí)際偏差較大。因此,從機(jī)理層面推進(jìn)黏性沙起動(dòng)研究,取得對(duì)黏性沙起動(dòng)客觀、正確的認(rèn)識(shí)是亟需解決的科學(xué)問(wèn)題。

泥沙起動(dòng)指泥沙顆粒在水流沖刷下,由靜止進(jìn)入運(yùn)動(dòng)的臨界狀態(tài)[7]。從力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā),對(duì)泥沙顆粒進(jìn)行受力分析,以此推導(dǎo)泥沙起動(dòng)條件,是泥沙起動(dòng)分析的常用方法。非黏性沙起動(dòng)時(shí)主要受到水流沖刷力及自身重力的作用[8],起動(dòng)過(guò)程易于理解。而黏性沙除了受到以上2種力外,還受到顆粒間黏結(jié)力作用的影響[9]。與重力相比,黏結(jié)力作用來(lái)源多樣、形成機(jī)理復(fù)雜,并且在泥沙性質(zhì)、沉積環(huán)境和水環(huán)境等多重因素的影響下[10],動(dòng)態(tài)而多變。黏結(jié)力作用促使黏性沙聚集成團(tuán),從而共同抵抗水流的沖刷,提高了黏性沙的穩(wěn)定性,但同時(shí)也改變了黏性沙的起動(dòng)模式[11],使得針對(duì)非黏性沙的研究方式不再適用于黏性沙?？梢?jiàn),黏結(jié)力作用是影響?zhàn)ば陨称饎?dòng)的關(guān)鍵,對(duì)黏結(jié)力作用形成機(jī)理、影響因素及量化表達(dá)的研究是近年來(lái)黏性沙起動(dòng)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外研究,歸納出泥沙起動(dòng)中涉及的黏結(jié)力作用,探尋其中2種典型黏結(jié)力作用的形成機(jī)理及影響因素,從泥沙穩(wěn)定性及泥沙起動(dòng)模式兩方面剖析黏結(jié)力作用對(duì)黏性沙起動(dòng)的影響,比較分析黏結(jié)力作用的量化研究,并對(duì)黏性沙起動(dòng)中值得進(jìn)一步探討的方向進(jìn)行展望,以期為黏性沙的起動(dòng)研究提供理論參考。

1 泥沙顆粒間的黏結(jié)力作用

1.1 黏結(jié)力作用的分類

黏結(jié)力作用指促使泥沙顆粒相互聚集、能夠提高泥沙穩(wěn)定性的各種作用過(guò)程,目前尚未對(duì)其進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)性總結(jié)分類。在梳理國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)形成機(jī)理,歸納出泥沙起動(dòng)中主要涉及2大類、共6種黏結(jié)力作用(表1)。泥沙與水、鹽類等理化因子相互作用所產(chǎn)生的黏結(jié)力作用為理化黏結(jié)力作用,包括雙電層力、薄膜水附加壓力、鹽類化合物膠結(jié)力等。雙電層力是一種電化學(xué)作用。泥沙顆粒與水接觸會(huì)發(fā)生電離、吸附等化學(xué)反應(yīng),使泥沙顆粒表面形成特殊的“雙電層”結(jié)構(gòu)[12],從而使顆粒間產(chǎn)生電性吸引；薄膜水附加壓力是一種壓力作用，一些學(xué)者認(rèn)為[2],泥沙顆粒表面包裹著一層無(wú)法傳遞靜水壓力的薄膜水,使得相互接觸的泥沙顆粒在水壓及大氣壓作用下相互擠壓；鹽類化合物膠結(jié)力是一種膠結(jié)作用,指鹽類化合物(如碳酸鹽、氧化鐵)在泥沙孔隙中沉積,形成自生礦物并使泥沙固結(jié)的作用[13-14]。理化黏結(jié)力作用的形成機(jī)理相對(duì)簡(jiǎn)單,對(duì)其認(rèn)識(shí)也較為統(tǒng)一。

表1 黏結(jié)力作用的分類Table 1 Classification of cohesive forces

泥沙與微生物、底棲動(dòng)物、水生植物等生物因子相互作用所產(chǎn)生的黏結(jié)力作用為生物黏結(jié)力作用,包括胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)黏結(jié)力、底棲動(dòng)物黏結(jié)力及水生植物黏結(jié)力等。微生物(如細(xì)菌、藻類)新陳代謝產(chǎn)生大量主要由蛋白質(zhì)和多糖組成的黏性高分子有機(jī)物——EPS,EPS通過(guò)填充泥沙孔隙、吸附在泥沙顆粒表面,增強(qiáng)泥沙顆粒間的聯(lián)系,形成EPS黏結(jié)力[15-16]；底棲動(dòng)物(如沙蠶、螃蟹)通過(guò)攝食、排泄等,形成富含有機(jī)黏液的團(tuán)塊狀泥沙,以此聚集泥沙顆粒,形成底棲動(dòng)物黏結(jié)力[17-18]；水生植物(如紅柳、海岸鹽沼植被)則通過(guò)根系吸附、截留泥沙,減弱泥沙分散程度,形成水生植物黏結(jié)力[19-20]。由此可見(jiàn),生物群落的生命活動(dòng)是生物黏結(jié)力產(chǎn)生的根本原因。因此,相比于理化黏結(jié)力作用,生物黏結(jié)力作用的微觀形成機(jī)理更復(fù)雜、宏觀表現(xiàn)形式也更豐富。目前,對(duì)生物黏結(jié)力作用的研究尚處于起步階段,研究熱點(diǎn)集中于探索其穩(wěn)定泥沙、降低侵蝕等宏觀效應(yīng)。

由上述分析可見(jiàn),黏結(jié)力作用來(lái)源多樣,形成機(jī)理各異,并且各黏結(jié)力作用以不同方式穩(wěn)定泥沙。此外,天然泥沙中,泥沙顆粒間往往同時(shí)存在多種黏結(jié)力作用,取決于特定的泥沙性質(zhì)、沉積環(huán)境及水環(huán)境。這些特性使得黏性沙的起動(dòng)呈現(xiàn)高度的時(shí)間、空間變異性[21-22],增加了認(rèn)識(shí)黏性沙起動(dòng)的難度。只有從微觀機(jī)理層面增強(qiáng)對(duì)黏結(jié)力作用的認(rèn)識(shí),才能夠?yàn)轲ば陨车墓芾砼c利用提供有效的理論技術(shù)參考。

1.2 典型黏結(jié)力作用的形成機(jī)理及影響因素

雙電層力及EPS黏結(jié)力是黏性沙起動(dòng)中涉及的2種典型黏結(jié)力作用,得到了普遍關(guān)注。形成機(jī)理及影響因素研究是從微觀和宏觀層面認(rèn)識(shí)黏結(jié)力作用的有效手段,也是定量表達(dá)黏結(jié)力作用的重要前提。目前,盡管對(duì)黏結(jié)力作用的微觀形成機(jī)理展開(kāi)了一些研究,但成果還難以用于量化黏結(jié)力作用。而從宏觀層面研究黏結(jié)力作用的影響因素,建立黏結(jié)力作用與各影響因素的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,是目前通常采用的研究方式。

1.2.1 雙電層引起的黏結(jié)力作用

雙電層力是一種理化黏結(jié)力。早期的研究中,對(duì)雙電層力的認(rèn)識(shí)大多源于經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。國(guó)內(nèi)學(xué)者常將雙電層力感性地描述為因泥沙顆粒表面“分子水膜”接觸而產(chǎn)生的分子引力[23],或簡(jiǎn)單地描述為與泥沙理化性質(zhì)有關(guān)的某種吸力作用[24],卻較少關(guān)注其科學(xué)本質(zhì)。隨著學(xué)科交叉融合,一些學(xué)者借助電化學(xué)理論對(duì)雙電層力展開(kāi)了進(jìn)一步探究。研究認(rèn)為,當(dāng)泥沙顆粒與水接觸,由于電離、吸附等化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生,表面將產(chǎn)生電荷(一般為負(fù)電荷)[12]。通過(guò)靜電引力,這層表面電荷能夠吸附水中帶有反電荷的自由離子及水分子,進(jìn)而在泥沙顆粒表面形成一定厚度的、由離子及水分子組成的“雙電層”結(jié)構(gòu)[25](即“分子水膜”)。雙電層的形成將引發(fā)泥沙顆粒間多種微觀理化作用,包括疏水引力、范德華引力、靜電斥力、水化斥力等微觀物理力,以及氫鍵、配位鍵等化學(xué)鍵[26-27]。這些微觀力和化學(xué)鍵的綜合作用導(dǎo)致雙電層力的產(chǎn)生。

電化學(xué)理論的應(yīng)用,使雙電層力的形成得到了合理解釋。但其微觀機(jī)理仍十分復(fù)雜,許多問(wèn)題有待解答。楊美卿[28]、Israelachvili[29]等為簡(jiǎn)化理論分析及計(jì)算,提出可將范德華引力近似等同于雙電層力,并推求了僅考慮范德華引力的雙電層力量化公式(表2)。然而,由于忽略了雙電層間其他微觀理化作用,偏離理論實(shí)際,研究成果并未被廣泛采納。為了更深入地認(rèn)識(shí)雙電層力,邢耀文等[30]以玻璃微球?yàn)檠芯繉?duì)象,利用原子力顯微鏡(AFM),明晰了雙電層力的微觀組分,并探究了水化斥力、靜電斥力和范德華引力隨顆粒間距的變化規(guī)律；Suresh和Walz[31]通過(guò)全內(nèi)反射顯微鏡(TIRM),定量分析了聚苯乙烯顆粒(d=15 μm)和玻璃薄片之間的靜電斥力和范德華引力。此類研究借助AFM、TIRM等技術(shù)手段,得以闡明雙電層力微觀組分及其變化規(guī)律,為雙電層力研究提供了新的途徑和思路。值得注意的是,目前大多研究在實(shí)驗(yàn)室條件下開(kāi)展,試驗(yàn)對(duì)象(模型沙)及試驗(yàn)條件與實(shí)際情況存在區(qū)別,相關(guān)研究值得進(jìn)一步關(guān)注。

雙電層力的影響因素主要包括泥沙性質(zhì)及水質(zhì)條件。泥沙粒徑是區(qū)別黏性沙與非黏性沙的主要指標(biāo),也是雙電層力的決定因素。對(duì)于粗沙,雙電層力微弱；而在細(xì)沙中,雙電層力作用顯著,并隨著粒徑變細(xì),雙電層力逐漸增強(qiáng)[23]。重度、含水量、孔隙率等反映了泥沙中固、液、氣三相比例,根據(jù)Lick和Mcneil[32]的研究,雙電層力正相關(guān)于重度、負(fù)相關(guān)于含水量和孔隙率。此外,黏土(如蒙脫土、高嶺土)粒徑細(xì)小、表面電化學(xué)作用強(qiáng)烈[25],其含量的增加也可以增強(qiáng)雙電層力、提升泥沙起動(dòng)切應(yīng)力[33]。一些學(xué)者還關(guān)注了水質(zhì)條件對(duì)雙電層力的影響。Grabowski等[34]綜述表明,水溫、酸堿度、離子價(jià)態(tài)、鹽度的升高可以增強(qiáng)泥沙顆粒間的雙電層力。部分學(xué)者半定量地分析了水質(zhì)條件的影響。以鹽度為例,代馨楠等[35]通過(guò)水槽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),固結(jié)時(shí)間相同時(shí),泥沙(d50=44 μm)起動(dòng)切應(yīng)力隨鹽度的增長(zhǎng)呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)；劉姣等[36]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),泥沙(粉砂)起動(dòng)切應(yīng)力與鹽度呈線性正相關(guān)關(guān)系,鹽度增加1個(gè)單位,其起動(dòng)切應(yīng)力增加約0.02 Pa?？偟膩?lái)說(shuō),目前對(duì)于雙電層力影響因素的認(rèn)識(shí)相對(duì)成熟,尤其是粒徑、重度等因素,并建立了許多定量關(guān)系式。值得注意的是,這些關(guān)系式經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng),不能反映雙電層力的本質(zhì),通用性不足。此外,一些影響因素,如離子價(jià)態(tài)、黏土含量等,難以定量表達(dá),如何定量分析其影響值得關(guān)注。

1.2.2 EPS引起的黏結(jié)力作用

EPS黏結(jié)力是一種生物黏結(jié)力。研究發(fā)現(xiàn),微生物通過(guò)分泌黏性EPS與泥沙緊密結(jié)合,形成“微生物泥沙”,不僅能夠提升泥沙起動(dòng)切應(yīng)力,還可以沿深度方向有效降低泥沙侵蝕率[37],甚至對(duì)泥沙輸運(yùn)、沉降、固結(jié)等整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程造成影響[38-39]。這種由EPS引起的泥沙穩(wěn)定性被學(xué)者稱為“生物穩(wěn)定性”[40]。

近年來(lái),EPS黏結(jié)力形成機(jī)理獲得了積極關(guān)注。Chen等[15]利用掃描電鏡(SEM)對(duì)微生物泥沙的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)EPS既可以覆蓋在泥沙表面,還能夠滲透進(jìn)入泥沙孔隙,進(jìn)而形成一種蜂窩狀結(jié)構(gòu)(圖1)。因此,EPS黏結(jié)力常被描述為一種物理架橋作用,認(rèn)為EPS將泥沙顆粒膠結(jié)在一起,以增強(qiáng)顆粒間的黏結(jié)。趙慧明[41]提出,EPS通過(guò)改變泥沙顆粒的表面化學(xué)性質(zhì),如提供額外的離子結(jié)合位點(diǎn)和聯(lián)系相位,從而增強(qiáng)顆粒間的黏結(jié)。以上研究分別從物理和化學(xué)特性改變兩方面對(duì)EPS黏結(jié)力形成機(jī)理作出了解釋,代表了對(duì)EPS黏結(jié)力的主流認(rèn)知,但這些解釋仍具有很強(qiáng)的猜測(cè)性,需要進(jìn)一步客觀論證。為了獲得對(duì)EPS黏結(jié)力更清晰的認(rèn)識(shí),Larson等[42]開(kāi)發(fā)了MagPI系統(tǒng),可用于定性分析微生物泥沙的黏結(jié)強(qiáng)度；Gu等[43]利用激光共聚焦顯微鏡(LSCM)分析微生物泥沙中EPS的組分、含量及分布；Zhang等[44]利用X射線微斷層掃描(μ-CT)實(shí)現(xiàn)了微生物泥沙內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化分析。這些研究對(duì)微生物泥沙的組成、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等進(jìn)行了分析,提升了對(duì)微生物泥沙及EPS黏結(jié)力的直觀認(rèn)識(shí),并且MagPI等新技術(shù)的提出和應(yīng)用也為EPS黏結(jié)力研究提供了良好的技術(shù)支撐。

圖1 “微生物泥沙”結(jié)構(gòu)[34,37]Fig.1 Structure of microbial sediment[34,37]

EPS黏結(jié)力影響因素包括直接因素與間接因素。EPS性質(zhì)(數(shù)量與質(zhì)量)是影響EPS黏結(jié)力的直接因素。EPS數(shù)量指單位質(zhì)量泥沙中含有的EPS；EPS質(zhì)量指單位EPS結(jié)合、膠結(jié)泥沙能力的強(qiáng)弱,與EPS的具體組分(如多糖、蛋白含量)有關(guān)[45]。通常認(rèn)為,隨著泥沙中EPS數(shù)量和質(zhì)量不斷增加,EPS黏結(jié)力先增大,后趨于不變。天然條件下,EPS數(shù)量與質(zhì)量并非同步變化,而是在眾多因素影響下“此消彼長(zhǎng)”,致使EPS黏結(jié)力復(fù)雜多變。EPS性質(zhì)的影響因素可以概括為微生物及環(huán)境因素兩類,通過(guò)調(diào)節(jié)EPS性質(zhì),從而間接影響EPS黏結(jié)力。首先,EPS由微生物分泌,不同微生物群落分泌的EPS性質(zhì)存在差異。例如,Lubarsky等[46]發(fā)現(xiàn),細(xì)菌EPS介導(dǎo)的生物穩(wěn)定性是藻類EPS的1.5倍；Brouwer等[47]發(fā)現(xiàn),Ncf.brevissima(藻類)分泌的EPS穩(wěn)定能力顯著強(qiáng)于C.closterium(藻類)。其次,環(huán)境因素,如光照、水溫、營(yíng)養(yǎng)鹽、水動(dòng)力等環(huán)境因素能夠調(diào)節(jié)微生物的生理生化狀態(tài)[48],適宜的光照、溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽及動(dòng)力條件能夠促進(jìn)EPS的分泌、提升EPS品質(zhì)。此外,某些環(huán)境因素還能夠與EPS發(fā)生化學(xué)反應(yīng),對(duì)EPS質(zhì)量進(jìn)行再調(diào)節(jié)。例如,K?rstgens 等[49]認(rèn)為,水體鹽度會(huì)影響EPS 的分子構(gòu)型,鹽度的增加一定程度上可以增加EPS 的彈性、剛度等力學(xué)性能,從而增強(qiáng)EPS黏結(jié)力?？梢?jiàn),EPS黏結(jié)力影響因素眾多,并且各因素環(huán)環(huán)相扣,使得難以確定各影響因素與EPS黏結(jié)力的定性或定量關(guān)系。想要揭開(kāi)EPS黏結(jié)力的“神秘面紗”,應(yīng)注重理論創(chuàng)新及方法創(chuàng)新,持續(xù)加強(qiáng)EPS黏結(jié)力形成機(jī)理研究,從底層提升對(duì)EPS黏結(jié)力的認(rèn)識(shí)；同時(shí),需開(kāi)展大量室內(nèi)控制試驗(yàn),識(shí)別影響EPS黏結(jié)力的關(guān)鍵因素。

2 黏結(jié)力作用對(duì)泥沙起動(dòng)的影響

黏結(jié)力作用對(duì)泥沙起動(dòng)存在顯著影響。一方面,能夠提升泥沙穩(wěn)定性,尤其是黏性沙；另一方面,也使得黏性沙的起動(dòng)模式區(qū)別于非黏性沙,改變了黏性沙的起動(dòng)特性。

2.1 泥沙穩(wěn)定性

泥沙穩(wěn)定性指泥沙抵抗水流沖刷的能力。從力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看,泥沙起動(dòng)與否取決于水流沖刷力與自身穩(wěn)定力的相互作用。早期主要關(guān)注重力對(duì)泥沙的穩(wěn)定效應(yīng),極具代表性的是希爾茲于1936年依據(jù)均勻流、均勻沙起動(dòng)試驗(yàn)資料繪制的經(jīng)典希爾茲曲線[50]。在實(shí)際應(yīng)用中,希爾茲曲線雖能夠較好地估算非黏性粗沙的起動(dòng)切應(yīng)力,但由于忽略了黏結(jié)力作用,對(duì)黏性沙起動(dòng)切應(yīng)力的估算值往往偏低。近年來(lái),許多學(xué)者對(duì)希爾茲曲線進(jìn)行了修正,推導(dǎo)得到考慮黏結(jié)力作用的黏性希爾茲曲線[51],能夠準(zhǔn)確描述黏性沙的起動(dòng)?？梢?jiàn),不僅重力,黏結(jié)力作用也是一種重要的穩(wěn)定力。不同黏結(jié)力作用對(duì)泥沙的穩(wěn)定效應(yīng)得到了廣泛關(guān)注。

雙電層力主要穩(wěn)定細(xì)沙。許多泥沙起動(dòng)公式定量體現(xiàn)了雙電層力的影響,以唐存本公式[23]為例:

(1)

式中:τ0為起動(dòng)切應(yīng)力,N；γs為泥沙顆粒重度,N/m3；γ為水的重度,N/m3；σ為泥沙重度,N/m3；σ0為泥沙穩(wěn)定重度,N/m3；c為黏結(jié)力系數(shù),g/cm；d為泥沙粒徑,mm。式(1)為同時(shí)考慮重力和雙電層力的粗、細(xì)沙統(tǒng)一起動(dòng)公式,并且式中第1項(xiàng)表示重力作用,第2項(xiàng)表示雙電層力作用?？梢钥闯?重力主要穩(wěn)定粗沙,而雙電層力主要穩(wěn)定重力作用微弱的細(xì)沙。整個(gè)粒徑范圍,重力與雙電層力的共同作用使得泥沙起動(dòng)切應(yīng)力隨粒徑呈現(xiàn)“U”形變化趨勢(shì)[52]。

EPS黏結(jié)力對(duì)粗細(xì)沙的穩(wěn)定性都存在影響。在尚倩倩等[53]的研究中,EPS黏結(jié)力能夠?qū)⒓?xì)沙(d50=35 μm)起動(dòng)切應(yīng)力提升70%；Lundkvist等[54]報(bào)道,在EPS作用下,細(xì)沙(d50=27 μm)的起動(dòng)切應(yīng)力增長(zhǎng)了150%。而Chen等[37]研究表明,細(xì)菌EPS能夠?qū)⒋稚?d50=108 μm)的起動(dòng)切應(yīng)力提升 60%；Brouwer等[47]發(fā)現(xiàn),藻類EPS能夠?qū)⒋稚?d50=217 μm)的起動(dòng)切應(yīng)力提升200%～300%。盡管EPS黏結(jié)力對(duì)粗細(xì)沙都表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定效應(yīng),但Gu等[43]研究發(fā)現(xiàn),只有當(dāng)泥沙顆粒雷諾數(shù)(Re*)在0.2～50時(shí),EPS黏結(jié)力對(duì)泥沙穩(wěn)定性的影響才足夠顯著,這一結(jié)果表明EPS對(duì)泥沙的穩(wěn)定效應(yīng)同樣會(huì)受到泥沙粒徑的限制。

薄膜水附加壓力主要作用于大水深條件下的細(xì)沙。萬(wàn)兆惠等[55]通過(guò)有壓管流試驗(yàn)研究了薄膜水附加壓力對(duì)不同粒徑泥沙的穩(wěn)定特性,發(fā)現(xiàn)隨著水壓力從1.1 m增加至9.0 m,薄膜水附加壓力可將細(xì)沙的(d50=4 μm)起動(dòng)切應(yīng)力提升2.68倍,而對(duì)粗沙的(d50=150 μm以及d50=65 μm)影響微弱；范力陽(yáng)等[56]通過(guò)封閉管道試驗(yàn)研究了薄膜水附加壓力對(duì)黏性原狀土起動(dòng)流速的影響,結(jié)果表明黏性原狀土的起動(dòng)流速隨著水壓力增加可以提升2.52～3.06倍,但在水壓力相同時(shí),黏性原狀土的起動(dòng)流速還受到泥沙粒徑級(jí)配和密實(shí)度的影響。

底棲動(dòng)物、水生植物黏結(jié)力等對(duì)泥沙穩(wěn)定的影響也得到了積極探索。蔡杭兵等[19]研究了紅柳根系對(duì)塔里木河岸坡土體起動(dòng)切應(yīng)力的影響,發(fā)現(xiàn)相比于無(wú)紅柳根系覆蓋河岸,紅柳根系覆蓋可以將河岸土體起動(dòng)切應(yīng)力提升1.15～1.60倍,并表明其穩(wěn)定效應(yīng)與根系分布方式及根系密度有關(guān)。Zimmerman和de Szalay[57]研究了貽貝對(duì)泥沙穩(wěn)定性的影響,發(fā)現(xiàn)經(jīng)4周的培養(yǎng),貽貝的存在使得泥沙起動(dòng)切應(yīng)力提升了24%。總的來(lái)說(shuō),底棲動(dòng)物及水生植物黏結(jié)力主要在大空間尺度上影響著河流演變、潮灘高程變化等地貌演變過(guò)程[20],并且其穩(wěn)定效應(yīng)的發(fā)揮很大程度上依賴于動(dòng)植物群落分布及密度[58]。

基于上述分析,可以看出,各黏結(jié)力作用均能夠顯著提升泥沙穩(wěn)定性,但其穩(wěn)定能力的發(fā)揮隨泥沙性質(zhì)、沉積環(huán)境及水環(huán)境的變化而變化。在面對(duì)實(shí)際問(wèn)題時(shí),需根據(jù)具體情況加以區(qū)分。此外,目前對(duì)于黏結(jié)力作用穩(wěn)定效應(yīng)的研究主要集中于雙電層力及EPS黏結(jié)力,而對(duì)其他黏結(jié)力作用的關(guān)注不足。

2.2 泥沙起動(dòng)模式

黏性沙與非黏性沙的起動(dòng)模式存在區(qū)別。非黏性沙多以散粒體滾動(dòng)或滑動(dòng)起動(dòng),而黏性沙在水流沖刷下一般會(huì)以片狀、團(tuán)塊狀起動(dòng)。黏性沙起動(dòng)過(guò)程中,隨著水流沖刷增強(qiáng),首先是少部分微團(tuán)體的緩慢運(yùn)動(dòng),然后在泥面上出現(xiàn)沖溝、沖坑,最后圍繞著沖溝、沖坑發(fā)生大面積的泥面撕裂,表現(xiàn)為“局部缺陷—擴(kuò)展—崩潰”的起動(dòng)模式[9]。此外,固結(jié)黏性沙還會(huì)以懸揚(yáng)方式起動(dòng)。在一定水流條件下,蔣磊[59]觀測(cè)到固結(jié)泥面上局部揚(yáng)起的煙霧狀泥沙,并逐步發(fā)展為整個(gè)床面呈“冒煙狀”。由此可見(jiàn),黏性沙傾向于以:① 團(tuán)塊狀起動(dòng)；② 懸揚(yáng)起動(dòng)。根據(jù)前人研究,黏性沙起動(dòng)模式變化的內(nèi)在機(jī)理主要體現(xiàn)在兩方面[2,59]。一方面,黏結(jié)力作用促使泥沙顆粒相互聚集,形成絮團(tuán),共同抵抗水流的侵蝕,導(dǎo)致黏性沙成團(tuán)起動(dòng)；另一方面,黏性沙的穩(wěn)定性主要源于黏結(jié)力作用,而一旦脫離泥面,黏結(jié)力作用消散,黏性沙自身重力遠(yuǎn)小于水流沖刷力,導(dǎo)致黏性沙懸揚(yáng)起動(dòng)。顯然,黏結(jié)力作用的存在是黏性沙起動(dòng)模式與非黏性沙存在區(qū)別的根本原因。

黏性沙與非黏性沙起動(dòng)模式的差異不可避免地給黏性沙起動(dòng)研究帶來(lái)了許多問(wèn)題。首先,分析非黏性沙起動(dòng)時(shí),常以單顆粒泥沙的受力/力矩平衡作為泥沙起動(dòng)的判別標(biāo)準(zhǔn),而這種單顆粒受力分析方式顯然無(wú)法適用于以片狀、團(tuán)塊狀起動(dòng)的黏性沙。對(duì)此,韓其為和何明民[60]構(gòu)想了一個(gè)包含n個(gè)泥沙顆粒、長(zhǎng)寬為a、厚度為h的絮體泥沙模型,對(duì)其進(jìn)行受力分析,試圖推導(dǎo)黏性沙成團(tuán)起動(dòng)的臨界條件。黃歲梁等[13]則另辟蹊徑地借鑒了土力學(xué)中黏性土體邊坡滑動(dòng)破壞的研究成果,提出了一種黏性沙起動(dòng)分析的新方法。這一研究利用交叉學(xué)科的知識(shí)改變了黏性沙起動(dòng)的分析方式,使得泥沙起動(dòng)分析不再局限于“顆粒”受力分析。其次,黏性沙起動(dòng)過(guò)程中,大部分泥沙會(huì)立即懸浮起來(lái),且不易落淤；對(duì)于黏結(jié)力作用較強(qiáng)的泥沙,如固結(jié)泥沙,床面從穩(wěn)定到崩潰是一個(gè)十分突然的過(guò)程,這些起動(dòng)特征將在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致高含沙水流的形成[9],不僅給黏性沙起動(dòng)過(guò)程的觀測(cè)、記錄造成了困難,在工程實(shí)際中,還會(huì)造成“揭河底”等現(xiàn)象的發(fā)生[61],對(duì)河床安全造成危害。

以上問(wèn)題的出現(xiàn),使得針對(duì)非黏性沙起動(dòng)的研究方式不再適用于黏性沙,增加了黏性沙起動(dòng)研究的難度。但同時(shí),也促使學(xué)者借助更多手段對(duì)黏性沙起動(dòng)展開(kāi)了創(chuàng)新研究。例如,通過(guò)X射線斷層掃描(X-CT)[62]、三維聚焦離子束納米成像(FIB-nt)[63]、掃描電鏡(SEM)[64-65]、環(huán)境掃描電鏡(ESEM)[66-67]、透射電鏡(TEM)[40]等光學(xué)成像技術(shù),可以直觀分析黏性沙絮團(tuán)的結(jié)構(gòu)、密度、組成、形狀等,為解讀黏性沙成團(tuán)起動(dòng)提供參考；通過(guò)高速攝影技術(shù)[51,68]、圖像識(shí)別技術(shù)[69]可以分析不同起動(dòng)階段水中黏性沙絮團(tuán)的尺寸及數(shù)量,得以記錄、分析黏性沙起動(dòng)過(guò)程。

總而言之,黏性沙起動(dòng)涉及多種復(fù)雜的理化機(jī)制,具有與非黏性沙不同的起動(dòng)模式。然而,當(dāng)前較少關(guān)注黏性沙起動(dòng)模式的變化,“黏性沙起動(dòng)模式變化帶來(lái)的影響”、“不同黏結(jié)力作用在起動(dòng)模式變化中扮演著怎樣的作用”等諸多問(wèn)題有待解答。應(yīng)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)研究思維,結(jié)合更多的交叉學(xué)科知識(shí)對(duì)黏性沙起動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行創(chuàng)新研究。

3 黏結(jié)力作用的量化研究

量化黏結(jié)力作用是量化黏性沙穩(wěn)定性的關(guān)鍵,也是通過(guò)受力分析法建立泥沙起動(dòng)公式的重要前提。表2展示了部分黏結(jié)力作用的量化研究成果。雙電層力的量化最早得到關(guān)注，學(xué)者常根據(jù)黏性沙起動(dòng)試驗(yàn)和對(duì)黏結(jié)現(xiàn)象的感性認(rèn)識(shí)來(lái)量化雙電層力。唐存本[23]、沙玉清[70]提出表面覆蓋一層均勻水膜的泥沙顆粒概念模型,認(rèn)為雙電層力源于泥沙顆粒表面分子水膜接觸而產(chǎn)生的分子引力,由此建立了雙電層力量化公式。這些量化公式能夠較好地描述一定條件下的黏性沙起動(dòng),但公式中含有較多經(jīng)驗(yàn)參數(shù),其適用范圍有限。楊美卿[28]、Israelachvili[29]等利用電化學(xué)理論,對(duì)雙電層力的形成機(jī)理進(jìn)行了解釋,提出了主要考慮范德華引力的雙電層力公式。此類量化公式基于理論推導(dǎo),具有一定先進(jìn)性，但限于理論研究水平,量化過(guò)程忽略了雙電層中其他微觀作用的影響,不能很好地體現(xiàn)雙電層力的微觀本質(zhì),需要進(jìn)一步發(fā)展與完善。

表2 黏結(jié)力作用的量化研究Table 2 Quantification of cohesive forces

薄膜水附加壓力的量化研究被部分國(guó)內(nèi)學(xué)者所關(guān)注。1960年,竇國(guó)仁[71]驗(yàn)證了薄膜水附加壓力的存在,推導(dǎo)得到了與水深、大氣壓力及顆粒間薄膜水面積有關(guān)的量化公式；張瑞瑾等[72]也曾對(duì)薄膜水附加壓力進(jìn)行推導(dǎo),提出了相似的量化公式。然而,萬(wàn)兆惠等[55]通過(guò)有壓管道試驗(yàn)研究了水壓力對(duì)泥沙起動(dòng)流速的影響,并將竇國(guó)仁及張瑞瑾公式計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在偏差,說(shuō)明竇國(guó)仁、張瑞瑾公式需要進(jìn)一步修正。

EPS黏結(jié)力的量化研究也曾得到關(guān)注。Righetti和Lucarelli[51]分析認(rèn)為,EPS黏結(jié)力是一種表面力,與泥沙粒徑的平方成正比,并將其表達(dá)為EPS黏結(jié)力系數(shù)與泥沙粒徑平方的乘積。在此基礎(chǔ)上,Fang等[73]基于水槽試驗(yàn)研究了生物泥沙的起動(dòng)特性,利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了與培養(yǎng)時(shí)間、泥沙粒徑相關(guān)的EPS黏結(jié)力系數(shù)表達(dá)式；Zhou等[62]考慮了有機(jī)物含量的影響,進(jìn)一步對(duì)EPS黏結(jié)力系數(shù)表達(dá)式進(jìn)行了修正。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)黏結(jié)力作用量化展開(kāi)了不少研究,但是由于黏結(jié)力作用形成機(jī)理復(fù)雜,對(duì)其認(rèn)識(shí)相對(duì)不足,導(dǎo)致難以從理論層面量化黏結(jié)力作用。大多量化研究仍依賴于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)擬合,使得各家公式形式差異較大、經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng),尚未形成得到廣泛認(rèn)可的研究成果。

4 結(jié)論與展望

泥沙起動(dòng)不僅具有重要的工程實(shí)踐意義,還具有多項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,是水沙科學(xué)的基礎(chǔ)性研究問(wèn)題。泥沙顆粒間復(fù)雜多變的黏結(jié)力作用顯著增加了黏性沙起動(dòng)研究的難度。經(jīng)多年的研究,已經(jīng)對(duì)泥沙顆粒間黏結(jié)力作用的形成機(jī)理及對(duì)其對(duì)泥沙的影響取得了一定的認(rèn)識(shí)；也嘗試量化黏結(jié)力作用,并借此建立了一些黏性沙起動(dòng)公式,為黏性沙的管理和利用提供了理論依據(jù)與技術(shù)參考。為了進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)黏性沙起動(dòng)問(wèn)題的認(rèn)識(shí),建議未來(lái)加強(qiáng)以下方面的研究:

(1)關(guān)注黏結(jié)力作用的相互作用和協(xié)同效應(yīng)。天然泥沙中往往同時(shí)存在多種黏結(jié)力作用。當(dāng)前的研究主要關(guān)注雙電層力及EPS黏結(jié)力,卻較少考慮其他黏結(jié)力作用。應(yīng)根據(jù)泥沙所處的環(huán)境,綜合考慮多種黏結(jié)力作用,增強(qiáng)研究的系統(tǒng)性。

(2)加強(qiáng)黏結(jié)力作用形成機(jī)理研究。黏結(jié)力形成機(jī)理的研究是解析作用規(guī)律、量化作用效果的關(guān)鍵。目前初步開(kāi)展了雙電層力及EPS黏結(jié)力形成機(jī)理研究,但認(rèn)識(shí)相對(duì)不足。應(yīng)當(dāng)借助理論、技術(shù)創(chuàng)新,深入探索黏結(jié)力作用的形成機(jī)理,增強(qiáng)研究的理論性。

(3)黏性沙起動(dòng)模式的變化值得關(guān)注。黏結(jié)力作用改變了泥沙的起動(dòng)模式,給黏性沙起動(dòng)研究帶來(lái)了許多問(wèn)題。在目前研究中,大多研究仍將黏結(jié)力影響下的泥沙起動(dòng)看作單顆粒起動(dòng),由此得到的結(jié)果往往與實(shí)際情況存在較大偏差,后續(xù)的研究中,有必要進(jìn)一步考慮起動(dòng)模式變化對(duì)黏性沙起動(dòng)的影響。

(4)黏結(jié)力量化表達(dá)。黏結(jié)力的量化表達(dá)是其應(yīng)用于泥沙起動(dòng)研究的關(guān)鍵。目前雖然建立了一些黏結(jié)力量化公式,但是各家公式的差異較大,且公式中的參數(shù)具有較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性。在黏結(jié)力作用形成機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,需要進(jìn)一步對(duì)這些公式進(jìn)行修正,拓寬其適用范圍。