含沙量對(duì)湖泊泥沙絮凝沉降特性的影響研究

黃志文，鄧金運(yùn)，楊春瑞

（1 江西省水利科學(xué)院，南昌 330029； 2 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072）

黏性細(xì)顆粒泥沙是我國(guó)湖泊懸沙的主要組成部分，容易產(chǎn)生絮凝沉降，影響湖床沖淤及水環(huán)境狀況［1-2］。 國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬、原位及室內(nèi)試驗(yàn)等方法圍繞湖泊、 河口等區(qū)域的黏性細(xì)顆粒泥沙的沉降特性開(kāi)展了大量研究［3-8］，主要涉及泥沙絮凝沉降的臨界粒徑、 沉降過(guò)程及影響因素等方面。 目前普遍性的認(rèn)識(shí)是，除泥沙粒徑之外，黏性細(xì)顆粒泥沙的絮凝沉降還與水動(dòng)力特征、 含沙量大小、水體環(huán)境等因素息息相關(guān)，這其中，含沙量大小是影響沉降速率的關(guān)鍵因素之一。 Safak［9］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)黏性細(xì)顆粒泥沙所形成的絮團(tuán)尺度和含沙量大小明顯相關(guān)，隨著含沙量的增大，顆粒間碰撞增強(qiáng)將形成更大絮團(tuán)。 楊耀天［10］從宏觀方面對(duì)細(xì)顆粒黏性泥沙絮凝沉降過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究， 認(rèn)為隨著含沙量的增大，絮凝沉降速度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。萬(wàn)遠(yuǎn)揚(yáng)［8］針對(duì)長(zhǎng)江口黏性細(xì)顆粒泥沙的室內(nèi)試驗(yàn)研究表明， 各因素中含沙量對(duì)長(zhǎng)江口細(xì)顆粒沉降速度影響最大，絮凝沉速隨含沙量的增大先增加后減小。黃建維［11］的沉降試驗(yàn)結(jié)果也表明，當(dāng)初始含沙量超過(guò)一定程度后， 對(duì)絮凝的阻滯作用將超過(guò)對(duì)絮凝的加速作用。 上述研究成果中雖然均認(rèn)可含沙量對(duì)黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降的影響的重要性，但在含沙量大小對(duì)絮凝沉降的影響過(guò)程和作用程度上的認(rèn)識(shí)尚有一定差異。

1 研究區(qū)域及現(xiàn)場(chǎng)取樣

鄱陽(yáng)湖位于江西省北部，長(zhǎng)江中游南岸，承納了贛江、撫河、信江、饒河、修河5大江河（以下簡(jiǎn)稱5河）及博陽(yáng)河、漳田河、潼津河等小支流區(qū)間來(lái)水，經(jīng)調(diào)蓄后由湖口注入長(zhǎng)江，是一個(gè)過(guò)水性、吞吐型、季節(jié)性湖泊［12］。 本次鄱陽(yáng)湖泥沙現(xiàn)場(chǎng)采樣點(diǎn)主要有6處，由北向南依次為屏峰、星子、都昌、吳城、棠蔭、康山（圖1），主要位于河床淺灘，是湖中懸移質(zhì)泥沙汛期沉積形成，取樣時(shí)間為2019年12月。

圖1 鄱陽(yáng)湖湖區(qū)及泥沙采樣點(diǎn)示意圖

將各取樣點(diǎn)所取沙樣首先通過(guò)雙氧水進(jìn)行多次清洗去除有機(jī)質(zhì)［13］，烘干后利用激光粒度儀進(jìn)行粒度分析，湖區(qū)各取樣點(diǎn)的泥沙級(jí)配差異較小，粒徑范圍1～120um，中值粒徑約在10～30um（0.01～0.03mm）。

2 試驗(yàn)方法與裝置

2.1 絮凝沉速計(jì)算方法

本次試驗(yàn)中，針對(duì)含沙量對(duì)泥沙絮凝沉降的影響，主要通過(guò)其對(duì)泥沙沉速的影響進(jìn)行分析。 不同絮凝階段泥沙沉速隨絮團(tuán)粒徑變化，通過(guò)測(cè)量不同斷面泥沙瞬時(shí)沉速變化可以直觀反映泥沙沉降階段變化。 泥沙沉速通過(guò)麥克勞林公式（累計(jì)重量法）計(jì)算得到，其基本原理是通過(guò)測(cè)量不同沉降時(shí)間沿水深分布的水體中含沙量的分布情況， 利用圖積分法，得到不同時(shí)刻、不同水深斷面處泥沙的瞬時(shí)沉 速［13］：

式中 ω為泥沙瞬時(shí)沉速（mm/s）；h 為水深（mm）；t 為沉降時(shí)間（s）；S（z，t）為水深z斷面在t時(shí)刻含沙量（g/mL）。

2.2 試驗(yàn)裝置

室內(nèi)沉降試驗(yàn)裝置為自制沉降筒， 裝置骨架為鋼制，水箱為長(zhǎng)方體，高1.5m，長(zhǎng)、寬均為0.5m，四面邊壁為玻璃鋼材質(zhì)，底面設(shè)置開(kāi)關(guān)排水，側(cè)壁布置有取樣孔口，如圖2。試驗(yàn)前進(jìn)行了取樣方法比選，對(duì)比了側(cè)壁孔取樣和中心虹吸裝置取樣， 發(fā)現(xiàn)虹吸裝置取樣效果較優(yōu)，可以防止邊壁效應(yīng)，本文正式試驗(yàn)均采用虹吸裝置進(jìn)行取樣。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)過(guò)程中還需要用到裝置有攪拌器、烘箱、電子天平（精度0.001g）、取樣瓶、燒杯、篩子、量筒、玻璃棒、六偏磷酸鈉試劑（分散劑）等。 試驗(yàn)用水為自來(lái)水， 鹽度為5ppt， 與淡水湖水體鹽度相近； 密度為0.99g/mL，試驗(yàn)過(guò)程中，水溫為20℃。

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分為預(yù)試驗(yàn)和正式試驗(yàn)兩部分。 預(yù)試驗(yàn)是為了觀測(cè)鄱陽(yáng)湖黏性細(xì)顆粒泥沙的絮凝沉降現(xiàn)象，同時(shí)也為了正式試驗(yàn)確定合適的含沙量范圍。 該試驗(yàn)采用簡(jiǎn)易沉降管進(jìn)行（高1.5m，直徑1.5cm）。 設(shè)置了含沙量從0.5～5kg/m3的4種工況， 各工況又分為添加分散劑（抑制絮凝）和未添加分散劑（未抑制絮凝）的對(duì)比工況。正式試驗(yàn)方案設(shè)定含沙量為1，3，5 kg/m3的3種工況，未添加分散劑。 由于鄱陽(yáng)湖區(qū)各取樣點(diǎn)沙樣級(jí)配相近， 所有試驗(yàn)均以屏峰取樣點(diǎn)的沙樣開(kāi)展試驗(yàn)。

值得說(shuō)明的是， 鄱陽(yáng)湖懸沙實(shí)際含沙量一般在1kg/m3以內(nèi)，而試驗(yàn)方案中設(shè)置了更大的含沙量對(duì)比工況，主要考慮到①低含沙量情況下泥沙顆粒碰撞幾率大大降低，導(dǎo)致發(fā)生絮凝現(xiàn)象所需時(shí)間大大增加，試驗(yàn)效率較低；②大風(fēng)天氣時(shí)，湖區(qū)含沙量將會(huì)明顯增大， 太湖等類似湖區(qū)大風(fēng)天氣時(shí)的含沙量可達(dá)3kg/m3左右［4］；③含沙量對(duì)絮凝沉降的影響所需閾值可能相對(duì)較大［13］。

表1 試驗(yàn)方案

2.4 試驗(yàn)步驟

2.4.1 沙樣處理

將沙樣仔細(xì)研磨至小塊后充分溶于水中， 利用1mm孔徑篩子初步將體積較大顆粒篩出， 以便剔除貝殼類等體積較大的有機(jī)物篩出。 初步處理之后的沙樣靜置風(fēng)干后加少量蒸餾水使之濕潤(rùn)， 然后加30%的H2O2，攪拌混勻后蓋好表面皿，70℃～80℃水浴加熱氧化。 期間經(jīng)常攪拌沙樣，待泡沫逐漸消失后，繼續(xù)滴加H2O2，直至土色變淡，無(wú)反應(yīng)為止。 此過(guò)程重復(fù)兩三次。 沙樣冷卻后放入烘箱105℃烘干，磨碎備用。

2.4.2 預(yù)試驗(yàn)

按照含沙量的不同制備沙樣， 將沙樣加入簡(jiǎn)易沉降管，觀察沉降現(xiàn)象。

2.4.3 正式試驗(yàn)

進(jìn)行正式試驗(yàn)時(shí)， 首先按照含沙量的不同制備沙樣并進(jìn)行預(yù)處理；其次，將沙樣加入水箱中，加水至指定高度后用攪拌器充分?jǐn)嚢瑁?0次以上）；穩(wěn)定后按規(guī)定時(shí)間將虹吸裝置插入規(guī)定深度進(jìn)行取樣，共設(shè)置水下20，40，60，100cm共5個(gè)斷面取樣點(diǎn)。試驗(yàn)開(kāi)始后30min內(nèi)， 每10min進(jìn)行1次取樣操作；30min后，每30min進(jìn)行1次取樣操作。 單次試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為300min左右。最后，將所取樣品通過(guò)烘干后測(cè)量取樣泥沙質(zhì)量，計(jì)算泥沙沉速。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 泥沙絮凝沉降現(xiàn)象

通過(guò)微距攝像的方法， 預(yù)試驗(yàn)中不同含沙量情況下，隨著含沙量的逐漸增加，視野范圍內(nèi)泥沙絮團(tuán)數(shù)量明顯增加：0.5kg/m3已產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的半透明絮團(tuán)，1，3kg/m3情況下絮團(tuán)數(shù)量增多，5kg/m3時(shí)絮團(tuán)數(shù)量更加密集。

為對(duì)比有無(wú)絮凝狀態(tài)下泥沙沉降的差異， 在預(yù)試驗(yàn)中進(jìn)行了含沙量為5kg/m3條件下，泥沙絮凝與無(wú)絮凝下沉降試驗(yàn)。 根據(jù)已有研究成果［8，13］，無(wú)絮凝工況是通過(guò)添加分散劑六偏磷酸鈉試劑進(jìn)行處理。 隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，絮凝工況下（未添加分散劑），沉降管中泥沙溶液可形成清晰的清渾分界面， 沉降管底部泥沙沉積厚度增加較快； 無(wú)絮凝工況下 （添加分散劑），沉降管中水體并未出現(xiàn)分界面，且底部沉積層厚度增加速度較慢。試驗(yàn)開(kāi)始后約2h，絮凝工況下沉降管中泥沙已基本沉降至底部， 而無(wú)絮凝工況下沉降管依然保持渾濁狀態(tài)，無(wú)法完全沉降。

3.2 含沙量對(duì)絮凝沉降的影響

對(duì)比含沙量為1，3，5kg/m3工況下的試制沉降筒中不同深度的沉速隨時(shí)間變化， 發(fā)現(xiàn)各工況下不同深度處斷面， 黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降速度均呈現(xiàn)增大—減小—再增大—再減小的過(guò)程。這說(shuō)明，鄱陽(yáng)湖黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降過(guò)程應(yīng)該是包括了分選沉降、絮凝沉降及絮凝平衡等不同過(guò)程，在分選沉降和絮凝沉降階段均會(huì)出現(xiàn)沉速先增大再減小的過(guò)程，而分選沉降時(shí)間較短，本次試驗(yàn)中小于20min，絮凝沉降階段較長(zhǎng)，一般在70min左右，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至90min以后，絮凝沉降速度已經(jīng)較小，接近絮凝平衡階段。 對(duì)于絮凝沉降階段而言，從沉降變化來(lái)區(qū)分，可進(jìn)一步分為絮凝加速過(guò)程（沉速增大）和絮凝減速過(guò)程（沉速減小）。

含沙量的不同，對(duì)于絮凝沉降過(guò)程的影響較大，首先體現(xiàn)在絮凝加速和減速階段持續(xù)的時(shí)間有所差異。 含沙量為1kg/m3時(shí)，絮凝沉降階段中的加速過(guò)程持續(xù)時(shí)間僅為10min，含沙量為3，5kg/m3時(shí)，絮凝加速階段持續(xù)時(shí)間均達(dá)到30min；含沙量越大，對(duì)絮凝的影響越大，但其變化在含沙量從1kg/m3到3kg/m3時(shí)變化最大，而3kg/m3到5kg/m3時(shí)變化已經(jīng)較小。

其次， 對(duì)比自制沉降筒中不同斷面處沉速隨含沙量的變化可知，在試驗(yàn)工況所給的含沙量范圍內(nèi)，各固定斷面沉速均隨含沙量增大而增大， 尤其在分選沉降階段更為明顯。 這主要由于在該階段含沙量增大時(shí)，渾水重度增加，黏滯系數(shù)變大，泥沙顆粒下沉引起上升水流影響更加顯著［14］，實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中受試驗(yàn)方法限制無(wú)法實(shí)時(shí)測(cè)量沉速變化，10min進(jìn)行測(cè)量時(shí)，1kg/m3情況下粗顆粒泥沙已經(jīng)沉降至箱底而相同粒徑泥沙在3、5kg/m3情況下還在下沉，因此表現(xiàn)為含沙量越大沉速越大。從絮凝沉降階段來(lái)看，不同含沙量相比，含沙量由1kg/m3增加為3kg/m3時(shí)，各斷面沉速增加明顯， 泥沙絮凝沉速隨含沙量增加而增加；含沙量由3kg/m3增加為5kg/m3時(shí)，各斷面絮凝階段沉速變化不大， 含沙量變化對(duì)泥沙絮凝沉速的影響已不明顯。這說(shuō)明，含沙量的不同對(duì)絮凝沉降的影響存在臨界現(xiàn)象，當(dāng)含沙量在3～5kg/m3區(qū)間，其對(duì)絮凝的阻滯作用逐漸加大， 與對(duì)絮凝的加速作用有所抵消。

綜上所述， 含沙量大小對(duì)于鄱陽(yáng)湖黏性細(xì)顆粒泥沙的沉降具有重要影響， 這與前人的認(rèn)識(shí)基本一致。 由于天然條件下鄱陽(yáng)湖湖區(qū)沖淤不大， 來(lái)沙偏細(xì)，近年來(lái)其含沙量的最大值，湖區(qū)小于0.7kg/m3，5河尾閭處小于1.25kg/m3，均在本次試驗(yàn)0～3kg/m3的范圍內(nèi)，這說(shuō)明，鄱陽(yáng)湖水體實(shí)際含沙量的大小對(duì)黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降的影響為隨含沙量增大， 絮凝沉速增大，主要體現(xiàn)了對(duì)絮凝沉降的加速作用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)室內(nèi)靜水沉降試驗(yàn)，對(duì)鄱陽(yáng)湖黏性細(xì)顆粒泥沙的絮凝現(xiàn)象及含沙量對(duì)絮凝沉降的影響進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

（1）鄱陽(yáng)湖黏性細(xì)顆粒泥沙存在絮凝現(xiàn)象，從0.5kg/m3到5kg/m3時(shí)，含沙量越大，絮團(tuán)數(shù)量更多，聚集程度越高。

（2）含沙量的大小對(duì)鄱陽(yáng)湖黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降具有重要影響，主要體現(xiàn)在含沙量越大，絮凝沉降的加速階段持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。

（3）含沙量不同對(duì)絮凝沉速的影響存在臨界現(xiàn)象。 中低含沙量時(shí)（0～3kg/m3）絮凝沉速隨含沙量增加而增加，較高含沙量時(shí)（3～5kg/m3）對(duì)絮凝沉速的影響已不明顯。