长江口北槽黏性细颗粒泥沙特性的试验研究

杨 扬,庞重光,金 鹰,周晶晶

(1.中国科学院海洋研究所,山东 青岛266071;2.中国科学院 海洋环流与波动重点试验室,山东 青岛266071;3.中国科学院研究生院,北京100049;4.河海大学交通学院,海洋学院,江苏南京210098)

长江口是长江注入东海的入海口,自徐六泾以下经过三级分汊,形成了四个入海通道。崇明岛将长江口分为南支和北支;长兴岛和横沙岛又将南支分为南港和北港;南港又进一步被九段沙分为南槽和北槽。长江口水动力情况复杂,径流、潮汐、波浪及沿岸流作用都较强烈,口外还受上升流影响[1],水流基本呈现往复流性质,涨潮时间短,落潮时间长。悬沙过程复杂,存在不同尺度的变化周期,浓度主要受潮流控制,波浪同时影响着泥沙浓度和水位,泥沙浓度的高峰值出现在涨急时,低谷值出现在落潮后2 h左右,此时流速最小[2]。长江口作为中国航运的主要航道之一,其河道的演变特征、泥沙的冲淤变化严重影响着港口、航道的建设和治理。作者选取长江口北槽 (东经 121°59′58″,北纬 31°14′57″)黏性细颗粒泥沙,通过颗粒分析、静水沉降、动水沉降等各种试验手段分析其基本特性,得出最佳絮凝盐度以及各种流速、盐度等条件下的起动流速、不淤流速、沉降流速等特征值,分析落淤情况,这对航道的疏浚、整治均具有一定的理论指导意义。

1 试验仪器与方法

1.1 静水沉降分析法

无论是清水沉降还是混匀沉降,都是通过测定不同粒径泥沙的沉降速度来确定其粒径大小。作者选用的长江口北槽黏性细颗粒泥沙的中值粒径为0.032 2 mm(详见后面颗粒分析),小于0.1 mm,根据中国水文测验手册(第二册),可采用斯托克斯公式进行一系列的计算。

试验的主要仪器为粒径计,内径4 cm长103 cm的底端逐渐收缩至内径为0.8 cm的内壁光滑、内径均匀的玻璃管。此外,还有加沙器、接沙杯、放淤杯、天平、比重瓶、温度计、分沙器、洗筛、烘箱等。

1.2 动水沉降分析法

模拟实际河口的水流,由于实际工程应用中,水流不可能静止不动,而且直槽模拟无限长的水流,会破坏絮团,因此用环形水槽代替直槽能够起到很好的效果,并且在以往的研究中证实用环形水槽研究泥沙的特性切实可行[3]。

动水沉降试验在环形水槽中完成,其结构如图1所示。它由上、下盘及驱动控制系统三部分组成。下盘为一外径150 cm、内径108 cm、槽宽21 cm、槽深45 cm的有机玻璃环槽,上盘为一有机玻璃环片覆盖在下槽水面上,高度可任意调节以控制水深。上下盘相向运动,在切力作用下产生水流。由于水槽的曲率,会出现横向副流,但通过对上下盘转速比的合理调配,可使副流基本消失,槽内流场基本均匀。另外,在下盘槽壁设有多个取样孔,以便在需要时在不同水深处取得浑水样品,用来测定随时间与水深不同,含沙量的变化情况。

利用环形水槽,用各种不同条件的泥沙,水介质等就可分析出不同条件下的不同泥沙的水力特性,分析各种条件下泥沙和淤积量关系。

图1 环形水槽结构示意图Fig.1 Structure sketch of ring-shaped channel

2 静水沉降试验结果与分析

2.1 颗粒分析(粒径计法)

对于较细颗粒的泥沙通过颗粒分析来近似地确定泥沙的粒径。对沙样进行预处理后,在相同条件下做不同组次的静水沉降试验,测得原状沙的平均中值粒径()为0.032 2 mm。粒配曲线见图2(D为泥沙粒径,P为小于某粒径质量)。

图2 长江口北槽原状沙粒配曲线Fig.2 Grain size distribution curve of the Yangtze River estuary

将同样的沙样通过NSY-3宽域粒度分析仪进行颗粒分析试验,对粒径计法所得结果进行验证,基本一致。在原状沙中采用混匀沉降法分选出粒径小于0.02 mm的分选沙作为后续试验的试验用沙,分选沙的中值粒径通过粒径分析可确定为0.005 7 mm。

2.2 静水沉降试验

2.2.1 试验目的

黏性细颗粒泥沙一般并不是以单颗粒的形式存在,往往同附近其它大量的颗粒结合在一起,产生絮凝[4],影响絮凝沉降的因素包括盐度、泥沙粒径、矿物质组成、有机质、水流紊动等[5,6]。在含沙量、温度和粒径一定的条件下,通过对长江口北槽黏性细颗粒泥沙在不同盐度的海水中沉降试验的观察分析,确定其最佳絮凝盐度,为动水沉降试验提供盐度依据,从而可以分析黏性细颗粒泥沙沉降的速度以及淤积的程度。试验中主要考虑盐度、粒度大小、有机质、矿物特性这几个方面对絮凝的影响。

2.2.2 试验材料与条件

2.2.2.1 预处理

在沙样中加入双氧水和六偏磷酸钠,目的是去除沙样中的有机质和对沙样进行分散处理,使黏性颗粒分散为单颗粒,静置过夜后次日再进行5 min的超声波分散。

2.2.2.2 配制人工海水

絮凝受阳离子影响很大,海水中主要有Na+,K+,Ca2+,Mg2+等阳离子。若只用一般的NaCl溶液或用买的食盐,由于缺少二价阳离子,不可能模拟现场海水;若用标准海水,则价格昂贵。根据以往经验,用标准海水和Subow人工海水进行过多次絮凝沉降试验比较,结果一致,从经济条件出发,做絮凝研究可用Subow人工海水[7]。

表1 Subow的海水配方(1 000 mL)Tab.1 Composition of artificial sea water(1 000 mL)

2.2.2.3 试验条件

试验温度为当时实验室的室内温度18℃,静水沉降试验中含沙量均选取为1.5 kg/m3,这是因为含沙量太大,水体过于浑浊,不易观察试验现象,含沙量过小,絮团量减小,试验现象不明显。

2.2.3 试验结果及分析

2.2.3.1 盐度对絮凝的影响

盐度对黏性细颗粒泥沙絮凝沉降作用的影响是黏性细颗粒泥沙研究的首要内容之一,对黏性细颗粒泥沙的静水和动水絮凝沉降试验均显示,在淡水环境中泥沙基本不发生絮凝沉降,其沉降也十分缓慢,一旦加入盐,即发生迅速的絮凝沉降[8]。

选用不同粒径组别的长江口北槽黏性细颗粒泥沙的原状沙和分选沙在不同盐度的人工海水中进行12组静水沉降试验,分析不同盐度下各组别泥沙形成絮团的中值粒径的变化规律,如图3所示。

图3 絮凝中值粒径与含盐度关系Fig.3 Median diameter of sediment VS.salinity

从图3中可以发现在含盐量较小时,随着盐度的增大,絮凝作用增强,但当盐度增大到一定值后,盐度的增加不会进一步促进絮凝,反而有可能起到微小的絮散作用。盐度对泥沙絮凝的影响前人已经做了较多研究分析并取得了一定的成果,认为长江口黏性细颗粒泥沙在盐度为3时开始出现絮凝加速过程,并在13左右絮凝沉降速度最快,即长江口泥沙的最佳絮凝盐度为13左右,盐度达20左右时絮凝程度趋于稳定[7,9～11]。从本次试验的结果可以看出无论是原状沙还是分选沙,它们最佳絮凝盐度都发生在盐度约为15的时候,在15以前曲线逐渐上升,之后呈下降趋势,盐度为22时絮凝程度逐渐稳定。这与前人结果基本吻合。

2.2.3.2 粒度大小对絮凝的影响

悬浮在水中的黏性细颗粒泥沙表面会发生各种物理化学作用,颗粒比表面积间接地反映了颗粒受到的物理化学作用与重力作用的相对大小。

比较长江口北槽黏性细颗粒泥沙的原状沙、分选沙的静水沉降试验结果:原状沙的D50=0.032 2 mm,絮凝后絮团的;而分选沙的D50=0.005 7 mm,絮凝后絮团的,比絮凝前增加了约6倍,絮凝程度强烈。这一现象可能是由于分选沙粒径小,比表面积大,表面负电荷比原状沙多,其吸附介质溶液中阳离子的能力也比原状沙要强得多,絮凝起来也就比原状沙容易得多的原因。可见泥沙粒径的大小对泥沙絮凝影响明显,泥沙颗粒越细絮凝现象就越明显。

金鹰等[8]在盐度为10的人工海水中作沉降试验得出粒径大于0.03 mm的泥沙絮凝作用不显著,絮凝量也很小,与张志忠[5]提出的长江口泥沙絮凝临界粒径约为0.03 mm这一说法吻合,而时钟[12]的观点却认为产生絮凝的最小悬沙粒径是0.030 mm,当粒径处于0.01～0.03 mm时,絮凝作用是很微弱的。本次试验中原状沙中值粒径恰好为絮凝临界粒径,但还是有絮凝现象发生,但程度不大;分选沙的中值粒径很小,甚至小于0.01 mm,然而其絮凝程度强烈,这一结果基本与金鹰等和张志忠的结果一致,与时钟的观点正好相反。

2.2.3.3 有机质含量对泥沙絮凝的影响

在河口地区,相当多的泥沙颗粒上吸附了有机物,有机物在絮凝过程中起着重要作用。用同一组粒径的长江口北槽黏性细颗粒泥沙分选沙,取去除有机质(加双氧水处理)和未去除有机质两种泥沙在清水和同一盐度(最佳絮凝盐度15)人工海水中分别做静水沉降试验,结果如表2所示。

表2 有机质对泥沙絮凝的影响Tab.2 Median diameter of sediment with and without organic matter

不难看出,去除有机质絮团中值粒径较未去除的大,从而导致其絮凝沉降量的增加。这是因为有机质是网状结构,它使一些细颗粒成团,在加双氧水去除有机质后,其网状结构被破坏,就恢复其单颗粒,粒径变细,在盐水中絮团就增大,絮凝沉降量也随之增大[8]。且去除有机质后,细颗粒泥沙絮凝的最佳电解质浓度降低;对于相同电解质浓度,其絮凝沉降加快,沉降量明显增大。

2.2.3.4 黏土矿物对絮凝的影响

选用颗粒粒径小于0.01 mm的皂土和高岭土为原料,经过颗粒分析试验,结果如表3所示。

表3 絮凝前后黏土矿物中值粒径对比Tab.3 Median diameter of clay minerals before and after flocculation

由于两种黏土矿物的化学特性不同,导致它们在盐水中絮凝沉降也各异,2∶1型的皂土比1∶1型的高岭土更容易发生絮凝,且絮凝强度也较大。原因是前者在四面体和八面体层间存在水介质,皂土中的Si—O和Al—(O,OH)化学键在水介质中会发生断裂,造成端面破键,而后者在层间没有水,结构非常紧密,键不容易发生断裂,因此发生絮凝的程度不如皂土那么大。

3 动水沉降试验

对于某一流速,占初始悬沙总量一定比值的泥沙总处于悬浮状态,根据这一特性,利用环形水槽试验得到不同盐度、不同水流条件下泥沙平衡浓度、不淤流速、起动流速等泥沙水力特性,从而分析各种条件下泥沙和淤积量的关系。

3.1 试验条件

选取长江口北槽黏性细颗粒泥沙的最佳絮凝盐度为动水沉降试验的盐度条件,试验水温为22℃。另外,为了更好地说明其特性,还做了一组清水试验进行对比。在环形水槽中加入原状沙,水槽水深取为20 cm,根据历史实测资料[13],长江口北槽大潮平均含沙量约为1.30 kg/m3,因此结合实测资料将试验含沙量选为1.48 kg/m3,这样就使试验结果具有一定的实际指导意义。

3.2 试验结果分析比较

3.2.1 起动流速

开启高速(1 m/s)运转水槽,打散絮团使水沙混合均匀,然后使泥沙在静止水槽中沉降6 d,测得起动流速约为20 cm/s。当流速U0=10～15 cm/s时,环形水槽内有少部分泥沙有微小运动,有少量烟云;当流速U0=20 cm/s时,泥沙基本全面起动,水变浑。而泥沙在沉降了1 d左右后其起动流速为15 cm/s。清水中,试验结果与盐水基本一致,沉降2 d测得的起动流速为15 cm/s。结果表明,泥沙的起动流速与固结程度密切相关;沉积时间短,即固结程度低,泥沙的起动流速便小。长江口主要受潮流、径流水动力条件的控制,近底层剪切水流流速很小(即息流)持续时间较短,因此泥沙的沉积时间短,固结程度低,泥沙很易被再悬浮,从而形成长江口的最大浑浊带。

3.2.2 水流挟沙力

在下盘槽壁多个取样孔中,选取上、中、下三层于不同水深处取得浑水样品,测得含沙量,将三者的平均值作为瞬时断面平均含沙量。在不同流速作用下,C(瞬时断面平均含沙量)/C0(初始断面平均含沙量)随时间t的变化特性如图4所示。

图4 相对含沙量随时间的变化规律Fig.4 Variation of relative sediment concentration under different current cross-section averaged velocities

如图4所示,水流的流速越小,即水流高速开启流速与试验流速的差值越大,悬浮泥沙的初始沉降速度越大,而且盐水中由于絮凝的影响沉速更大;虽然流速的减小是均匀的,然而泥沙初始沉降速度的变化并不完全同步,表明它们之间具有较为复杂的非线性关系;初始沉速对流速从20～10 cm/s的变化敏感,而对流速从40～30 cm/s的变化几乎不响应。

水流挟沙力S＊是反映河道水流在一定水流、泥沙综合条件下所能携带“泥沙”的能力。河流动力学[14]中将其定义为:一定水流与泥沙条件下,河流处于不冲不淤临界状态时,单位水体所能挟带的泥沙质量的平均值,单位kg/m3。据此作者可将不同流速下平衡时刻(含沙量随时间几乎无变化)的泥沙量近似认为是S＊,绘制S＊～U0的关系曲线图,并进行趋势拟合,得到挟沙力、流速之间的简单经验关系式如下:

盐水中:S＊=2.145 5U0+0.107;

清水中:S＊=1.661 1U0+0.429 3

关系式表明,挟沙力随流速的加大而增强,且在盐水中增加更快(盐水中,斜率大);在盐水中,由于絮凝作用增加了泥沙颗粒的粒径,所以同样流速条件下,水流的挟沙力小于清水(清水中,截距大)。

3.2.3 不淤流速

泥沙落淤情况与不同流速的关系见图5。

图5 不同流速条件下的淤积百分比Fig.5 Sediment deposition percentages in different current cross-section averaged velocities

由图5可以看出,当流速大于60 cm/s时,淤积量与初始沙量的比值均小于0.10,对于不淤流速的确定,标准不一,本文选取淤积百分比为10%时的断面流速为不淤流速,所以得出无论是清水还是盐水,样品的不淤流速均为60 cm/s,流速大于60 cm/s时,细颗粒泥沙已处于动态平衡,沉降的悬沙和上扬的底沙互相补给,处于平衡状态。从图5还可看出,在盐水中由于盐度的影响使得最终的淤积量要大于清水。随水流速度的减小,盐度对泥沙的动水沉降的影响也逐渐增大;盐度对泥沙沉降特性的影响程度也随流速的减小而逐渐呈现出来。

3.2.4 沉降速度

根据平衡时刻最终的泥沙淤积量、沉降时间以及环形水槽的基本参数等可粗略地计算出悬浮泥沙的时间平均沉降速度。将不同流速条件下的沉降速度通过曲线拟合的方法可得到简易的用于计算不同流速条件下泥沙沉降速度的公式,如图6所示。

图6 不同流速条件下的泥沙沉降速度Fig.6 Sediment settling velocity in different current cross-section averaged velocities

在水流作用下,沉速随着流速的增大而减小。流速大小不仅影响底质的冲刷程度,也影响了浑水中泥沙絮团的形成与稳定性。大流速尽管增加了泥沙的碰撞机率,但也极易破坏已形成了的絮团。只有在较小流速作用下不仅底质的冲刷减少,泥沙也容易通过碰撞形成较大絮团,且不致被破坏,从而加速了落淤。

由于时间所限,试验组次较少,但由此公式计算出的流速为零时的静水沉降速度为5.15×10-5m/s(盐水中)、3.94×10-5m/s(清水中);而由斯托克斯公式计算得出的结果分别为4.5×10-5m/s(盐水中)、3.3×10-5m/s(清水中),二者相差不大。表明此公式具有一定的可信度,可用来粗略地估算不同盐度、流速条件下的泥沙沉降速度,进而估算泥沙的淤积量,这对航道的疏浚、整治均有一定的实际指导意义。

4 结论

长江口北槽黏性细颗粒泥沙的沉降机理除了可以从其动力条件进行分析,絮凝也是其演变的另一重要方面。本文通过颗粒分析、静水沉降、动水沉降等各种试验手段了解了长江口北槽黏性细颗粒泥沙的基本特性,主要结论如下:(1)长江口北槽黏性细颗粒泥沙原状沙中值粒径为0.032 2 mm。(2)通过不同盐度条件下静水沉降试验分析得出:在低盐度范围内,随着盐度增大,泥沙絮凝程度也增大;但在高盐度范围内,随着盐度增大,絮凝程度有减小的趋势。长江口北槽黏性细颗粒泥沙的最佳絮凝盐度在15左右。(3)采用长江口北槽黏性细颗粒泥沙,使其在盐度15的人工海水中充分混匀。沉降1 d后测得泥沙的起动流速为15 cm/s,而沉降6 d后为20 cm/s;而在清水中沉降2 d测得的起动流速为15 cm/s。故其起动流速在15～20 cm/s,进而说明了起动流速与泥沙的淤积固结时间有密切联系。(4)挟沙力、流速之间的简单经验关系式表明,挟沙力随流速的加大而增强,且在盐水中增加更快;在同样流速条件下,盐水水流的挟沙力小于清水。动水沉降试验表明,悬浮泥沙的沉速随流速的增加而减小;采用试验得出的经验公式可估算不同盐度、流速条件下的泥沙沉降速度,进而估算泥沙的淤积量。(5)由数据分析得出长江口北槽黏性细颗粒泥沙的不淤流速为60 cm/s,在盐度为15的条件下,当流速率定为10 cm/s时,其淤积百分比达88.89%,随着流速增大,淤积量逐渐减小,当流速达到 60 cm/s时,经过 60～70 min,淤积百分比仅为8.64%。此时,淤积很少,沉降的悬沙和上扬的底沙互相补给,近似动态平衡状态。

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