城镇污物排放对河流泥沙粒度侵蚀作用的分析

史长莹,张宝磊,申　阳,李子晗,代业宁

(1.黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080;2.北京市永定河管理处，北京 100072)



城镇污物排放对河流泥沙粒度侵蚀作用的分析

史长莹1,张宝磊1,申阳2,李子晗1,代业宁1

(1.黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080;2.北京市永定河管理处，北京 100072)

以松花江哈尔滨段为研究对象，以马尔文3000为研究手段，以试验数据结合图形分析为研究核心。给出松花江泥沙分析的现场采样方法，试验参数确定方法和试验分析方法，分别从松花江流经哈尔滨段的上游、中游、下游采样进行颗粒粒度分析，着重分析了微米级颗粒粒度流经城镇后的变化规律和潜在影响。

马尔文3000；泥沙粒度；粒度分析；微米级；松花江

近年来有关污染物对河流的影响研究较多，但在已有的研究中，城市污染物的排放对河流泥沙的粒度侵蚀作用罕有研究。由于试验手段的限制，对于微米级别的粒径难以真实测量；另外大多数学者重点研究污染物种类和降解污染浓度方面[1-4]。泥沙颗粒对岸坡的侵蚀会引起岸坡的不均匀沉降，经过冻融作用加剧了岸坡的破坏，降低稳定系数造成滑落塌陷，造成重大经济损失。目前，国内对泥沙颗粒的分析手段较多，主要有筛分法通过设备筛分称量质量得到级配曲线、显微镜分析通常用带有标尺的格子线来测量颗粒直径、图像分析法测量每个粒子的面积、电阻法测量颗粒体积并计数得到数量-体积平均粒径[5]。由于特征参数取值不同所得到的平均粒径不同，在不同的行业所适用的特征参数也不同。比如在太空中的物体数量是重要的；在贵重金属行业得到颗粒质量是重要的；而在河流泥沙研究方面粒径为1 mm以上用质量特征参数表示，在微米级别的情况下质量参数不在适用取而代之的是体积表示，即等效圆球理论。粒径分析是测量颗粒的某个“一维”特征参数，等效为圆球，再以圆球的直径作为粒径，这样就可用一个数字来表达。运用这种方法对微米级别的颗粒就有一个定量的描述，对分析泥沙颗粒有重要意义。泥沙的演变规律和特性分析对灌溉、水力发电、水库淤积、河道岸坡的侵蚀作用等方面研究意义重大。

图1　马尔文3000激光衍射原理Fig.1　Laser diffraction theory of Malvern MS3000

1　马尔文3000测量原理

光学中的米氏散射理论和弗朗霍夫衍射理论指出[6]，光照射到颗粒时，光的衍射和散射方向能力与光的强度、散射波长和粒径尺度有关。其测量过程为当光照射到颗粒时，由于粒径的大小不同产生的散射光角度不同，在信号接收器上光强度也就不同，使用衍射模型, 通过数学反演的处理,算出结果，叠加的光强度反映出颗粒所占的百分比多少，最后通过计算机转化成为颗粒的分布信息(图1)。

2　试验参数确定

马尔文3000激光粒度分析仪的粒径为2 mm～0.6 nm，由于测量样品的物理、化学性质的差异，测量不同样品时的光学参数是完全不同的，本项研究是以松花江哈尔滨段为研究对象，同时给出松花江哈尔滨段泥沙颗粒研究的相关光学参数，其主要参数有分散时间、搅拌(泵)速度、超声强度、折射率、吸收率、遮光度、快照次数(测量时间)等。

2.1分散

根据样品状态决定使用干法测量还是湿法测量，由于松花江哈尔滨段的微粒较小很难用干法测量，故采用湿法测量。湿法测量时由于微小颗粒的理化性质容易形成絮凝现象[2]，对试验影响很大，传统方法是加入分散剂分散，马尔文3000提供超声波分散。取9组具有代表性的试样分为两组，分别进行对比试验分散后，用马尔文3000分别进行测量，两组数据绝对差值最大的一组数据见表1。由表1可见，其结果非常接近，可用超声波分散代替分散剂分散。

表1　两种处理方法对比(累计百分数)

进行超声波分散时中途不可停止超声波，若未到时间停止溶液中的水分散出来的小颗粒会继续溶解于介质中，导致分散没有效果。另外超声强度不宜过小，起不到分散凝絮作用，过大会分列易碎晶体颗粒，一般取15个位移强度为最佳。

2.2泵速

马尔文3000的搅拌器与泵是配置在一起，设置泵转速是为了仪器测量时，颗粒能均匀分布到介质中，适宜的流速为人眼观察时烧杯内介质与颗粒分布均匀，过大会破坏颗粒结构，产生气泡。过小使分布不均匀测量不准，通过松花江哈尔滨段泥沙颗粒的对比分析，选择2 500～3 000 r/min较适宜，2 860 r/min为最佳转速。

2.3遮光度

遮光度又称光学浓度反映测量时光束中含有样品浓度的参数，其大小与介质中颗粒浓度有关，与颗粒本身大小无关。若数值过高会发生多重衍射，测量结果会偏大。过低会使检测信号不足，导致误差过大。由对比试验得出，随着加入样品遮光度宜控制在10～20。

2.4快照次数

快照次数与测量时间是相互关联的，最佳测量时间与样品的分布宽度和大小有关，分布宽度较大则测量时间相应的延长，哈尔滨段泥沙测量时间宜为2～15 s，快照次数5 000次为最佳，分布宽度用径距(Span)表征其计算方法为[7]：

(1)

式中DV90为累积到90%所对应的粒径；DV50为累积到50%所对应的粒径；DV10为累积到10%所对应的粒径。

2.5吸收率和折射率

每一样物质都有自己相应对光的折射率和吸收率各不行同，用马尔文3000激光粒度仪进行测量时必须知道分散介质的折射率和被测样品的吸收率和折射率。测试样品中分散剂选择蒸馏水折射率为1.33，泥沙颗粒的折射率和吸收率选择1.45和0.1。

以上参数见表2，相关试验时得到的拟合曲线见图2。其加权残差值均小于1%，光能拟合效果良好，参数取值准确可靠。

表2　试验主要参数

图2　光能拟合曲线Fig.2　Light fitting curve

3　试验方法

3.1采样及样品制备

本研究以松花江哈尔滨段河流泥沙为研究对象，由于河段较大，支流较多。为保证试验样品具有足够的代表性，河床质泥沙现场取样采用坑测法[8]，即分别在浅滩布设试坑。沿河流分为3段取样，上游位于四方台松江村设为A采样点，沿断面布设3处试坑，每处试坑取3份试样；中游位于太阳岛附近为B采样点；下游分别在大马家窝棚屯、呼兰河口湿地公园、呼兰区伟光村设为C采样点，9处采样点基本覆盖了松花江哈尔滨段，其中A、B段相距9.2 km，B、C段平均相距27.7 km，保证了分级取样，各处都具有很强的代表性。取样位置平面图见图3。

图3　松花江哈尔滨段取样位置Fig.3　Sampling locations of Songhua River in Harbin

将取自3处断面的泥沙风干后，用蒸馏水充分浸泡并经常搅动，去除表面上的污染物，单独的污染物在颗粒分析时会被认为是小固体颗粒，影响试验数据的准确性。洗沙完毕后烘干将试样过1 mm筛，取1 mm以下颗粒进行粒度分析。

3.2结果与讨论

本试验采用湿法制备进行激光粒度分析实验，测试用时少，一组试样只需3～5 min即可，测量结果见表3。

表3为试验测得河床质泥沙颗粒的粒径值，用体积密度DX表示，每段试验均获得45组试验数据，3段分别取其平均值，选取16个具有代表性的粒度级别进行数据作图分析。以体积密度(%)为纵坐标，粒度分级(μm)为横坐标绘在单对数坐标系中(图4)，绿色曲线表示上游粒度分布，黑色曲线表示中游粒度分布，红色曲线表示下游粒度分布，哈尔滨段河床泥沙颗粒为正态分布。主要粒度集中在100～500 μm，分布宽度变化不大，体积密度主要集中在12%左右，含有少量1～10 μm的粒径，含量小于1%。从曲线变化趋势来看，在上游取样的主要颗粒粒径相对较大且含量较多，下游取样的主要粒径相对最小且含量较少，中游在二者之间，微小颗粒含量从上游到下游含量逐渐增加，曲线的峰值以等差数列减小且向左(粒径减小的方向)移动。

样品累积到10%、50%、90%分别对应的粒径和分布宽度见表4。由表4可见，上游累积粒径DX(10)、 DX(50)、 DX(90)分别为128.7、315.7、548.0 μm，中游累积粒径分别为114.7、206.0、377.0 μm，下游累积粒径分别为53.0、143.7、285.7 μm。沿河段分布宽度逐渐增加。

松花江流经哈尔滨后颗粒粒径发生了变化，且大颗粒减小，小颗粒增多，都有逐渐减小的趋势。其原因可能是综合因素影响的结果，但其中主要因素与松花江水质变化有关，水体酸碱度的改变导致对河流中的泥沙被加剧侵蚀，泥沙颗粒逐渐减小并非益事，颗粒变小水流的携沙量增加，水流将小颗粒的泥沙携带到水库，严重增加水库的淤积程度，同时颗粒变小对岸边的侵蚀作用加强，加剧岸边的破坏，最后将导致水流冲毁岸坡，造成经济损失和人员伤亡。小颗粒还加剧了水体污染，次生富营养化。

表3　试验数据差分表

图4　粒度分布曲线Fig.4　Particle distribution curves

样品位置DX(10)DX(50)DX(90)分布宽度S上游A1A2A31281281303163173145465495491.31.31.3均值A128.7315.7548.01.33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　结　论

1)给出运用马尔文3000分析松花江泥沙颗粒的基本参数，水折射率1.33，颗粒吸收率0.1，颗粒折射率1.45，测量时间为3 min，遮光度控制在10～20，泵速控制在2 500～3 000 r/min最好，超声强度为12，分散时间为2。

2)给出运用马尔文3000分析泥沙颗粒的试验方法，试坑法沿断面处布置试坑，分别取其平均值，使样品具有足够的代表性。

3)分析了松花江哈尔滨段的泥沙颗粒粒径组成，由于河段内酸碱度的变化，导致河流中的泥沙遭受侵蚀加剧，松花江泥沙粒径随时间在减小且小颗粒在逐渐增多。

4)较小的泥沙颗粒会导致水流的携沙量增加，泥沙被携带到水库，会严重增加水库的淤积程度；同时颗粒变小对岸边的侵蚀作用加强，加剧岸边的破坏，最后将导致水流冲毁岸坡，造成经济损失和人员伤亡。

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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

黑龙江省黑龙江干流堤防工程科学研究实验项目(HGZL/KY-13);黑龙江大学研究生创新科研资助项目(YJSCX2016-063HLJU)

史长莹(1964-)，男，河北乐亭人，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