黏性泥沙絮凝研究现状与进展

李 杰，杨文俊，景思雨，陈 越

(1.长江科学院 河流研究所，武汉 430010；2.长江科学院，武汉 430010； 3.河海大学 水利水电学院，南京 210098)

1 研究背景

黏性泥沙颗粒在布朗运动、差速沉降、紊动剪切3种物理机制作用下聚集成团的过程称为絮凝。泥沙颗粒的絮凝过程与水动力学特征、矿物组成成分、悬浮颗粒浓度、水体周围环境等因素息息相关[1-6]。絮凝沉降会改变泥沙输移规律，使得大量的细颗粒泥沙淤积，从而改变河口、海岸、航道的地貌特征[7-8]。因此，清晰认识泥沙絮凝的机理对河湖海岸保护、航道疏浚、悬移质泥沙沉降输移和污染物迁移的研究具有重要意义。

在微生物絮凝领域，微藻自絮凝概念最早由Golueke等[9]提出，Ummalyma等[10]进一步研究了微藻自絮凝效率对PH值的响应。微生物絮凝效率还与细菌浓度及其分泌的细胞外多糖(Exopoly Saccharides，EPS)有关[11]。对比分析生物絮凝、电絮凝、化学絮凝的絮凝效率可为微藻收集选择最优方法[12]。在疏浚领域，由于疏浚底泥含水率高且包含会造成二次污染的污染物。因此，许多研究通过复配絮凝剂使得疏浚底泥脱水及絮凝沉降效率最高[13-15]。在污水治理领域，由于排放污水未经净化以及排放污水量剧增导致净化不彻底，需研究高效污水处理方法。不仅要研究厌氧-缺氧-好氧(AAO)工艺和絮凝沉淀混合工艺对废水的处理效果[16]，也要研究有机高分子絮凝剂、无机絮凝剂、微生物絮凝剂等不同性质絮凝剂对水体的净化效果[17]。结果表明微生物絮凝剂相对其他絮凝剂在净化水体过程中效率高、成本低，产生二次污染较少。综上，在选矿[18]、污废水处理等方面主要研究絮凝剂及助凝剂对细颗粒介质及污染物絮凝沉降的效果。

尽管化工、污废水处理、微生物絮凝等领域与泥沙絮凝的絮凝原理相同，但是前者注重于絮凝剂的絮凝效率研究，通过研发高效絮凝剂促进絮凝来达到矿物分选、污水治理、缩短絮凝时间、降低成本等目的。后者在天然情况中影响因素复杂，且泥沙絮团具有微小易碎的特点，以及缺乏精确测量泥沙絮凝沉降的设备，导致对泥沙絮团特性的分析还存在一定困难。研究絮凝机理，清晰泥沙淤积演变规律，减少污染物二次排放，可达到延长水库、航道使用寿命的目的。目前国内外学者设计了许多泥沙絮凝沉降的测量装置，并结合室内试验、数值模拟及现场观测等手段开展了大量有关泥沙絮凝沉降机理的研究。本文在对已有的泥沙絮团测量装置、研究方法和研究成果总结的基础上，分析已有研究存在的不足，对进一步泥沙絮凝研究作出展望。

2 试验设备及方法

随着室内试验、现场观测及数值模拟等手段使用的装置及方法改进，泥沙絮凝形成机理得到更加广泛和深入研究。

2.1 现场实验

现场观测主要采用一种安装在河床上可实时测量泥沙絮团的原位沉速仪(In Situ Settling Velocity Instrument，INSSEV)观测絮团，该装置由取样装置、沉降柱以及水下摄影记录系统构成。将仪器放在河床底部，打开上室捕捉样品，使样品自由沉降到下室，通过水下摄像机测量的絮团尺寸和沉速来估计絮团的有效密度和质量[19]。也有学者[20-22]在不干扰絮团的情况下，用LISST-100 X型激光原位散射透射仪测量原位絮凝物粒度分布、悬沙粒径及体积浓度。该仪器基本原理是向水体中发射激光束，激光经水体悬浮颗粒散射吸收后被环形探测器记录和储存，结合Mie散射理论反推散射数据，获取水中颗粒物体积浓度和颗粒粒径分布。结果表明，LISST-100 X能够较好地获得颗粒粒度及体积分布，但是不能测量高悬沙浓度下的泥沙粒径。

在三峡库区絮凝泥沙的临界粒径测量试验[23]和长江中下游河段黏性细颗粒泥沙絮凝研究[24]中，采用声学多普勒流速仪(Acoustic Doppler Velocimetry，ADV)和声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)测量流速，通过泥沙采样法获取含沙量。根据泥沙扩散理论和Stokes沉速公式计算沉速和絮团粒径。该方法不足之处有两点：①泥沙采样计算含沙量的过程会破坏絮团结构；②泥沙絮团存在大量充满水和有机质的孔隙，采用stokes公式反算絮团粒径只能近似得到原始状态的絮团粒径。

2.2 室内研究

为研究黏性细颗粒泥沙絮凝机理，一系列模拟紊流作用下泥沙絮凝的室内实验装置应运而生，目前常用的实验装置简图见图1。Huang等[25]在Couette-type絮凝器中研究水流剪切对絮团形成的影响，并在disk-type絮凝器中研究差速沉降对絮团形成的影响。在絮凝试验中使用的仪器装置还有各型号的玻璃沉降筒[26-29]。上述仪器均需用移液管获取絮团，再使用粒度仪测定絮团级配，由浑清交界面高度随时间变化过程推算流速。移液管取样过程中会造成絮团破坏而不能得到准确的信息。

图1 试验常见装置简图Fig.1 Schematic diagram of common experimental device

鉴于非原位观测易造成絮体破坏，一些原位观测泥沙絮凝的仪器及手段得以应用[6,30-34]。王军[30]设计了一种由多层格栅振动产生各向均匀紊流的实验装置，细颗粒泥沙在紊流作用下相互碰撞粘结形成絮团，用高速相机连续拍摄絮团图片并传输至电脑，结合基于MATLAB的粒子追踪测速(PTV)程序[32]处理图片获取絮团颗粒大小和沉速，或使用开源图像分析软件Image J软件[33-34]进行图像粒子提取分析。为了对生物膜、有机质作用下产生絮团的微观结构进行分析，结合电镜扫描技术[34-37]获取絮体的电镜图，从而计算孔隙形态参数，分析有机质、微生物代谢物质对絮团形成的影响。利用该方法可以较好地对絮团进行原位观测，同时还能研究泥沙絮凝的影响因素，不足之处在于高浓度水体会影响图片清晰度，从而影响絮团分析。

2.3 数值模拟

在天然河道水流中有机质、电解质、水流紊动等因素同时存在，而这些因素又会影响泥沙絮凝。受分析手段限制，利用室内试验模拟天然河道时，考虑所有影响因素在内的泥沙絮凝研究存在困难。为了解不同影响因素对泥沙絮凝的影响程度，基于MATLAB平台编程，建立了1 m×1 m×2.5 m的三维模拟区域，并以分形聚集生长模型为基础，研究了考虑布朗运动、重力及紊流作用下的泥沙絮凝发育特点[38]。黄忠钊等[39]提出了改进的聚合模型模拟颗粒间分形机理，结果表明初始颗粒数量、絮团粒径分布、最大分形维数出现时间均会随分形维数的变化而变化。王龙等[40]引用无参数可解性的斯托克斯动力学方程，并将扩展的德亚盖因-兰多-弗韦-奥弗比克(Extended Derjaguin Landau Verwey Overbeek，XDLVO)理论作为颗粒间的物理化学模型，分析盐度对泥沙颗粒聚集的影响。不同紊动条件对泥沙絮凝发育影响则建立三维格子玻尔兹曼数学模型实现[41]。在三维格子玻尔兹曼模型基础上，引入XDLVO理论描述颗粒间作用力，并模拟差速沉降下的泥沙颗粒絮凝过程，分析不同矿物成分对絮凝影响[42]。

上述数值模型中，分形聚集生长模型提出过多假设将天然河道理想化，并且仅模拟单个因素作用下的泥沙絮凝，不能完全反映天然絮凝。XDLVO理论可以直接模拟多粒度、多组分的混合物的絮凝，格子玻尔兹曼模型可以求解颗粒与流体全尺度作用问题，还能较好模拟颗粒间受力情况，但是颗粒运动路径受限于格子网格线方向，自由度受到极大限制。

采用数学模型模拟天然河道环境能够较好地分析絮凝规律，但是对计算机性能要求高。目前的数学模型也不能完全模拟天然河道中各絮凝影响因素相互作用及其随周边环境变化情况，因此需要进一步探究更合适的数学模型，并与室内试验和现场观测结果对比研究。

3 研究成果

综上，尽管不同研究者运用的试验手段各有不同，但是在紊动剪切率、盐度、矿物组成、悬沙浓度、有机质、离子浓度等因素作用下，对泥沙絮团沉速、大小、分形维数等参数变化规律有一定共性认识。研究成果统计见表1。

表1 絮凝成果统计Table 1 Statistics of flocculation research results

天然河道、水库水体并非静止不动，因此，国内外学者开展了大量关于水流紊动作用下的泥沙絮凝试验。研究表明，水流紊动作用可以增大颗粒间的碰撞频率，从而加快泥沙聚集成团，同时产生的强剪切力也会剪切破坏大而疏松的泥沙絮团。Winterwerp等[46]对比利时Scheldt河的絮团沉速进行现场观测；郭超等[24]在洪枯季观测长江中下游河段的絮团粒径及体积浓度，指出流速<1 m/s时，随着流速增加会促进絮凝形成；还指出颗粒粗细会影响絮凝程度，颗粒越细的泥沙絮凝程度越高。柴朝晖等[38]在MATLAB平台上进行的絮凝数值模拟研究表明，紊流作用下的黏性泥沙絮凝沉降速度和平均絮团粒径变化可分为加速、等速和减速3个阶段。絮团分形维数在模拟区域下部最大，中部最小，并随紊动增加呈现先增大后趋于稳定的规律，随絮凝试验时间的增加呈现先增后减规律。Safak等[20]提出近床处的强紊动会导致大絮团破裂。三维格子玻尔兹曼模型研究紊动剪切强度对泥沙絮团影响[41]表明，絮团生成时间随紊动剪切率的增加而先减后增。临界紊动剪切率为200 s-1，与Winterwerp等[46]在Tamar河口现场测定的临界剪切应力0.2 N/m2换算后一致。综上所述，以往研究多为紊动对絮团发育的定性分析，指出紊动剪切率对絮团发育的影响具有双面性。关于紊动内部结构与絮团特性的定量分析还略显不足。因此，紊动对絮凝影响还需进一步研究。

在黏性泥沙集中区域形成的絮团粒径可达300 μm，表明絮团粒径与悬浮泥沙浓度相关，悬沙浓度的增加促进颗粒间碰撞形成大絮团[20]。Chen等[47]根据等效周长和等效面积与最大长度的关系获取一维分形维数(式(1))和二维分形维数(式(2))来表征絮团结构几何分形特征，并指出分形维数会随着泥沙浓度的增加而增加。

P～lD1；

(1)

A～lD2。

(2)

式中：P为等效周长；A为等效面积；l为最大长度；D1为一维分形维数；D2为二维分形维数。

分形维数与絮团物理性质相关，可表征絮团结构分形特征[48]，Feder[49]由分形维数计算絮团密实度和絮团孔隙率(分别见式(3)和式(4))，Tang等[50]根据孔隙率进一步计算絮团临界拉应力(见式(5))。

(3)

(4)

(5)

式中:λ为絮团密实度；ε为絮团孔隙率；σT为絮团临界拉应力；DF为分形维数；F为絮凝因子；df、d0分别为絮团等效粒径和初始颗粒粒径。

目前，众多学者采用等效面积和等效周长计算不同影响因素作用下的絮团分形维数，对絮团结构的研究也局限于二维结构。为准确了解絮团强度、孔隙率、分形特征、颗粒间搭接方式，需加强三维结构观测和进一步研究絮团分形维数的计算方法。

Lau[51]试验指出温度升高会降低水体黏度而加快颗粒间碰撞，促进絮凝发育，同时也会增加颗粒间排斥力抑制絮凝发育。乔光全等[42]利用引入XDLVO后的三维格子玻尔兹曼模型研究不同矿物泥沙形成絮团的难易程度，得出絮凝发生从易到难依次为伊利土、高岭土、蒙脱土。乔光全等[45]用多层振动格栅进行试验，得出相同紊动条件下，盐水中的絮团体积含量多于淡水。王龙等[40]通过数值模拟方法阐述盐度存在会加快泥沙颗粒絮凝。Xia等[22]在珠江口观测泥沙絮凝发现垂直分层的盐度会促进大絮团形成。汤德意等[26]在疏浚底泥中加入絮凝剂研究淤泥絮凝沉降速率，发现Fe3+、Al3+可以显著改善上清液浊度。造成这一现象原因可能是金属阳离子与泥沙颗粒表面负电荷结合而减小了颗粒间排斥力，促进絮凝沉降。用有机质培养颗粒发现随有机质含量增加，絮团粒径呈现先增大后减小的规律[36]。赵慧明等[37]发现微生物及代谢产物会充斥于颗粒孔隙间桥联颗粒，也会包裹单个颗粒促进絮凝。针对有机质和离子浓度对絮凝的影响程度，相关学者进行了分析[52-53]，他们认为有机质影响程度大于离子浓度，但是同时考虑有机质和离子浓度的研究还相对较少，需要进一步试验加以验证。

现有研究得出各因素影响下的泥沙颗粒絮凝机理主要有以下几点： ①泥沙颗粒表面存在大量负电荷， 根据电荷同性相斥异性相吸原理， 加入不同类型电解质及电解质浓度中和颗粒表面负电荷后可减小颗粒间排斥力， 进一步促进泥沙絮凝[53]； ②生物有机质提供纤维结构， 增强泥沙颗粒间的粘结， 同时有机质也吸附在颗粒表面改变表面电荷， 促进絮凝[36-37，54-55]； ③弱水流紊动促进颗粒相互碰撞形成絮团， 强水流紊动导致絮团破裂， 抑制泥沙絮凝。 当水流紊动减弱时， 破碎的絮团又重新聚集成团。 各因素作用下泥沙颗粒絮凝可由图2直观表示。

图2 絮凝发育示意图Fig.2 Schematic diagram of flocculation development

4 不足与展望

4.1 不 足

尽管对黏性泥沙絮凝研究已经开展许多试验，但是仍然存在一些不足：

(1)取样观测的试验装置会破坏絮团，然而原位观测的试验装置又不能观测高浓度水体絮凝。数值模拟方法也只能模拟小尺度泥沙絮凝。

(2)天然河流泥沙絮凝受多因素共同影响，而上述试验研究多为单因素试验研究。

(3)缺乏絮团结构与水流结构之间的定量分析试验。

(4)絮团特性分析均是基于二维图像，缺少三维絮团研究。

4.2 展 望

针对现有试验存在不足，未来应加强以下几方面的试验研究。

(1)改进现有试验设备，使其能原位观测高浓度水体的絮凝；构建能模拟大尺度、多因素共同影响泥沙絮凝的数值模型。

(2)加强水流紊动、悬沙浓度、温度、盐度等多因素作用下的絮团研究。

(3)加强水流内部结构与絮团特性变化规律的定量研究。例如涡旋大小与絮团大小、分形维数的对应关系。

(4)加强三维絮团结构观测研究。