含沙量对湖泊泥沙絮凝沉降特性的影响研究

2022-11-25黄志文邓金运杨春瑞

水科学与工程技术 2022年5期

黄志文，邓金运，杨春瑞

（1 江西省水利科学院，南昌 330029； 2 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072）

黏性细颗粒泥沙是我国湖泊悬沙的主要组成部分，容易产生絮凝沉降，影响湖床冲淤及水环境状况［1-2］。国内外众多学者通过理论分析、数值模拟、原位及室内试验等方法围绕湖泊、河口等区域的黏性细颗粒泥沙的沉降特性开展了大量研究［3-8］，主要涉及泥沙絮凝沉降的临界粒径、沉降过程及影响因素等方面。目前普遍性的认识是，除泥沙粒径之外，黏性细颗粒泥沙的絮凝沉降还与水动力特征、含沙量大小、水体环境等因素息息相关，这其中，含沙量大小是影响沉降速率的关键因素之一。 Safak［9］通过研究发现黏性细颗粒泥沙所形成的絮团尺度和含沙量大小明显相关，随着含沙量的增大，颗粒间碰撞增强将形成更大絮团。杨耀天［10］从宏观方面对细颗粒黏性泥沙絮凝沉降过程进行了试验研究，认为随着含沙量的增大，絮凝沉降速度逐渐减小并趋于稳定。万远扬［8］针对长江口黏性细颗粒泥沙的室内试验研究表明，各因素中含沙量对长江口细颗粒沉降速度影响最大，絮凝沉速随含沙量的增大先增加后减小。黄建维［11］的沉降试验结果也表明，当初始含沙量超过一定程度后，对絮凝的阻滞作用将超过对絮凝的加速作用。上述研究成果中虽然均认可含沙量对黏性细颗粒泥沙絮凝沉降的影响的重要性，但在含沙量大小对絮凝沉降的影响过程和作用程度上的认识尚有一定差异。

1 研究区域及现场取样

鄱阳湖位于江西省北部，长江中游南岸，承纳了赣江、抚河、信江、饶河、修河5大江河（以下简称5河）及博阳河、漳田河、潼津河等小支流区间来水，经调蓄后由湖口注入长江，是一个过水性、吞吐型、季节性湖泊［12］。本次鄱阳湖泥沙现场采样点主要有6处，由北向南依次为屏峰、星子、都昌、吴城、棠荫、康山（图1），主要位于河床浅滩，是湖中悬移质泥沙汛期沉积形成，取样时间为2019年12月。

图1 鄱阳湖湖区及泥沙采样点示意图

将各取样点所取沙样首先通过双氧水进行多次清洗去除有机质［13］，烘干后利用激光粒度仪进行粒度分析，湖区各取样点的泥沙级配差异较小，粒径范围1～120um，中值粒径约在10～30um（0.01～0.03mm）。

2 试验方法与装置

2.1 絮凝沉速计算方法

本次试验中，针对含沙量对泥沙絮凝沉降的影响，主要通过其对泥沙沉速的影响进行分析。不同絮凝阶段泥沙沉速随絮团粒径变化，通过测量不同断面泥沙瞬时沉速变化可以直观反映泥沙沉降阶段变化。泥沙沉速通过麦克劳林公式（累计重量法）计算得到，其基本原理是通过测量不同沉降时间沿水深分布的水体中含沙量的分布情况，利用图积分法，得到不同时刻、不同水深断面处泥沙的瞬时沉速［13］：

式中 ω为泥沙瞬时沉速（mm/s）；h 为水深（mm）；t 为沉降时间（s）；S（z，t）为水深z断面在t时刻含沙量（g/mL）。

2.2 试验装置

室内沉降试验装置为自制沉降筒，装置骨架为钢制，水箱为长方体，高1.5m，长、宽均为0.5m，四面边壁为玻璃钢材质，底面设置开关排水，侧壁布置有取样孔口，如图2。试验前进行了取样方法比选，对比了侧壁孔取样和中心虹吸装置取样，发现虹吸装置取样效果较优，可以防止边壁效应，本文正式试验均采用虹吸装置进行取样。

图2 试验装置示意图

试验过程中还需要用到装置有搅拌器、烘箱、电子天平（精度0.001g）、取样瓶、烧杯、筛子、量筒、玻璃棒、六偏磷酸钠试剂（分散剂）等。试验用水为自来水，盐度为5ppt，与淡水湖水体盐度相近；密度为0.99g/mL，试验过程中，水温为20℃。

2.3 试验方案

试验分为预试验和正式试验两部分。预试验是为了观测鄱阳湖黏性细颗粒泥沙的絮凝沉降现象，同时也为了正式试验确定合适的含沙量范围。该试验采用简易沉降管进行（高1.5m，直径1.5cm）。设置了含沙量从0.5～5kg/m3的4种工况，各工况又分为添加分散剂（抑制絮凝）和未添加分散剂（未抑制絮凝）的对比工况。正式试验方案设定含沙量为1，3，5 kg/m3的3种工况，未添加分散剂。由于鄱阳湖区各取样点沙样级配相近，所有试验均以屏峰取样点的沙样开展试验。

值得说明的是，鄱阳湖悬沙实际含沙量一般在1kg/m3以内，而试验方案中设置了更大的含沙量对比工况，主要考虑到①低含沙量情况下泥沙颗粒碰撞几率大大降低，导致发生絮凝现象所需时间大大增加，试验效率较低；②大风天气时，湖区含沙量将会明显增大，太湖等类似湖区大风天气时的含沙量可达3kg/m3左右［4］；③含沙量对絮凝沉降的影响所需阈值可能相对较大［13］。

表1 试验方案

2.4 试验步骤

2.4.1 沙样处理

将沙样仔细研磨至小块后充分溶于水中，利用1mm孔径筛子初步将体积较大颗粒筛出，以便剔除贝壳类等体积较大的有机物筛出。初步处理之后的沙样静置风干后加少量蒸馏水使之湿润，然后加30%的H2O2，搅拌混匀后盖好表面皿，70℃～80℃水浴加热氧化。期间经常搅拌沙样，待泡沫逐渐消失后，继续滴加H2O2，直至土色变淡，无反应为止。此过程重复两三次。沙样冷却后放入烘箱105℃烘干，磨碎备用。

2.4.2 预试验

按照含沙量的不同制备沙样，将沙样加入简易沉降管，观察沉降现象。

2.4.3 正式试验

进行正式试验时，首先按照含沙量的不同制备沙样并进行预处理；其次，将沙样加入水箱中，加水至指定高度后用搅拌器充分搅拌（40次以上）；稳定后按规定时间将虹吸装置插入规定深度进行取样，共设置水下20，40，60，100cm共5个断面取样点。试验开始后30min内，每10min进行1次取样操作；30min后，每30min进行1次取样操作。单次试验持续时间为300min左右。最后，将所取样品通过烘干后测量取样泥沙质量，计算泥沙沉速。

3 试验结果分析

3.1 泥沙絮凝沉降现象

通过微距摄像的方法，预试验中不同含沙量情况下，随着含沙量的逐渐增加，视野范围内泥沙絮团数量明显增加：0.5kg/m3已产生肉眼可见的半透明絮团，1，3kg/m3情况下絮团数量增多，5kg/m3时絮团数量更加密集。

为对比有无絮凝状态下泥沙沉降的差异，在预试验中进行了含沙量为5kg/m3条件下，泥沙絮凝与无絮凝下沉降试验。根据已有研究成果［8，13］，无絮凝工况是通过添加分散剂六偏磷酸钠试剂进行处理。随着试验的进行，絮凝工况下（未添加分散剂），沉降管中泥沙溶液可形成清晰的清浑分界面，沉降管底部泥沙沉积厚度增加较快；无絮凝工况下（添加分散剂），沉降管中水体并未出现分界面，且底部沉积层厚度增加速度较慢。试验开始后约2h，絮凝工况下沉降管中泥沙已基本沉降至底部，而无絮凝工况下沉降管依然保持浑浊状态，无法完全沉降。

3.2 含沙量对絮凝沉降的影响

对比含沙量为1，3，5kg/m3工况下的试制沉降筒中不同深度的沉速随时间变化，发现各工况下不同深度处断面，黏性细颗粒泥沙絮凝沉降速度均呈现增大—减小—再增大—再减小的过程。这说明，鄱阳湖黏性细颗粒泥沙絮凝沉降过程应该是包括了分选沉降、絮凝沉降及絮凝平衡等不同过程，在分选沉降和絮凝沉降阶段均会出现沉速先增大再减小的过程，而分选沉降时间较短，本次试验中小于20min，絮凝沉降阶段较长，一般在70min左右，当试验进行至90min以后，絮凝沉降速度已经较小，接近絮凝平衡阶段。对于絮凝沉降阶段而言，从沉降变化来区分，可进一步分为絮凝加速过程（沉速增大）和絮凝减速过程（沉速减小）。

含沙量的不同，对于絮凝沉降过程的影响较大，首先体现在絮凝加速和减速阶段持续的时间有所差异。含沙量为1kg/m3时，絮凝沉降阶段中的加速过程持续时间仅为10min，含沙量为3，5kg/m3时，絮凝加速阶段持续时间均达到30min；含沙量越大，对絮凝的影响越大，但其变化在含沙量从1kg/m3到3kg/m3时变化最大，而3kg/m3到5kg/m3时变化已经较小。

其次，对比自制沉降筒中不同断面处沉速随含沙量的变化可知，在试验工况所给的含沙量范围内，各固定断面沉速均随含沙量增大而增大，尤其在分选沉降阶段更为明显。这主要由于在该阶段含沙量增大时，浑水重度增加，黏滞系数变大，泥沙颗粒下沉引起上升水流影响更加显著［14］，实际试验过程中受试验方法限制无法实时测量沉速变化，10min进行测量时，1kg/m3情况下粗颗粒泥沙已经沉降至箱底而相同粒径泥沙在3、5kg/m3情况下还在下沉，因此表现为含沙量越大沉速越大。从絮凝沉降阶段来看，不同含沙量相比，含沙量由1kg/m3增加为3kg/m3时，各断面沉速增加明显，泥沙絮凝沉速随含沙量增加而增加；含沙量由3kg/m3增加为5kg/m3时，各断面絮凝阶段沉速变化不大，含沙量变化对泥沙絮凝沉速的影响已不明显。这说明，含沙量的不同对絮凝沉降的影响存在临界现象，当含沙量在3～5kg/m3区间，其对絮凝的阻滞作用逐渐加大，与对絮凝的加速作用有所抵消。

综上所述，含沙量大小对于鄱阳湖黏性细颗粒泥沙的沉降具有重要影响，这与前人的认识基本一致。由于天然条件下鄱阳湖湖区冲淤不大，来沙偏细，近年来其含沙量的最大值，湖区小于0.7kg/m3，5河尾闾处小于1.25kg/m3，均在本次试验0～3kg/m3的范围内，这说明，鄱阳湖水体实际含沙量的大小对黏性细颗粒泥沙絮凝沉降的影响为随含沙量增大，絮凝沉速增大，主要体现了对絮凝沉降的加速作用。