周蘇芬，黃志文，鄔年華，王志超

（江西省水利科學院，江西 南昌330029）

黏性細顆粒泥沙是自然界泥沙的重要組成部分，其基本特性與運動規(guī)律與非黏性泥沙最大的區(qū)別在于非黏性泥沙以單顆粒運動為主，而黏性細顆粒泥沙受多種因素影響，會發(fā)生絮凝作用[1]，形成絮團，在天然水體中絕大部分以絮團的形式輸運[2]。因此，對黏性細顆粒泥沙運動的研究關鍵在于對絮凝作用的研究。本文在查閱大量文獻和資料分析的基礎上，從研究方法、取得的主要研究成果兩方面，總結現(xiàn)有黏性細顆粒泥沙絮凝作用研究成果，提出進一步研究的具體方向和技術思路。

1 研究方法

1.1 理論研究

細顆粒泥沙絮凝沉降理論研究可以分為絮凝動力學理論、膠體穩(wěn)定性理論、分形幾何理論三個階段。

1.1.1 絮凝動力學理論

1917年，波蘭學者Smoluchowski基于擴散理論，在6個假設前提下，即顆粒為實心球體、絮凝過程中絮團不發(fā)生破壞及沉降、液體為層流、初始顆粒粒徑相同、碰撞僅在兩顆粒間發(fā)生、碰撞即粘結，建立了絮凝動力學方程：

式中，t為時間，下標 i、j、k 為絮團內顆粒個數；n 表示單位體積內的絮團數目；c為絮團最大值；α為碰撞效率參數；β（i，j）為碰撞頻率函數。但因為方程是在理想化假設的基礎上，絮團碰撞頻率函數、效率系數很難直接確定，實際河流中的絮凝沉降現(xiàn)象往往非常復雜，很難直接采用此公式進行分析。

1.1.2 膠體穩(wěn)定性理論

膠體穩(wěn)定性（DLVO）理論：顆粒間存在綜合作用能，它是范德華引力能和電層排斥能的疊加。這一理論認為，兩個細顆?？拷鼤r其交互作用能會出現(xiàn)三個極值，在極大值即勢壘處，兩微粒產生最強排斥力，可逆粘結發(fā)生在第二極小值處，絮凝發(fā)生在第一極小值處，同時提出，顆粒粘結的臨界條件為排斥勢壘為0（如圖1所示）。

圖1 粒子間典型位能曲線

1.1.3 分形理論

分形理論是由B.B.Mandelbrot[3]提出的分形幾何概念在海岸線、地貌等復雜幾何形態(tài)研究中逐漸演變而成。隨著計算機技術快速發(fā)展，分形理論推動了泥沙絮凝研究，先后形成了擴散受限聚集模型（DLA）和擴散受限的絮團聚集模型（DLCCA），彌補了絮凝動力學理論無法描述實際顆粒聚集體的復雜結構的空白。目前，分形理論在河流泥沙領域有廣泛的應用，一是將分形維數作為一項指標，用于河床地貌、河型分類及泥沙顆粒級配等研究中，如劉興年[4]利用分形理論研究河流地形地貌及河流類型的劃分；分形理論在河流剖面形態(tài)及河流表面形態(tài)等河流形態(tài)研究中也有廣泛應用[5]；王協(xié)康[6，7]基于分形理論，分析泥沙顆粒級配及非均勻沙床面粗糙度；李嘉[8]給出了泥沙顆粒粒徑的分形分布函數；金同軌[9]利用分形研究黃河泥沙絮凝過程中的形態(tài)。二是利用分形模型模擬復雜現(xiàn)象和結構的動力學過程，如DLA和DLCCA等模型。

1.2 現(xiàn)場觀測研究

隨著科學技術發(fā)展，現(xiàn)場測量儀器不斷更新，使得對黏性細顆粒泥沙現(xiàn)場觀測條件得到了極大改善。當前，現(xiàn)場觀測主要測量絮凝體粒徑、絮凝體沉降速度及絮凝體結構，激光粒度儀[9]為粒徑和體積濃度的主要測量儀器，沉速測量方法主要有ADV法[11]、SEDVEL沉速儀法[12]、INSSEV原位錄像沉速儀[13]等，絮凝體的結構主要通過顯微鏡、高清攝影機等光學設備進行觀測[11]。

黃鵬程[14]利用激光粒度分析儀、X射線熒光光譜儀、Zeta點位儀等測量儀器對三峽庫區(qū)忠縣皇華城區(qū)域泥沙樣品進行粒度、元素、Zeta電位等特性進行分析。王詩妮[15]利用現(xiàn)場激光粒度儀（LISST）、聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）和光學后向散射濁度計（OBS），在不擾動天然細顆粒泥沙絮凝體的情況下，定點連續(xù)測量了長江河口上段、口門段以及北港口外段的表層絮凝體的級配譜，結合水動力、鹽度數據，分析了絮凝體粒徑與流速、鹽度和濁度的關系，以及河口不同區(qū)段的絮凝特性。李文杰[16]利用ADV和泥沙采樣測得三峽庫區(qū)忠縣和奉節(jié)河段同步的瞬時流速和含沙量，通過泥沙擴散理論反算現(xiàn)場泥沙沉速及絮團粒徑，得到了三峽庫區(qū)泥沙絮凝度及其與粒徑、流速和含沙量的關系。宋迪迪[17]利用Image－pro plus圖像處理軟件，提取了絮凝體外形尺寸及絮凝體內孔隙直徑、孔隙率、孔隙比等特征。余立新[18]利用環(huán)境掃描電鏡（ ESEM）觀測有機質對絮凝體形態(tài)影響。

1.3 物理試驗研究

總結國內外文獻可以發(fā)現(xiàn)，物理模型試驗是研究黏性細顆粒泥沙絮凝主要研究方法，通過采樣、預處理、制配等過程，利用室內試驗裝置對黏性細顆粒泥沙絮凝進行研究，主要分為靜水沉降試驗和動水絮凝試驗兩方面。

靜水沉降試驗裝置主要有沉降（量）筒或自主開發(fā)的沉降筒。如張德茹[19]、李慧梅[20]試驗研究都是在體積為1 000mL的沉降量筒中進行的，馮曦[21]則采用內徑4.5cm、長104cm的沉降管進行試驗，王茜[22]采用500mL和1 000mL沉降筒試驗，利用清渾交界面沉降速度和上清液濁度研究了粒徑分布、初始含沙量及高分子聚合物對河湖淤泥絮凝沉降特性的影響規(guī)律；在沉降（量）筒內進行試驗的優(yōu)點是由于體積小，泥沙配置更均勻，但存在取樣不方便，很難測量沿垂線分布的含沙量和泥沙的級配等缺點。而且有可能對絮團結構產生破壞，損失水量，產生量測誤差。陳曦[23]、吉祖穩(wěn)[24]、謝瑞[25]等則利用自制沉降筒進行試驗研究，使得測量數據更精確。

靜水試驗中黏性細顆粒泥沙在不受外界擾動的情況下完成絮凝沉降，而在天然水體中水流往往是流動的，黏性細顆粒泥沙的沉降受動水影響。動水絮凝試驗主要是研究水流紊動等動水參數對細顆粒泥沙沉降的影響，試驗裝置主要有長型水槽[26]、振動沉降筒[27]、旋轉沉降筒[28]、環(huán)形水槽[29]等。

1.4 數學模型研究

由于黏性細顆粒泥沙粒徑往往是微米級別，受技術及測量儀器限制，直接觀測其絮凝過程存在一定的難度，因此，近年來隨著數學模擬技術的不斷發(fā)展，眾多學者嘗試通過數值模擬計算，對黏性細顆粒泥沙絮凝進行研究。已有研究主要從以下4個方面開展：（1）基于絮凝動力學理論，在離散絮凝動力學方程基礎上加上簡化假設，計算單顆粒間的碰撞頻率。如Xu[30]利用絮凝方程的質量形式模擬河口地區(qū)濁度與絮凝的關系；Lee[31]在改進的絮凝方程基礎上研究了河口泥沙的雙峰絮凝；楊鐵笙[32]利用Smoluchowski方程研究黏性細顆粒泥沙絮凝-沉降的時空過程。（2）基于分形理論建立的絮凝體生長模型，如DLA、DLCA、RLCA等模型，DLA模型通過簡化處理，注重構建顆粒的絮凝體結構，未考慮泥沙顆粒之間粘結機理，而RLCA與DLCA模型除考慮了單個泥沙顆粒之間碰撞粘結現(xiàn)象，還考慮了泥沙顆粒與絮凝體、絮凝體與絮凝體之間碰撞與粘結現(xiàn)象[33]。柴朝暉[34]以分形聚集生長理論為基礎，考慮了絮團破碎、泥沙濃度等因素影響，使用三維無網格方法，在MATLAB平臺上通過模擬泥沙顆粒和絮團在布朗運動、重力沉降和均勻切變水流作用下碰撞黏結過程，研究了水流剪切作用對黏性細顆粒泥沙絮凝影響。（3）基于格子玻爾茲曼方法（LB）的微觀作用力模型，LB方法避免了求解N-S方程中的非線性項，并且進一步簡化了計算量，具有編程簡單、易于并行等優(yōu)點[35]，可以從微觀的角度模擬水流和泥沙運動。張金鳳[36]為了模擬紊動剪切率對泥沙絮凝影響建立了三維格子玻爾茲曼數學模型。喬光全[37]用格子玻耳茲曼方法，引入膠體作用理論模擬不同溫度下兩個黏性泥沙顆粒靜水不等速沉降絮凝過程。（4）其他，如張宇卓[38]基于介觀尺度下的耗散粒子動力學方法，建立了包含力場勢函數的均勻各向同性紊流模型，對不同剪切率條件下黏性泥沙絮凝過程及絮團形態(tài)進行了模擬計算。

2 研究成果

2.1 黏性細顆粒泥沙絮凝成因

2.1.1 鹽絮凝

鹽絮凝是因為水中的金屬離子濃度提高而導致泥沙顆粒失去穩(wěn)定產生的一種絮凝現(xiàn)象[39]。主要原因是懸浮泥沙顆粒吸附水中金屬離子后，表面排斥力減小，顆粒之間平衡被破壞，泥沙穩(wěn)定性降低，從而促進絮凝的發(fā)生，而這一機制主要包括壓縮雙電層作用和電性中和作用[40]。

2.1.2 橋聯(lián)絮凝

橋連絮凝是指在被吸附的有機物膠結作用下，顆粒之間互相碰撞時形成粒間橋鍵，由此發(fā)生的絮凝現(xiàn)象稱之為橋聯(lián)絮凝。產生橋聯(lián)絮凝的情況主要有以下兩種[41]：一是一個有機物高分子與兩個或兩個以上顆粒通過僑聯(lián)而出現(xiàn)絮凝；二是不同細顆粒表面上吸附的有機高分子通過相互作用而出現(xiàn)絮凝。

2.1.3 網捕作用

網捕作用[42]是指細小的泥沙顆粒附著在大的絮凝體（絮團）之間的空隙而一同下沉的現(xiàn)象，而有機物的膠結作用是促進大的絮凝體（絮團）的主要原因。

2.1.4 碰撞理論

碰撞理論是指水體中的泥沙顆粒受布朗運動、不等速沉降、水流紊動等動力作用，發(fā)生碰撞粘結，形成較大絮凝體現(xiàn)象[43]。當粒徑＜1μm時，黏性泥沙顆粒之間的碰撞主要是由于布朗運動；在水庫、湖泊等靜水中泥沙粒徑常＞1μm，不等速沉降是其發(fā)生碰撞的主要原因；而動水中的泥沙顆粒碰撞的主要動力是水流紊動[44]。

2.2 影響?zhàn)ば约氼w粒絮凝因素

2.2.1 泥沙粒徑

泥沙粒徑是影響絮凝發(fā)生的一個重要因素，粒徑越小越容易出現(xiàn)絮凝，而且會影響形成絮團的過程以及其內部結構?，F(xiàn)有研究成果表明，黏性細顆粒泥沙產生絮凝的臨界粒徑為0.009mm～0.032 5mm。

2.2.2 泥沙濃度

大量研究表明泥沙濃度的增加會導致絮凝作用先增強后減弱。從絮凝碰撞機制來看，泥沙濃度越高，顆粒間碰撞的幾率越大，從而加快顆粒聚合，促進絮團生長；但較大的泥沙濃度需要較大水流流速挾帶，而大流速又會抑制泥沙絮凝，進而導致當泥沙濃度達到一定程度時，絮凝呈減弱趨勢。如萬遠揚[51]通過室內試驗發(fā)現(xiàn)隨著含沙量增加，沉速先增大后穩(wěn)定再減??；李文杰[16]通過對三峽庫區(qū)泥沙絮凝現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)隨著含沙量增加，庫區(qū)泥沙絮凝度呈先增大后微弱減小趨勢。

2.2.3 水流紊動強度

水流紊動強度對泥沙絮凝影響規(guī)律與泥沙濃度對其影響規(guī)律類似，低強度紊動促進絮凝，高強度紊動抑制泥沙絮凝［27，28，54，55]，所以存在影響絮凝的臨界紊動強度，從表2絮凝臨界紊動強度研究成果表中可以看出，受研究對象、試驗裝置、水體條件等影響，臨界紊動強度存在較大差異。

表1 絮凝臨界粒徑研究成果表

表2 絮凝臨界紊動強度研究成果表

2.2.4 其他水化學因素

黏性細顆粒泥沙絮凝除受上述因素影響之外，水體內水化學因素如鹽離子濃度[59]、溫度[37]、pH 值[60]、有機物等也是影響絮凝的重要因素。鹽離子濃度、pH值等會降低泥沙顆粒表面電位來促進絮凝發(fā)展[40，61]是近年來國內外學者的共識。而對有機物對絮凝的影響結果存在差異，是因為有機物種類繁多，不同有機物等對絮凝影響機制與效果有所不同，如Lee[62]通過試驗發(fā)現(xiàn)胞外聚合物（EPS）促進絮凝發(fā)展，而腐殖質（HS）會對絮凝產生抑制作用；李學凱[63]研究發(fā)現(xiàn)硫酸鉀對細顆粒泥沙絮凝沉降有促進作用。

3 結 語

從以上分析可以看出，由于影響絮凝作用的因子很多，理論研究又大多基于假設，與實際情況存在較大差異，且大部分研究都是分析單一因子對黏性細顆粒泥沙絮凝作用影響，研究區(qū)域也是集中在河口、海岸等高含鹽水域，而對多因子之間的耦合作用及大水深低流速水庫湖泊等水域內的黏性細顆粒泥沙絮凝研究相對較匱乏。可以從以下幾個方面進一步開展研究：

（1）多因子共同作用對黏性細顆粒泥沙絮凝影響研究。目前雖然研究獲得一些單一因子對絮凝作用影響規(guī)律，但需進一步研究各因子之間的相互作用及對絮凝的耦合作用。

（2）大水深低流速水庫湖泊等淡水水域內黏性細顆粒泥沙絮凝機理研究。由于上游來沙、城市排泄等外源引入和動植物死亡等內源產生，河湖中存在大量的淤泥。淤泥質湖區(qū)含有大量黏性細顆粒泥沙，其運動是湖灘沉積和地貌演變主要因素。此外細顆粒泥沙較強的吸附作用使其成為河湖中污染物的主要累積地，對河湖水質治理及修復產生一定影響，更深入研究對于河湖通航、蓄洪、水質修復、疏浚淤泥的處理均有重要意義。

（3）補充完善動水條件下黏性細顆粒泥沙絮凝體運動規(guī)律?，F(xiàn)有對動水條件下絮凝研究裝置集中于旋轉筒或震動格柵筒，與天然水體條件存在較大差異，因此補充完善在接近天然水體狀態(tài)動水條件下絮凝體運動規(guī)律研究十分必要。