含沙量對湖泊泥沙絮凝沉降特性的影響研究

黃志文，鄧金運，楊春瑞

（1 江西省水利科學院，南昌 330029； 2 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072）

黏性細顆粒泥沙是我國湖泊懸沙的主要組成部分，容易產生絮凝沉降，影響湖床沖淤及水環境狀況［1-2］。 國內外眾多學者通過理論分析、數值模擬、原位及室內試驗等方法圍繞湖泊、 河口等區域的黏性細顆粒泥沙的沉降特性開展了大量研究［3-8］，主要涉及泥沙絮凝沉降的臨界粒徑、 沉降過程及影響因素等方面。 目前普遍性的認識是，除泥沙粒徑之外，黏性細顆粒泥沙的絮凝沉降還與水動力特征、 含沙量大小、水體環境等因素息息相關，這其中，含沙量大小是影響沉降速率的關鍵因素之一。 Safak［9］通過研究發現黏性細顆粒泥沙所形成的絮團尺度和含沙量大小明顯相關，隨著含沙量的增大，顆粒間碰撞增強將形成更大絮團。 楊耀天［10］從宏觀方面對細顆粒黏性泥沙絮凝沉降過程進行了試驗研究， 認為隨著含沙量的增大，絮凝沉降速度逐漸減小并趨于穩定。萬遠揚［8］針對長江口黏性細顆粒泥沙的室內試驗研究表明， 各因素中含沙量對長江口細顆粒沉降速度影響最大，絮凝沉速隨含沙量的增大先增加后減小。黃建維［11］的沉降試驗結果也表明，當初始含沙量超過一定程度后， 對絮凝的阻滯作用將超過對絮凝的加速作用。 上述研究成果中雖然均認可含沙量對黏性細顆粒泥沙絮凝沉降的影響的重要性，但在含沙量大小對絮凝沉降的影響過程和作用程度上的認識尚有一定差異。

1 研究區域及現場取樣

鄱陽湖位于江西省北部，長江中游南岸，承納了贛江、撫河、信江、饒河、修河5大江河（以下簡稱5河）及博陽河、漳田河、潼津河等小支流區間來水，經調蓄后由湖口注入長江，是一個過水性、吞吐型、季節性湖泊［12］。 本次鄱陽湖泥沙現場采樣點主要有6處，由北向南依次為屏峰、星子、都昌、吳城、棠蔭、康山（圖1），主要位于河床淺灘，是湖中懸移質泥沙汛期沉積形成，取樣時間為2019年12月。

圖1 鄱陽湖湖區及泥沙采樣點示意圖

將各取樣點所取沙樣首先通過雙氧水進行多次清洗去除有機質［13］，烘干后利用激光粒度儀進行粒度分析，湖區各取樣點的泥沙級配差異較小，粒徑范圍1～120um，中值粒徑約在10～30um（0.01～0.03mm）。

2 試驗方法與裝置

2.1 絮凝沉速計算方法

本次試驗中，針對含沙量對泥沙絮凝沉降的影響，主要通過其對泥沙沉速的影響進行分析。 不同絮凝階段泥沙沉速隨絮團粒徑變化，通過測量不同斷面泥沙瞬時沉速變化可以直觀反映泥沙沉降階段變化。 泥沙沉速通過麥克勞林公式（累計重量法）計算得到，其基本原理是通過測量不同沉降時間沿水深分布的水體中含沙量的分布情況， 利用圖積分法，得到不同時刻、不同水深斷面處泥沙的瞬時沉 速［13］：

式中 ω為泥沙瞬時沉速（mm/s）；h 為水深（mm）；t 為沉降時間（s）；S（z，t）為水深z斷面在t時刻含沙量（g/mL）。

2.2 試驗裝置

室內沉降試驗裝置為自制沉降筒， 裝置骨架為鋼制，水箱為長方體，高1.5m，長、寬均為0.5m，四面邊壁為玻璃鋼材質，底面設置開關排水，側壁布置有取樣孔口，如圖2。試驗前進行了取樣方法比選，對比了側壁孔取樣和中心虹吸裝置取樣， 發現虹吸裝置取樣效果較優，可以防止邊壁效應，本文正式試驗均采用虹吸裝置進行取樣。

圖2 試驗裝置示意圖

試驗過程中還需要用到裝置有攪拌器、烘箱、電子天平（精度0.001g）、取樣瓶、燒杯、篩子、量筒、玻璃棒、六偏磷酸鈉試劑（分散劑）等。 試驗用水為自來水， 鹽度為5ppt， 與淡水湖水體鹽度相近； 密度為0.99g/mL，試驗過程中，水溫為20℃。

2.3 試驗方案

試驗分為預試驗和正式試驗兩部分。 預試驗是為了觀測鄱陽湖黏性細顆粒泥沙的絮凝沉降現象，同時也為了正式試驗確定合適的含沙量范圍。 該試驗采用簡易沉降管進行（高1.5m，直徑1.5cm）。 設置了含沙量從0.5～5kg/m3的4種工況， 各工況又分為添加分散劑（抑制絮凝）和未添加分散劑（未抑制絮凝）的對比工況。正式試驗方案設定含沙量為1，3，5 kg/m3的3種工況，未添加分散劑。 由于鄱陽湖區各取樣點沙樣級配相近， 所有試驗均以屏峰取樣點的沙樣開展試驗。

值得說明的是， 鄱陽湖懸沙實際含沙量一般在1kg/m3以內，而試驗方案中設置了更大的含沙量對比工況，主要考慮到①低含沙量情況下泥沙顆粒碰撞幾率大大降低，導致發生絮凝現象所需時間大大增加，試驗效率較低；②大風天氣時，湖區含沙量將會明顯增大， 太湖等類似湖區大風天氣時的含沙量可達3kg/m3左右［4］；③含沙量對絮凝沉降的影響所需閾值可能相對較大［13］。

表1 試驗方案

2.4 試驗步驟

2.4.1 沙樣處理

將沙樣仔細研磨至小塊后充分溶于水中， 利用1mm孔徑篩子初步將體積較大顆粒篩出， 以便剔除貝殼類等體積較大的有機物篩出。 初步處理之后的沙樣靜置風干后加少量蒸餾水使之濕潤， 然后加30%的H2O2，攪拌混勻后蓋好表面皿，70℃～80℃水浴加熱氧化。 期間經常攪拌沙樣，待泡沫逐漸消失后，繼續滴加H2O2，直至土色變淡，無反應為止。 此過程重復兩三次。 沙樣冷卻后放入烘箱105℃烘干，磨碎備用。

2.4.2 預試驗

按照含沙量的不同制備沙樣， 將沙樣加入簡易沉降管，觀察沉降現象。

2.4.3 正式試驗

進行正式試驗時， 首先按照含沙量的不同制備沙樣并進行預處理；其次，將沙樣加入水箱中，加水至指定高度后用攪拌器充分攪拌（40次以上）；穩定后按規定時間將虹吸裝置插入規定深度進行取樣，共設置水下20，40，60，100cm共5個斷面取樣點。試驗開始后30min內， 每10min進行1次取樣操作；30min后，每30min進行1次取樣操作。 單次試驗持續時間為300min左右。最后，將所取樣品通過烘干后測量取樣泥沙質量，計算泥沙沉速。

3 試驗結果分析

3.1 泥沙絮凝沉降現象

通過微距攝像的方法， 預試驗中不同含沙量情況下，隨著含沙量的逐漸增加，視野范圍內泥沙絮團數量明顯增加：0.5kg/m3已產生肉眼可見的半透明絮團，1，3kg/m3情況下絮團數量增多，5kg/m3時絮團數量更加密集。

為對比有無絮凝狀態下泥沙沉降的差異， 在預試驗中進行了含沙量為5kg/m3條件下，泥沙絮凝與無絮凝下沉降試驗。 根據已有研究成果［8，13］，無絮凝工況是通過添加分散劑六偏磷酸鈉試劑進行處理。 隨著試驗的進行，絮凝工況下（未添加分散劑），沉降管中泥沙溶液可形成清晰的清渾分界面， 沉降管底部泥沙沉積厚度增加較快； 無絮凝工況下 （添加分散劑），沉降管中水體并未出現分界面，且底部沉積層厚度增加速度較慢。試驗開始后約2h，絮凝工況下沉降管中泥沙已基本沉降至底部， 而無絮凝工況下沉降管依然保持渾濁狀態，無法完全沉降。

3.2 含沙量對絮凝沉降的影響

對比含沙量為1，3，5kg/m3工況下的試制沉降筒中不同深度的沉速隨時間變化， 發現各工況下不同深度處斷面， 黏性細顆粒泥沙絮凝沉降速度均呈現增大—減小—再增大—再減小的過程。這說明，鄱陽湖黏性細顆粒泥沙絮凝沉降過程應該是包括了分選沉降、絮凝沉降及絮凝平衡等不同過程，在分選沉降和絮凝沉降階段均會出現沉速先增大再減小的過程，而分選沉降時間較短，本次試驗中小于20min，絮凝沉降階段較長，一般在70min左右，當試驗進行至90min以后，絮凝沉降速度已經較小，接近絮凝平衡階段。 對于絮凝沉降階段而言，從沉降變化來區分，可進一步分為絮凝加速過程（沉速增大）和絮凝減速過程（沉速減小）。

含沙量的不同，對于絮凝沉降過程的影響較大，首先體現在絮凝加速和減速階段持續的時間有所差異。 含沙量為1kg/m3時，絮凝沉降階段中的加速過程持續時間僅為10min，含沙量為3，5kg/m3時，絮凝加速階段持續時間均達到30min；含沙量越大，對絮凝的影響越大，但其變化在含沙量從1kg/m3到3kg/m3時變化最大，而3kg/m3到5kg/m3時變化已經較小。

其次， 對比自制沉降筒中不同斷面處沉速隨含沙量的變化可知，在試驗工況所給的含沙量范圍內，各固定斷面沉速均隨含沙量增大而增大， 尤其在分選沉降階段更為明顯。 這主要由于在該階段含沙量增大時，渾水重度增加，黏滯系數變大，泥沙顆粒下沉引起上升水流影響更加顯著［14］，實際試驗過程中受試驗方法限制無法實時測量沉速變化，10min進行測量時，1kg/m3情況下粗顆粒泥沙已經沉降至箱底而相同粒徑泥沙在3、5kg/m3情況下還在下沉，因此表現為含沙量越大沉速越大。從絮凝沉降階段來看，不同含沙量相比，含沙量由1kg/m3增加為3kg/m3時，各斷面沉速增加明顯， 泥沙絮凝沉速隨含沙量增加而增加；含沙量由3kg/m3增加為5kg/m3時，各斷面絮凝階段沉速變化不大， 含沙量變化對泥沙絮凝沉速的影響已不明顯。這說明，含沙量的不同對絮凝沉降的影響存在臨界現象，當含沙量在3～5kg/m3區間，其對絮凝的阻滯作用逐漸加大， 與對絮凝的加速作用有所抵消。

綜上所述， 含沙量大小對于鄱陽湖黏性細顆粒泥沙的沉降具有重要影響， 這與前人的認識基本一致。 由于天然條件下鄱陽湖湖區沖淤不大， 來沙偏細，近年來其含沙量的最大值，湖區小于0.7kg/m3，5河尾閭處小于1.25kg/m3，均在本次試驗0～3kg/m3的范圍內，這說明，鄱陽湖水體實際含沙量的大小對黏性細顆粒泥沙絮凝沉降的影響為隨含沙量增大， 絮凝沉速增大，主要體現了對絮凝沉降的加速作用。

4 結語

通過室內靜水沉降試驗，對鄱陽湖黏性細顆粒泥沙的絮凝現象及含沙量對絮凝沉降的影響進行了分析，主要結論如下：

（1）鄱陽湖黏性細顆粒泥沙存在絮凝現象，從0.5kg/m3到5kg/m3時，含沙量越大，絮團數量更多，聚集程度越高。

（2）含沙量的大小對鄱陽湖黏性細顆粒泥沙絮凝沉降具有重要影響，主要體現在含沙量越大，絮凝沉降的加速階段持續時間越長。

（3）含沙量不同對絮凝沉速的影響存在臨界現象。 中低含沙量時（0～3kg/m3）絮凝沉速隨含沙量增加而增加，較高含沙量時（3～5kg/m3）對絮凝沉速的影響已不明顯。