高嶺土絮凝體粒徑變化實(shí)驗(yàn)研究

海 希，邵宇陽，2* ，張健瑋，童朝鋒

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098；2.長江水利委員會(huì)長江口水文水資源勘測局，上海 200136)

在自然環(huán)境中，粘性細(xì)顆粒泥沙的絮凝過程往往受到多種因素的影響，諸如鹽度、水流強(qiáng)度、懸沙濃度、溫度及有機(jī)物等，各種因素對絮凝過程的影響機(jī)理不盡相同[1-2]。目前，粘性泥沙絮凝實(shí)驗(yàn)研究側(cè)重單因素的影響規(guī)律，如陳邦林[3]通過實(shí)驗(yàn)得到長江口泥沙的最佳絮凝鹽度為10～13 ppt之間，而蔣國俊和張志忠[4-5]則認(rèn)為鹽度在4～16 ppt之間時(shí)絮凝效果最好；有關(guān)水流對絮凝影響規(guī)律的研究，國外大都是利用攪拌等裝置進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，所采用的紊動(dòng)剪切率G較大，研究G較小(<27 s-1)時(shí)的絮凝情況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，且實(shí)驗(yàn)材料大多為納米級顆粒，較少使用粘性泥沙。如，T.Serra等[6]以聚苯乙烯顆粒研究了水流對絮凝的影響; P.T.Spicer 等[7]通過攪拌罐產(chǎn)生水流研究了水流剪切作用對絮凝的影響。他們得到相似的結(jié)論：低強(qiáng)度水流促進(jìn)顆粒絮凝，高強(qiáng)度水流阻礙顆粒絮凝。W.P.He等[8]則以高嶺土為對象，研究了低剪切強(qiáng)度水流對絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：低強(qiáng)度水流對絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的影響較弱。國內(nèi)對于紊動(dòng)的研究較少，且側(cè)重利用天然泥沙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，武道吉等[9]指出，當(dāng)水流紊動(dòng)達(dá)到某個(gè)尺度時(shí)，粘性泥沙的絮凝最顯著，阮文杰[10]采用長江口天然水體的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明: 當(dāng)流速大于某值時(shí)，泥沙絮團(tuán)沉速將變慢，并據(jù)此提出了動(dòng)水臨界流速的概念。朱中凡等[11]的高嶺土動(dòng)水絮凝實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泥沙絮團(tuán)最大粒徑與水流紊動(dòng)強(qiáng)度相關(guān)，且呈反比；懸沙濃度決定了絮凝過程中粘性泥沙的總量，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，懸沙濃度越大，泥沙絮凝作用越強(qiáng)，沉降越快[12]，但這種規(guī)律僅適用于低濃度。當(dāng)懸沙濃度超過某一極限濃度時(shí)，懸沙濃度的促進(jìn)作用會(huì)變得不明顯，甚至?xí)霈F(xiàn)阻礙作用[13]。

但是，天然環(huán)境下泥沙絮凝一般受到多因素綜合作用。因此，為了研究粘性細(xì)顆粒泥沙絮凝體粒徑變化，本文選擇室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方法，結(jié)合LISST及OBS等目前世界上先進(jìn)的儀器探究鹽度、紊動(dòng)剪切率及懸沙濃度三種因素耦合作用下對絮凝體有效粒徑分布的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡圖及其尺寸標(biāo)注(單位：cm)Fig.1 Experimental device sketch and dimensioning

為了便于LISST及ADV(Acoustic Doppler Velocity簡稱ADV)等儀器的測量，在前人基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置為高158 cm，直徑為77 cm的圓柱形水箱，如圖1所示。水箱外部由有機(jī)玻璃制成，水箱內(nèi)水體的紊動(dòng)由其軸心處放置的高130 cm，直徑41.25 cm的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)來完成，轉(zhuǎn)速由一個(gè)與其相連的馬達(dá)控制。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先利用SonTek公司生產(chǎn)的聲學(xué)多普勒流速儀(ADV，工作頻率為20 Hz)測量水箱內(nèi)測量點(diǎn)位置附近的水流特性，并計(jì)算實(shí)驗(yàn)水箱內(nèi)紊動(dòng)剪切率G，計(jì)算方法見下文公式(1)。當(dāng)測量水體中懸沙濃度變化時(shí)，使用Campbell Scientific Inc.生產(chǎn)的光學(xué)后向散射濁度儀(Optical Backscatter Sensor 3+，簡稱OBS 3+)進(jìn)行測量，水體中絮凝體的粒徑分布由美國SEQUOIA公司的現(xiàn)場激光粒度儀LISST-100(C型)進(jìn)行測定。

1.2 實(shí)驗(yàn)分析方法

Camp和Stein[14]提出紊動(dòng)剪切率和湍流耗散率之間的關(guān)系為

(1)

式中：v為水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，在本文中取為1.516×10-6m2/s；ε為湍流耗散率。

對于充分發(fā)展的湍流邊界層，湍流在大尺度的能量輸入與在小尺度的粘性耗散處于平衡，可以得到一維的湍流能譜如下式

(2)

式中：Eii(k)為第i個(gè)流速分量在波數(shù)k的能譜密度(i=1,2,3)，ε為湍流動(dòng)能耗散率,αi為一維Kolmogorov常數(shù)，i=1對應(yīng)于主流方向，i=2,3對應(yīng)于與主流垂直的另外兩個(gè)流速分量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定α1=0.53，α2=α3=(4/3)α1=0.71。

本文所用的觀測資料為單點(diǎn)流速的時(shí)間序列，需要將湍流頻率譜轉(zhuǎn)化為波數(shù)譜。當(dāng)kEii(k)/U2<<1時(shí)，波數(shù)k的湍渦的時(shí)間尺度遠(yuǎn)小于對流時(shí)間尺度，可以利用“Taylor冰凍湍流假設(shè)”將流速頻率譜轉(zhuǎn)化為波數(shù)譜

(3)

kEii(k)=fEii(f)

(4)

式中：f為頻率，U為平均對流速度(即平均流速)。

由此，可以得到湍流耗散率的表達(dá)式為

(5)

其中，上橫線表示在慣性副區(qū)內(nèi)取平均值[15-16]。

本文采用有效粒徑法對高嶺土絮凝體粒徑進(jìn)行分析，計(jì)算公式如下

DM=(D16+D50+D84)/3

(6)

式中：DM為絮凝體有效粒徑，D16、D50、D84分別為累計(jì)體積百分比中小于16%、50%、84%的粒徑。

1.3 實(shí)驗(yàn)組次設(shè)計(jì)

本文的實(shí)驗(yàn)組次設(shè)計(jì)如表1所示，表2為轉(zhuǎn)速與紊動(dòng)剪切率G對應(yīng)關(guān)系

圖2 OBS電壓輸出值與水樣泥沙 濃度率定圖Fig.2 OBS voltage output value and sample sediment concentration

影響因子參數(shù)單位懸沙濃度0.080.100.130.19g/L鹽度00.512ppt轉(zhuǎn)速510152025303540rpm

表2 轉(zhuǎn)速與紊動(dòng)剪切率對應(yīng)關(guān)系Tab.2 Correspondence between rotational speed and turbulent shear rate

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)開始前，利用與OBS 3+測量位置同一高度水箱側(cè)面取水樣對OBS 3+進(jìn)行率定，結(jié)果如圖2所示，相關(guān)系數(shù)R2的值為0.984 6，相關(guān)度高，因而OBS 3+儀器可以準(zhǔn)確測量水體中泥沙濃度。

實(shí)驗(yàn)中，采用中值粒徑D50=2.54 μm的高嶺土，步驟如下：(1)按G-鹽度-濃度的調(diào)整順序(懸沙濃度調(diào)整前，水箱清空，重新開始)，根據(jù)組次設(shè)計(jì)，配置實(shí)驗(yàn)，開始攪拌；(2)等待45 min，即粘性細(xì)顆粒泥沙絮凝穩(wěn)定后，開始測量工作。(3)將實(shí)驗(yàn)用到的測量設(shè)備LISST及OBS 3+放置于實(shí)驗(yàn)水箱內(nèi)(如圖1所示)；(4)測量工作進(jìn)行5 min，期間， LISST記錄絮凝體的粒徑分布情況及絮凝體的總體積濃度(TVC)，OBS 3+記錄水體中絮凝體濃度；(5)測量工作結(jié)束后，將LISST取出，OBS 3+則一直放置于水箱內(nèi)；(6)根據(jù)下一實(shí)驗(yàn)組次，調(diào)節(jié)水流流速梯度，配制水箱中的鹽度、懸沙濃度，重復(fù)(2)～(5)步驟，開展下一組實(shí)驗(yàn)。

2.1 各因子對高嶺土絮凝體粒徑的影響

根據(jù)圖3中所示粒徑分布，可以觀察到以下現(xiàn)象：圖左“翹起”現(xiàn)象，表明未絮凝高嶺土顆粒占較大比重；低濃度(SSC1=0.08 g/L，SSC2=0.10 g/L)時(shí)(Suspended Sediment Concentrations簡稱SSC)，各流速梯度下，高鹽度(1、2 ppt)對絮凝體粒徑增大效果比低鹽度(0、0.5 ppt)好；SSC3=0.13 g/L時(shí)，各流速梯度下，鹽度對絮凝促進(jìn)效果明顯，隨著鹽度的進(jìn)一步增大，促進(jìn)放緩；SSC4=0.19 g/L時(shí)，轉(zhuǎn)速低于20 rpm(即G<34.72 s-1)時(shí)，2 ppt鹽度對絮凝體有效粒徑增大作用較為明顯，其它情況下對絮凝體有效粒徑的增大作用不顯著。

3-a SSC1=0.08 g/L、5 rpm 3-b SSC2=0.10 g/L、40 rpm

3-c SSC3=0.13 g/L、35 rpm 3-d SSC4=0.19 g/L、20 rpm圖3 絮凝體粒徑與其所占體積百分比關(guān)系圖Fig.3 Floc size and volume percentage

如圖4所示，在濃度為SSC1=0.08 g/L ，SSC2=0.10 g/L、SSC3=0.13 g/L，高鹽度(1、2 ppt)下，紊動(dòng)剪切率對絮凝體有效粒徑影響表現(xiàn)為：G越小，有效粒徑越大；低鹽度(0、0.5 ppt)下，臨界值在15～20 rpm(G為23.09～34.72 s-1)之間，此時(shí)，紊動(dòng)對絮凝體有效粒徑增大效果最明顯；濃度為SSC4=0.19 g/L時(shí)，各鹽度下，紊動(dòng)剪切率對絮凝體有效粒徑變化產(chǎn)生的影響不明顯。

4-a SSC1=0.08 g/L、0.5 ppt 4-b SSC1=0.08 g/L、1 ppt

4-c SSC3=0.13 g/L、1 ppt 4-d SSC4=0.19 g/L、2 ppt圖4 絮凝體粒徑與其所占體積百分比關(guān)系圖Fig.4 Floc size and volume percentage

在圖5中，低鹽度(0、0.5 ppt)時(shí)，紊動(dòng)剪切率相同的情況下，各濃度梯度下的絮凝體有效粒徑并無太大變化；高鹽度(1、2 ppt)時(shí)，各流速梯度下，各懸沙濃度下的絮凝體有效粒徑開始產(chǎn)生變化，濃度0.08 g/L時(shí)有效粒徑最大，其它3種濃度下差別不大。

5-a 15 rpm、0.5 ppt 5-b 40 rpm、2 ppt圖5 絮凝體粒徑與其所占體積百分比關(guān)系圖Fig.5 Floc size and volume percentage

最后，將部分實(shí)驗(yàn)組次所得有效粒徑DM列于表3，表中數(shù)據(jù)與上述圖中分析所得結(jié)論互為參照，以供參考。

表3 部分試驗(yàn)組次下高嶺土絮凝體有效粒徑表Tab.3 Effective particle sizeTable of kaolin flocs under some test groups μm

2.2 分析與討論

絮凝體粒徑變化與鹽度、紊流及懸沙濃度三者是耦合關(guān)系，3種因素相互影響，使得絮凝體的粒徑變化表現(xiàn)出較為復(fù)雜的現(xiàn)象。

鹽度會(huì)對高嶺土絮凝體的粒徑變化產(chǎn)生促進(jìn)作用。在1 ppt鹽度時(shí)，絮凝體的粒徑開始發(fā)生明顯變化，且在SSC1=0.08 g/L濃度下，2 ppt與1 ppt相比，對絮凝體的絮凝效果并未產(chǎn)生太大影響，對此，本文認(rèn)為1 ppt左右即達(dá)到了SSC1=0.08 g/L濃度下的絮凝飽和鹽度。根據(jù)DLVO理論，由于鹽度的增加，雙電子層受到壓縮，靜電力減小，勢壘減小，顆粒開始絮凝。低濃度(SSC1=0.08 g/L，SSC2=0.10 g/L)下，低鹽度(0、0.5 ppt)對高嶺土顆粒表面電位的減小效果較小，雙電子層所受壓縮程度小，絮凝效果不明顯；隨著鹽度增大到1 ppt，高嶺土顆粒表面電位減小效果明顯，雙電子層受到壓縮，將有一部分動(dòng)能較大的顆粒越過勢壘，絮凝效果得到明顯增加；高濃度(SSC3=0.13 g/L，SSC4=0.19 g/L)時(shí)，隨著懸沙濃度的增加，需要更高的鹽度才能使得高嶺土顆粒表面電位產(chǎn)生較明顯的減小，并使得勢壘產(chǎn)生明顯減小。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置的鹽度梯度暫未達(dá)到其它3種懸沙濃度下的絮凝飽和鹽度。

紊動(dòng)剪切率對絮凝體粒徑的影響規(guī)律與前人基本相同，即存在一個(gè)臨界G值在23.09～34.72 s-1之間，此時(shí)，對絮凝促進(jìn)效果最好，低于這個(gè)值時(shí)，對絮團(tuán)粒徑影響不大，高于這個(gè)值時(shí)，隨著G的增大，解絮作用在高嶺土絮凝過程中占主導(dǎo)作用，對絮凝促進(jìn)效果逐漸減弱。與喬光全[17]的高嶺土實(shí)驗(yàn)對比，臨界G(喬為20.8 s-1)的取值稍大，可能與本次實(shí)驗(yàn)所選土樣粒徑偏小(喬d50=3.93 μm，本文d50=2.54 μm)，以及受其它2種因子耦合作用有關(guān)。

懸沙濃度對高嶺土絮凝體的影響表現(xiàn)為：低鹽度(0、0.5 ppt)時(shí)，懸沙濃度對絮凝體粒徑變化影響不大；高鹽度(1、2 ppt)時(shí)，濃度0.08 g/L時(shí)絮凝體有效粒徑最大，其它3種濃度下變化不大。而根據(jù)碰撞理論，懸沙濃度高，其中的絮凝體顆粒較多，碰撞幾率更大，則絮凝體粒徑也更大。對于該實(shí)驗(yàn)結(jié)果，低鹽度時(shí)，文章設(shè)置的懸沙濃度梯度內(nèi)并未能明顯改變絮凝體粒徑；而當(dāng)處在高鹽度時(shí)，低懸沙濃度的實(shí)驗(yàn)組次得到的絮凝體粒徑較高濃度下的組次要大。結(jié)合DLVO理論，相較于高懸沙濃度，濃度低時(shí)，絮凝體顆粒較少，鹽度的增加使得低懸沙濃度下的絮凝體顆粒表面的雙電子層壓縮得更小，更加容易發(fā)生絮凝作用，絮凝體的粒徑也更大。

3 結(jié)論與展望

本文選取中值粒徑為2.54 μm的高嶺土為研究對象，開展了不同水流紊動(dòng)環(huán)境下動(dòng)水實(shí)驗(yàn)，利用現(xiàn)場激光粒度分析儀對不改變泥沙所處環(huán)境下形成的絮凝體進(jìn)行觀測，研究了懸沙濃度、鹽度、紊動(dòng)剪切率3個(gè)影響因子耦合作用下對絮凝體粒徑分布的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論：

(1)鹽度的增加會(huì)使絮凝體的有效粒徑DM增大，存在一個(gè)飽和鹽度(濃度0.08 g/L時(shí)為1 ppt)，且隨著懸沙濃度的增大而增大，超過這個(gè)值時(shí)，絮凝體有效粒徑變化趨于平緩；

(2)紊動(dòng)剪切率小時(shí)，對絮團(tuán)粒徑影響不大，達(dá)到臨界值(23.09～34.72 s-1)時(shí)，紊動(dòng)會(huì)促進(jìn)絮凝，且隨著G的增大，解絮作用逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。當(dāng)泥沙增大濃度時(shí)，會(huì)抑制這種促進(jìn)效果；并且，懸沙濃度超過0.08 g/L時(shí)，濃度的增大使得絮凝體的有效粒徑DM減小。

本次實(shí)驗(yàn)選取懸沙濃度及鹽度變化范圍內(nèi)低懸沙濃度對絮團(tuán)粒徑的促進(jìn)作用不明顯，且對臨界G的探討還不夠完善。未來需要加入更多的影響因子，更加細(xì)致完善的研究多因子耦合作用下對絮凝體粒徑分布的影響。