浮泥研究綜述

郭龍先

摘要：詳細(xì)介紹了浮泥研究進(jìn)展情況，綜述國內(nèi)外學(xué)者對浮泥的定義，浮泥對于水質(zhì)的影響，浮泥性質(zhì)和觀測、浮泥的流變特性和形成的條件。由于浮泥性質(zhì)的特殊，運(yùn)動規(guī)律極其復(fù)雜，影響因素很多，而且浮泥在野外測量和水槽試驗(yàn)方面存在很多技術(shù)上的困難，因此對浮泥的運(yùn)動規(guī)律研究有待進(jìn)一步深入和提高。

關(guān)鍵詞：浮泥、綜述、運(yùn)動特性

浮泥的研究大約開始于二十世紀(jì)50年代，Inglis在研究英國泰晤士河的泥沙運(yùn)動時(shí)首次使用了英文“FluidMud”一詞。錢寧教授在《泥沙運(yùn)動力學(xué)》中總結(jié)了我國浮泥的研究成果，重點(diǎn)對波浪作用下的浮泥運(yùn)動作了較為全面的闡述。

1、浮泥的定義

一般認(rèn)為，浮泥是貼近底床的一層高含沙水體，它與上層水體間有明顯的界面，且其流動性很大。從廣義上說，浮泥是懸浮在底床中的由懸移質(zhì)，沖瀉質(zhì)顆粒組成的高含沙水體。浮泥在能量相對較低的環(huán)境中（如港池）一般是是靜止的，而在能量較高的環(huán)境中（如河口海岸地區(qū)）則是運(yùn)動的。

由于浮泥的許多特性與容重有密切的聯(lián)系，因此大多是研究者都采用浮泥的容重或含沙濃度來定義浮泥。浮泥的流型會隨著含沙量的變化而變化：當(dāng)含沙量甚小時(shí)為牛頓流體，當(dāng)含沙濃度稍大則為偽塑性流體，但當(dāng)其含沙量繼續(xù)增大時(shí)則為賓漢塑性流體。

浮泥的厚度范圍在分米到米之間，LeHir對LorieEstuary研究，得到當(dāng)?shù)馗∧鄬雍穸葹?m，Guan對椒江河口研究，發(fā)現(xiàn)浮泥層厚度為0.35m。

2、浮泥對水質(zhì)的影響

浮泥對于水質(zhì)的影響主要在兩個(gè)方面，首先是由于泥沙的懸揚(yáng)，造成水體透光性的下降，導(dǎo)致水體中生物的生物化學(xué)作用受到影響。其次由于組成浮泥的泥沙顆粒普遍較細(xì)，一些有毒物質(zhì)、重金屬、營養(yǎng)物質(zhì)容易吸附在這些泥沙上，造成污染物的大范圍擴(kuò)散。

泥沙顆粒的吸附主要分為物理吸附和化學(xué)吸附，物理吸附能力主要與泥沙的比表面積（面積/重量）有關(guān)，化學(xué)吸附能力與泥沙所含活性成分有關(guān)。如果把泥沙顆粒近似認(rèn)為是球體，則其比表面積與半徑成反比。因此泥沙粒徑越小，比表面積越大，所含活性成分也越多，對有機(jī)物或重金屬吸附量也越大。由于組成浮泥的泥沙顆粒都很小，其顆粒直徑一般小于62.5微米，因而其吸附能力非常強(qiáng)。黃歲梁（1994）[1]通過試驗(yàn)系統(tǒng)的研究了不同泥沙粒徑對重金屬污染物吸附作用，其研究成果表明，在相同條件下，不同粒徑泥沙單獨(dú)存在時(shí)，泥沙吸附數(shù)量、吸附速率、分配系數(shù)都隨泥沙粒徑增大而減小。

禹雪中等（2004）[2]提出了泥沙的環(huán)境作用，該作用是指在水環(huán)境系統(tǒng)中，泥沙通過對污染物質(zhì)的吸附與解吸，直接影響著污染物質(zhì)在水固兩相間的賦存狀態(tài)。此外，伴隨著泥沙在水體中的運(yùn)動，污染物質(zhì)在水體和底泥之中的賦存狀態(tài)也發(fā)生了變化。因此，泥沙與水流共同成為污染物的主要載體，影響著污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化過程，從而最終影響著水生態(tài)環(huán)境的狀態(tài)。

3、浮泥的組成

浮泥主要是由水以及粘土、淤泥顆粒組成，一般認(rèn)為其顆粒直徑小于62.5微米。李九發(fā)通過現(xiàn)場觀測對長江口研究發(fā)現(xiàn)，長江河口浮泥由細(xì)顆粒泥沙組成，中值粒徑在8-11.5微米，小于2微米的粘土占28.18%-36.39%。在不同地區(qū)，不同環(huán)境中，浮泥中水體的含量也不同。

4、浮泥的觀測

自二十世紀(jì)五十年代以來，研究者就采用許多電波和聲波儀器等測量海洋的各種參數(shù)，這些儀器的應(yīng)用極大的促進(jìn)了浮泥的現(xiàn)場觀測。懸移質(zhì)泥沙顆粒濃度可采用取樣分析法，光學(xué)后向散射濁度計(jì)，超聲波觀測儀進(jìn)行觀測。

浮泥厚度的測量，可使用雙頻測深儀。其中，低頻超聲波能穿透浮泥層，反射出河床底部界面，高頻超聲波則不能穿透浮泥，反射出浮泥與水體之間的界面，兩個(gè)界面的差值即為浮泥的厚度。

在國內(nèi)浮泥的觀測中，何青（1997）[3]采用超聲波識別浮泥和部分固結(jié)的細(xì)顆粒泥沙底床，發(fā)現(xiàn)粗細(xì)顆粒泥沙在聲速和聲衰減方面表現(xiàn)出明顯不同的特性。吳中（2002）[4]采用多普勒剖面流速儀（ADCP）和實(shí)時(shí)差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）對水體底部浮泥和底沙表層推移速度進(jìn)行對底跟蹤走航觀測，并得出了浮泥推移速度觀測原理。許寶華（2009）[5]采用SILAS走航式水底浮泥連續(xù)密度測量系統(tǒng)、雙頻測深系統(tǒng)，結(jié)合γ定點(diǎn)浮泥測量，對象山港進(jìn)港航道外干門淺段試挖槽浮泥觀測研究，實(shí)現(xiàn)了浮泥密度、厚度及其變化的精確探測。

此外，高密度測沙儀也應(yīng)用的較為廣泛，其基本工作原理是：高密度測沙儀測量浮泥容重值，結(jié)合使用CTD與泥沙剖面觀測儀來觀測垂向水體含沙量和近底浮泥的變化過程，用浮泥分層取樣管采取泥沙樣品，同時(shí)采用海流計(jì)觀測流速、流向等。

5、浮泥的流變特性

根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃畡恿l件，浮泥自身的性質(zhì)，浮泥可呈現(xiàn)出偽塑性，粘塑性，彈塑性流體的性質(zhì)。在一般情況下，研究者認(rèn)為浮泥表現(xiàn)出賓漢流體的特性。

此外，一些研究者認(rèn)為浮泥既不是牛頓流體也不是理想的彈性體，而是具有黏彈塑性的特征，只是在某些特定情況下可以近似地簡化為黏性流體、黏塑性體（賓漢體）、偽塑性體或彈塑性體。這些簡化浮泥流變模型的確定，不僅取決于浮泥的物理特征，如密度、礦物組成、顆粒級配、鹽度和溫度等，而且與浮泥所受的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)有關(guān)。

6、浮泥產(chǎn)生的條件

曹祖德（1992）[6]描述了浮泥的產(chǎn)生過程：粘性土懸沙在沉降過程中，由于絮凝作用，泥顆粒形成絮粒，到達(dá)一定濃度后，絮粒聚集成蜂窩狀高含水絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，并與上層水體問出現(xiàn)清晰界面。他認(rèn)為形成浮泥的必要條件是懸沙落淤率Fs大于浮泥沉積率D，分別由下式表示：

南京水利科學(xué)研究院、上海航道局等提出形成浮泥層主要需具備三個(gè)條件：高濃度的細(xì)顆粒泥沙;徑流量與潮流量要成弱混合或緩混合發(fā)育的鹽水楔;動力弱。

7、結(jié)論

浮泥在我國過去狹義地是指貼近底床的一層高含沙水體，它與上層水體間有明顯的界面，且流動性很大。在河口、海灣、內(nèi)河航道、湖泊等都可能存在浮泥。它與港口航道淤積、海岸河口演變、水庫淤積、湖泊水質(zhì)下降、航行水深利用等許多實(shí)際問題有關(guān)。由于浮泥性質(zhì)的特殊，研究者對于浮泥的形成、運(yùn)動的機(jī)制存在爭議，而且浮泥在野外測量和水槽試驗(yàn)方面存在很多技術(shù)上的困難，因此這些年來對于浮泥的認(rèn)識進(jìn)展不大，對浮泥的運(yùn)動規(guī)律研究有待進(jìn)一步深入和提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃歲梁，萬兆惠，張朝陽，王蘭香.泥沙粒徑對重金屬污染物吸附影響的研究[J].水利學(xué)報(bào).1994，（10）：53-60.

[2]禹雪中，鐘德鈺，李錦秀，廖文根.水環(huán)境中泥沙作用研究進(jìn)展及分析[J].泥沙研究.2004，（6）：75-81.

[3]何青，馬平亞.河口海岸近底泥沙的超聲波特性[J].泥沙研究.1997，（4）.

[4]吳中，陳力平，游同林.底部浮泥表層推移速度分布的ADCP—GPS估測方

[5]許寶華，王真祥.象山港進(jìn)港航道外干門淺段試挖槽浮泥觀測研究[J].人民長江.2009，40（22）：67-68.

[6]曹祖德，浮泥特性研究進(jìn)展[J]，水道港口，1992，（1）.