泥沙颗粒生长生物膜后起动的实验研究——Ⅱ.起动流速计算

泥沙颗粒生长生物膜后,起动流速发生了较大变化.根据生长生物膜后的泥沙起动流速实验数据,考虑天然水体中,生物膜填充于颗粒与颗粒之间形成除水以外新的介质,将生物膜的作用模化为生物膜作用产生的粘连力,再考虑生物膜随时间变化的特性以及基底物理特性的影响等因素,结合泥沙颗粒之间由于薄膜水产生的黏结力、重力等,研究了颗粒在滑动和滚...     

波浪渗流力对泥沙起动的影响

海岸泥沙起动的力学机理十分复杂。首先理论分析了波浪作用下床面泥沙颗粒所受的主要作用力,然后将上举力和有效重力分别与渗流力进行比较分析。计算结果表明渗流力随着波高的变化其方向也发生向上或向下的变化,渗流力与上举力和有效重力之间存在着相位差,不同粒径的泥沙在一个周期内均有一时段渗流力远大于上举力;对于渗透系数小的细颗粒泥沙,渗流力远大于泥沙颗粒的上举力和有效重力。进一步通过水槽试验分析了不同波浪参数作用下孔隙水压力梯度对泥沙起动的影响,试验结果表明波浪渗流力对海床细颗粒泥沙的起动有着重要作用,特别是在分析长周期波浪作用下细颗粒泥沙起动规律时,需考虑波浪引起的渗流力影响。     

无粘性泥沙的起动条件

对H. A. 爱因斯坦等国内外数10种不同形式和结构的泥沙起动条件进行分析研究,统一转化为无因次起动切力θ_c=τ_c/(γ_s-γ)d的形式,并分析计算出无粘性均匀沙的θ_c值。一般来讲,θ_c是界于0.0231～0.0716之间的一个常数值。从分析结果可看出各种公式之间的差别,为使用选择公式提供了科学的依据。     

考虑渗流效应的冲流带泥沙起动机理研究

为揭示内部渗流对海岸冲流带泥沙起动的影响,系统地开展了斜坡海床冲流特性与泥沙起动机理研究。通过室内水槽开展了孤立波在可渗透和不可渗透斜坡海床上的冲流试验,测试了冲流过程中波高、波速等变化规律;建立了渗透海床冲流数值模型并通过试验结果进行验证;深入分析了床面渗流对其波浪流场动态特征以及床面泥沙起动的影响机理。研究表明,床面渗流作用加剧波浪的不对称性,在波浪上冲过程中因床面强入渗作用而增大了床面切应力;回流过程因入渗所造成流量损失而导致床面切应力减小。床面渗流引起床面颗粒有效重度和切应力变化而导致泥沙希尔兹数大大增加,加剧了泥沙起动现象,且床面切应力改变是引起泥沙希尔兹数变化的主要因素。     

泥沙颗粒形状对非均匀沙起动条件的影响

根据非均匀沙颗粒的不均匀性,引入颗粒形状系数,通过分析泥沙颗粒形状系数和相对暴露度的影响,建立了等效粒径表达式;并通过泥沙起动受力分析,推导得到泥沙起动临界条件表达式.实测资料验证表明,计算值与实测值符合较好.     

水流和电解质对黏性泥沙絮凝沉降影响试验

为探索河口海岸地区水流和盐度共同作用对黏性泥沙絮凝沉降的影响,以泥沙浓度和絮团粒径为参数,采用自制的同轴旋转双筒产生运动水流和外加电解质的方法,研究6个水流强度（0 s-1、1.38 s-1、2.54 s-1、4.67 s-1、7.19 s-1、13.2 s-1和20.3 s-1）和3种电解质（NaCl、CaCl₂、AlCl₃）作用下的黏性泥沙絮凝沉降过程。试验结果表明:① 水流对黏性泥沙絮凝沉降的影响与其强度相关。低强度水流（水流强度小于4.67 s-1）表现为初期促进、中后期阻碍的规律;高强度水流则由于强水流剪切力和自上而下的紊动掺混作用始终起阻碍作用。② 电解质的存在将分别增强和减弱高、低强度水流所起作用;相同浓度下,当阳离子化合价从+1价变成+3价时,水流的影响作用更明显,尤其体现在稳定段。     

泥沙颗粒生长生物膜后起动的实验研究——Ⅰ.起动实验设计及结果分析

天然水体中泥沙颗粒表面容易生长生物膜,生物膜的生长会对泥沙颗粒的运动特性产生显著影响。设计了泥沙颗粒表面生长生物膜的实验,以及生长生物膜后泥沙颗粒的起动水槽实验。在水槽观测段分别放置由去离子水浸泡和天然水培养的两种泥沙,对比观察两种泥沙起动过程的区别,分析起动流速的差异和随培养时间的变化规律。结果表明,天然富营养水体中生物膜生长繁茂,对泥沙起动特性有着显著的影响,能够增强泥沙颗粒的抗冲性,并随时间呈现出先逐步增强到一个最优值后有所削弱的钟形曲线的变化趋势,表明在研究天然河流和湖泊尤其是污染严重的水域的泥沙起动时,需要考虑到生物膜的作用。     

水土保持措施对流域泥沙输移比的影响

以黄土高原无定河流域为例研究了水土保持措施对流域泥沙输移比的影响。水土保持措施极大地改变了流域泥沙的侵蚀、输移和堆积过程,因而改变了流域的泥沙收支关系。在天然状况下,无定河流域的泥沙输移比接近10。20世纪60年代后流域内大规模地展开水土保持工作以来,泥沙输移比急剧下降为0.2～0.4。泥沙输移比的变化,主要是由于流域内人为沉积汇的形成所致。这种人为沉积汇表现为水库、淤地坝的拦沙作用,导致了泥沙输移比大幅度减小。在目前状况下,人工沉积汇的拦沙作用相当于坡面措施减蚀作用的2 4～6.3倍,表明坡面治理措施的有效性尚有待提高,并亟待在生态环境建设中予以加强。     

南水北调对长江口粗颗粒悬沙来量的影响

探索了长江南水北调占总径流量10%情况下对长江粗颗粒悬沙(≥0.05mm)入海数量变化的可能影响。研究表明:南水北调对入海细颗粒泥沙的影响主要为南沙北调,但数量较小,在1%左右,而对粗颗粒悬沙的影响主要表现在入海流量减少导致的水体挟沙能力的降低。通过建立大通站典型枯水年(1978),平水年(1987)及洪水年(1983)月平均流量与月平均床沙质输沙率相关曲线,估算出各典型年在典型流量23000m3/s,30000m3/s与40000m3/s水平下调水流量3000m3/s时导致的入海床沙质输沙率的变化。结果表明,输沙率的相对变化在-39%至-24%之间,且在较高的流量水平下,输沙率相对变化较小,但绝对变化增大,经大通入海的床沙质数量每年约减少2350～4700万t.     

泥沙颗粒表面电荷特性及其对干容重影响试验研究

采用黄河及长江中的沙样在不同Ca2+浓度下分别进行电位滴定试验和干容重试验,得到以下结论:①随Ca2+浓度的增加,泥沙颗粒表面负电荷先不断减少然后趋于不变。②Ca2+对泥沙淤积干容重的影响可分为三个阶段:第一阶段干容重减小;第二阶段增加并达到最大值;第三阶段减小最后趋于不变。③在Ca2+浓度相同条件下,泥沙浓度对淤积干容重的影响根据所加Ca2+浓度不同也呈现不同的变化。④Ca2+浓度、泥沙浓度相同时,中值粒径越大干容重越大,且中值粒径大的泥沙干容重达到最大值所需Ca2+少。⑤在不同Ca2+浓度下泥沙颗粒由于表面电荷不同造成静电斥力不同,同时表面水膜作用力也不同,二者共同作用使得干容重体现不同的变化。     

泥沙起动判别标准探讨

分析了现有起动标准的不足之处。在制定起动标准时,不但要考虑水流条件,还必须考虑泥沙颗粒在床面的相对位置。对同一粒径的泥沙颗粒,其起动条件不是一个常量,而是位于一个区间,它随颗粒在床面的相对暴露度而变化。根据力学原理,推导了泥沙颗粒起动时的临界无量纲切应力公式,并对其系数取值进行了理论计算。计算结果表明,对同一粒径、在同一起动状态下,泥沙颗粒的起动临界条件并非一个常量。并从理论上分析得到了临界值的范围,对个别及少量起动,其无量纲临界切应力为0.021～0.042及0.041～0.062。     

无粘性泥沙起动条件对比研究

从泥沙起动的已有研究成果出发,推导出常见的3种泥沙起动条件的转换关系.利用这些关系,将国内外现有的几十种泥沙起动条件进行了统一,可得各种公式的K值一般在337～786之间.为合理选用起动公式提供了依据.在此基础上,用韩其为1965年在岷江五通桥茫溪河进行的卵石起动的野外水槽试验资料与一部分经典公式计算结果进行了对比研究.为岷江都江堰河段合理选用卵石起动公式提供了依据.     

淤泥质浅滩泥沙临界起动切应力剖面确定

为了确定淤泥质浅滩泥沙的临界起动切应力垂线剖面,采用音叉密度计在淤泥质连云港徐圩浅滩进行了定点密度垂线分布测量,并针对该海域的泥沙利用长水槽和环形槽开展了泥沙起动室内试验。淤泥密度现场结果表明,浅滩泥沙密度与深度满足对数型关系;室内试验得出密度1 050~1 400 kg/m³的泥沙临界起动切应力值为0.1~1.0 Pa,泥沙临界切应力与密度呈指数关系;进而确定了临界起动切应力与深度的关系即临界起动切应力剖面,该剖面关系式可供数学模型模拟淤泥质浅滩的泥沙起动过程参考。     

泥石流浆体与大颗粒冲击力特征的试验研究

开展了密度为1 400～2 200 kg/m3的泥石流浆体、浆体与大颗粒混合流体的冲击力试验,获取了流速为2.8～4.9 m/s条件下31组冲击力试验数据。采用小波分析方法有效地去除了冲击力数据中的噪声信号,依据离散傅里叶变换（FFT）为基础的频谱分析结果,将低频泥石流浆体冲击和高频大颗粒冲击的临界频率值界定为2 Hz,实现了浆体和大颗粒冲击信号的分离。目前水动力学公式中待定系数α缺乏统一的确定方法,以不同地区157组泥石流观测和试验数据为基础,建立了待定系数?与流体Fr数的幂函数关系,形成可表征不同流态,且弱化尺度效应的浆体动压力计算公式。与泥石流浆体平滑信号相比,大颗粒冲击压力具有一定随机性。泥石流大颗粒冲击次数与频率随大颗粒的质量比增加而增大,其质量比从0.05增至0.21时,冲击总次数从1 305次增至2 838次,冲击频率从82次/s增至195次/s,且龙头段大颗粒的冲击频率高于后续泥石流体。测得大颗粒的压力约为60 kPa,是相同密度和流速下浆体动压力的3倍。随着大颗粒比例的增加,上部1#和2#传感器测得大颗粒冲击频率增加量明显高于下部3#～6#。说明随着流体中大颗粒比例上升,颗粒物质多集中于泥石流上部或表层运动,也佐证了泥石流运动中大颗粒多集中在龙头顶部的认识。对大颗粒和浆体冲击规律的分析可为固液两相流运动机制研究和防治工程设计以及承灾体易损性定量评估提供合理参数。     

基于等效粒径的无粘性泥沙起动条件对比研究

通过将等效粒径引入非均匀沙起动条件表达式,得到了基于等效粒径的非均匀沙起动条件统一表达式,并从反映泥沙的非均匀性引起的荫蔽(暴露)作用与分选作用角度对当前有一定影响的非均匀沙起动条件的等效粒径表达式进行了对比研究。结果表明,各家公式都能够反映泥沙的非均匀性引起的荫蔽(暴露)作用,较粗泥沙颗粒的等效粒径小于其自身粒径,容易起动,较细泥沙颗粒的等效粒径大于其自身粒径,较难起动。但是不同公式之间还是有一定的差异,主要反映在细颗粒的荫蔽作用方面。不同公式区分非均匀沙颗粒间荫蔽(暴露)作用的特征粒径是不同的。韩其为、张启卫、刘兴年公式能较好的反映泥沙起动时的分选作用。对于细颗粒泥沙而言,Egiazaroff、Hayashi与秦荣昱公式在冲刷时体现由于床沙粒径不同而产生的分选作用相对较差。     

Magnetic and coagulation forces on a suspension of magnetic particles

It is shown that the magnetic force on a highly-magnetic particle in a slurry is a strong function of the particle shape and the concentration density of the magnetic particles in the suspension. An expression is derived for the coagulation forces between magnetized particles as a function of magnetic moment, size, and concentration.     

Sequestration of organic contaminants in soil/sediment and its impact on contaminant fate

Adsorption and desorption are critical processes controlling the fate and transport of organic contaminants in natural environment. Numerous studies have shown that only a fraction of contaminants in soil or sediment can readily be desorbed to the aqueous phase, while desorption of the remaining fraction is very difficult and does not follow the conventional desorption models-a phenomenon typically referred to as ＂resistant desorption＂ or ＂sequestration＂ and is argued by many as the cause of reduced availability of contaminants in soil and sediment. While this reduced availability often reduces the effectiveness of soil and sediment remediation, the same effect can also greatly reduce risk of contaminated soil and sediment. The authors have conducted extensive lab and field studies to characterize the unique properties of sequestration of organic contaminants and to understand the mechanism（s） controlling sequestration. Thus far, over 50 different contaminant-soil/sediment combinations have been evaluated, using contaminants of varied physical-chemical properties （e.g., chlorinated benzenes, PAHs, PCBs, DDT, atrazine, hexachlorocyclohexane isomers, etc.）. Several unique characteristics of sequestration have been observed, and the most striking one is that despite the significant differences in chemical and soil properties, desorption of sequestered contaminants for all the contaminant-soil/sediment combinations exhibited very similar KOC （organic-carbon normalized partition coefficient） and very similar desorption kinetics.     

基于B超成像的泥沙起动流速测量方法

床面上泥沙颗粒的起动测量一直是泥沙运动规律研究的难题。为此,提出了一种基于B超成像技术的泥沙起动流速测量方法。在模型试验水槽中,该方法利用B超仪获取水下地形及其附近粒子的运行图像,通过图像处理技术分析统计床面附近运动粒子的成像光斑个数,并分析其与流速之间的关系。结果表明,B超成像光斑个数在泥沙起动过程中存在一个突变过程,且该突变过程与泥沙起动运动相对应,可用来判定泥沙起动及其对应的起动流速,并利用该流速下的床面地形变化验证了该方法的正确性。该方法具有无扰动无干扰、适合于清水和浑水、易于实现自动化测量的特点。