泥沙絮凝研究现状概述

对絮凝过程的研究有三个重要阶段，即M.von Smoluchowski的絮凝动力学理论，胶体稳定性（DLVO）理论，以及分形几何理论，其中以DLVO理论为代表的胶体稳定理论是解释絮凝发生的基础理论和基本原理，絮凝动力学理论和分形几何理论可以在絮凝机理的基础上直观描述絮凝的发生和发展过程。因此，研究泥沙絮凝的基础在于絮凝基本原理，即如何将DLVO理论用于解析泥沙絮凝过程，在此基础上量化各种影响因素对泥沙絮凝过程的影响。

DLVO理论基于双电层理论，对水体中离子絮凝作用机理进行量化描述，解析离子对于泥沙絮凝过程的作用原理。该理论在20世纪40年代由苏联学者B.V.Deryagin和L.Landau，以及荷兰学者E.J.Verwey和J.T.G.Overbeek分别提出，经过大量试验和观测，证明此理论能够解释实际发生的基于离子作用的絮凝现象。对于天然水体中泥沙的絮凝，大量试验和观测结果说明，其絮凝的基本动力来源于颗粒表面离子所带电荷的作用力，因此，对于这类问题的研究，可以采用DLVO理论作为絮凝的基本原理。

3.3.1.1 泥沙颗粒絮凝的微观机理

泥沙颗粒大都是铝或镁的硅酸盐晶体，根据其分子结构不同分为各种不同的矿物和土体。由于矿物表面离子的同晶代换，低价阳离子（如Mg离子、Fe离子、Zn离子）等置换了晶体中的Si离子，使颗粒表面带负电，因而在水体中吸引反离子，即阳离子，以保持电中性，从而在颗粒表面形成双电层，如图3.3-1所示。

分散在水体中的极细泥沙颗粒因布朗运动和沉降速度极小而具有沉降稳定性，而微粒因表面电荷相互排斥而具有聚合稳定性。聚合稳定性的破坏会产生絮凝现象，同时也会破坏体系的沉降稳定性，加速泥沙的沉降速度。

聚合稳定性的破坏一般有两种机理：一种是通过克服微粒间静电斥力后由范德华力（Van der walls force）引起颗粒的相互聚结长大，称为凝聚；另一种是由线型的高分子化合物在微粒间“架桥”连接而引起微粒的聚结，称为絮凝。通常所称的絮凝同时包含这两种作用。

凝聚作用与水中离子有关，DLVO理论认为，当增大电解质浓度或反离子（一般是阳离子）价数时，颗粒表面双电层会被压缩，从而使综合位能曲线（图3.3-2）上势垒高度降低，增大颗粒间碰撞、凝聚的几率。

图3.3-1　泥沙颗粒上双电层与吸附水膜结构

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图3.3-2　综合位能曲线

有机物通过架桥作用可以促成泥沙颗粒絮凝，其絮凝原理较为简单，而且，在天然水体中，能溶于水且能够促成泥沙颗粒絮凝的有机物较少，一般不会对泥沙絮凝产生较大影响，因而在很多天然水体泥沙絮凝沉降研究中只针对离子絮凝（凝聚作用）进行研究和分析。由于水体环境本身比较复杂，加之泥沙颗粒运动本身也极其复杂，因此影响泥沙絮凝的因素众多，要理清泥沙的絮凝沉降规律，除了基本的絮凝原理，还得了解各种因素对泥沙絮凝沉降过程的影响，这也是泥沙絮凝研究中最热门的主题，许多学者都对此进行了细致的研究。张志忠[17]研究了长江口细颗粒泥沙的粒度、矿物、电荷与泥沙絮凝的关系。蒋国俊[18]应用模型分析中的关联度分析理论，分析了影响细颗粒泥沙絮凝沉降的主要因素，指出影响细颗粒泥沙絮凝沉降的主要因素依次为水温、沉降历时、盐度、粒度、含沙量和流速，其中盐度和粒度是阈值型影响因素，沉降历时、含沙量和流速是连续型影响因素，水温是具有阈值型和连续型双重特性的影响因素；只要阈值型影响因素达到或超过了阈值，细颗粒泥沙就发生絮凝作用，阈值型影响因素的变化对沉降强度影响不大；连续型影响因素对细颗粒泥沙絮凝沉降的影响是连续的，它们不仅影响絮凝作用的发生，而且影响絮凝沉降强度。陈庆强[19]研究了影响长江口细颗粒泥沙絮凝的若干因子，包括水体盐度、水温、含沙量、粒度、流速及水化学要素（包括p H值、有机质含量、阳离子浓度等）。金鹰[20]认为影响长江口黏性细颗粒泥沙的因素很多，机理也较复杂，主要有内因、外因两个方面，内因主要是泥沙矿物成分、粒径大小、有机质含量等，外因主要为介质水的含盐度、离子价数、含沙浓度、流速、p H值等。吴荣荣[21]认为影响钱塘江口泥沙絮凝的因素很多，除了电解质，还有泥沙粒径的大小、盐度、含沙量、p H值、温度、有机质含量、矿物成分、水流速度及紊动情况等。王保栋[22]对河口细颗粒泥沙絮凝作用的研究工作进行了综合评述，通过分析认为河口细颗粒泥沙絮凝作用的影响因素除了其本身的表面电荷及盐度、有机物等水化学因素外，水流切应力是影响絮凝的又一重要因素。

3.3.1.2 絮凝体沉降速度的研究

泥沙絮凝所形成的絮团，其密度一般远小于单颗粒泥沙的密度，而且，由于构造不同于单颗粒泥沙，其沉速难以用单颗粒泥沙沉速公式来估算。陈洪松[23]在静水沉降试验中发现，在相同盐度下，细颗粒泥沙的絮凝沉降速度随电解质浓度的增大而增大。有鉴于此，王家生[24]将离子浓度加入到泥沙沉速公式中，以考虑絮凝作用对泥沙沉速的改变；显然，此公式对于静水沉降可以采用，但对于河流中流动的天然水体，这样的考虑并不够周全，因为絮凝不仅与离子浓度有关，水流的运动状态对于絮凝形成、破坏及下沉也很重要。周海[25]等人以流速为主要参变量，在水槽中进行细颗粒泥沙絮凝沉降试验，结果显示，动水絮凝沉降速率和沉降量受到碰撞絮凝概率与剪切破碎概率、絮凝体所受外力与本身抗力两大关系的制约。而这两大关系都受流速的影响，流速成为制约絮凝沉降速率和沉降量的主要因素。

絮团的容重是影响絮凝的重要因素，而絮团的容重在很大程度上取决于絮凝体的结构，因此，对于絮团结构的研究也备受重视。柴朝晖[26]利用SEM图像分析法和统计学方法，研究了黏性细颗粒泥沙絮体孔隙大小、形状及孔径分布，同时探讨了絮体孔隙大小及孔径分布与絮体沉速之间的关系，在此基础上又引入分形维数来描述泥沙絮凝体的结构，结果显示，淤泥絮体孔隙二维分形维数与絮体沉降速度之间存在一定的联系，可用孔隙二维分形维数的大小近似反映淤泥沉降的快慢。金同轨[27]、谭万春[28]等用分形理论模拟研究黄河泥沙颗粒在高分子絮凝剂作用下的絮凝体结构。洪国军[29]则以分形生长理论为基础，使用改进的受限反应絮团聚集（RLCCA）模型，在计算机上模拟颗粒泥沙悬浮体系的絮凝-沉降过程。王龙[30]考虑了泥沙颗粒在水中的多体相互作用和颗粒间的XDLVO势，分析了盐度、泥沙浓度、Hamaker常数、水合作用对泥沙絮凝沉降的影响，获得了泥沙絮凝沉降速度的拟合公式。张金凤[31]从微观结构出发，研究絮团运动机理，由扩散受限絮凝体聚集模型生成大小不同的分形絮团，引入格子Boltzmann方法模拟三维分形絮团的静水沉降，获得了絮团沉降速度的变化过程。

对于黏性细颗粒泥沙来说，最重要的是能够简单而准确计算其絮凝沉降速度，以评估絮凝对于细颗粒泥沙沉降及河床冲淤的影响，而目前缺少的恰恰就是能够考虑所有因素且较为准确反映絮凝后泥沙沉降过程的方法。因此，在理清泥沙絮凝的基本原理、分析其影响因素的前提下，将影响絮凝的关键因素纳入絮凝沉降速度计算，才能从根本上解决泥沙絮凝沉降问题。

3.3.1.3 絮凝室内试验及现场观测方法

试验及观测是检验理论方法或结果最为直接和客观的方法。但是，由于泥沙絮凝很难直接被肉眼所观察，即使借助显微镜等设备，也需仔细辨别才能分辨出试验是否发生了絮凝以及絮团的尺寸。因此，研究絮凝问题不仅存在理论上的困难，在试验及观测方面也存在困难。目前，国内外已有学者对室内试验、甚至野外现场进行絮凝过程絮团结构观测，观测设备以粒度仪为主。

陈锦山[32]利用现场激光粒度仪（LISST—100）观测了长江流域干流4050km河段上13个主要站位的絮团大小特征，对比分散粒径和悬浮物浓度，得到长江干流水体的现场悬浮物絮团粒径平均为35μm（洪季），泥沙中值粒径平均为5μm。李秀文[33]也是利用现场激光粒度仪LISST—100在长江口水域进行了大范围絮凝体测验。程江[34]2003年6月利用现场激光粒度仪在不扰动的情况下，获取了长江口徐六泾处悬浮细颗粒泥沙絮凝体的现场粒径系列资料，应用谱分析方法研究了絮凝体粒径在大小潮、表底层的变化规律。Mikkelsen[35]也曾用激光粒度仪现场观测了North Sea和Horsens Fjord两处沿海水域的泥沙絮凝粒径。这些观测结果都说明该仪器能够用于测量絮团粒径，但是无法观测絮团沉速。