黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮运动过程数学模型研究-清华大学方红卫.PDF

水 利 学 报 2016年12月 SHUILI XUEBAO 第47卷 第12期 文章编号：0559-9350（2016）12-1540-08 黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮运动过程数学模型研究 1，2 1 2 2 柴朝晖 ，方红卫 ，姚仕明 ，王 茜 （1. 清华大学 水利水电工程系 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084； 2. 长江科学院 河流研究所，湖北 武汉 430010） 摘要：黏性泥沙运动特性是河流海洋泥沙动力学研究热点之一。为研究紊动水体中黏性泥沙运动过程及其机理， 以絮凝动力学方程为基础，通过设置不同粒径级别的泥沙絮团再悬浮量为下边界条件来反映黏性泥沙絮团的再悬 浮，建立了黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮动态过程数学模型。模型验证结果表明，新建模型可用于描述黏性泥沙 絮凝-沉降-再悬浮运动过程，且具有一定的精度。最后以泥沙絮团体积分布为指标，探讨了强紊动水体中絮 凝、沉降和紊动扩散在这一动态过程中的作用。研究结果表明，强紊动水体中，上层区域泥沙絮团分布的决定因 素是沉降和紊动扩散；中部区域是絮凝；下层区域是絮凝和紊动扩散。 关键词：黏性泥沙；絮凝；沉降速度；再悬浮；分形 中图分类号：TV141 文献标识码：A doi ：10.13243/ki.slxb 1 研究背景 黏性泥沙主要是由粉沙（d0.05mm）和黏粒（d0.005mm）组成，在河流、水库、河口及海岸水体 中广泛存在。黏性泥沙极小的粒径使其具有较强的电化学性质，一定条件下会碰撞黏结形成泥沙絮 ［1-2］ 团，从而使黏性泥沙表现出异于粗颗粒泥沙的性质，如沉速的改变、成团起动等 ，而且黏性泥沙 ［3-4］ 表面吸附的污染物会随其运动而迁移，一定程度上会影响水体水质 ，因此，黏性泥沙特性是河流 海洋泥沙动力学研究的热点之一。 黏性泥沙的絮凝、沉降和再悬浮决定着水体中泥沙垂向分布、泥沙吸附污染物的形式及黏性泥 沙向下游输移量等，是目前国内外学者研究的重点。但是研究工作一般侧重与本学科相关的某一或 两方面，如，环境学科侧重分析黏性泥沙絮凝过程及再悬浮对生态环境的影响作用，研究点在黏性 ［1］ ［5］ 泥沙絮团结构形态及粒径分布情况 、黏性泥沙絮凝对生态的影响 、黏性泥沙再悬浮对重金属的影 ［3-4］ 响上 ；水利学科则侧重与天然水体密切相关的泥沙浓度、水流、pH值、水温、盐度和有机物等因 ［6-7］ ［2］ ［8］ 素对黏性泥沙絮凝的影响规律 、理论或半经验的黏性泥沙沉降公式 和再悬浮公式 的研究；地球 ［9-10］ 学科中则侧重通过实测资料分析黏性泥沙再悬浮及其对河床地貌的影响 。然而某一时刻水体中絮 凝、沉降和再悬浮是同时存在的，如图1所示，应将黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮作为一个过程进行 研究。同时，相关数学模型以絮凝模型为主，一类以Witten提出的颗粒扩散受限聚型为基础，如， ［11］ ［12］ ［13］ Kim和Stolzenbach 等模拟了黏性泥沙的差速沉降絮凝，柴朝晖等 、张金凤等 模拟了黏性泥沙在 水流作用下的同向絮凝；另一类则以胶体化学中的Smo