有机质对粘性泥沙絮凝沉降的影响规律研究

The flocculation process changes the behavior of suspended cohesive sediment as it enters the estuarine environment. Investigation on flocculation phenomenon of cohesive sediment has been an important part of sediment transport and deposition on coasts and estuaries. The rich organic matter of the coastal and estuarine environment has a great impact on the sediment flocculation process. However, further investigation is required to indicate the biological flocculation mechanism, as well as, to classify the effects of the natural organic matter on floc characters, etc. In previous numerical studies, the floc size distribution was determined based on the discrete flocculation kinetic equation with some assumptions, which has uncertainty. Based on the description of interparticle forces, a fully three dimensional numerical model of flocculation processes of cohesive sediment considering the organic matter is established at the mesoscale. By the comprehensive experimental and theoretical analysis, the dynamic processes of floc formation, breakup and re-suspension are investigated, and the flocculation kinetics and floc characteristics induced by organic matter are analyzed to provide the reference for determining the parameters of traditional numerical model. This project not only can rich the sediment scientific research, such as the organic flocculation mechanism of cohesive sediments, but also can provide a reference for the environmental science research, such as the migrate and degradation of sediment adsorbed pollutants.

粘性泥沙的絮凝沉降是引起河口、海岸泥沙运动沉积的主要影响因素之一，河口海岸丰富的有机质对泥沙絮凝过程产生较大影响。然而，有机絮凝机理以及有机质存在对粘性泥沙絮团特性的影响规律等方面还有待进一步研究。以往粘性泥沙絮凝数值模拟研究一般是在离散型絮凝动力学方程的基础上，引入经验参数，得到絮团大小的分布，具有不确定性。本项目从描述粘性泥沙颗粒间受力出发，建立考虑有机质作用的粘性泥沙絮凝沉降三维全尺度细观数学模型，借助室内实验和理论分析等综合手段，描述有机絮团形成、破裂和再生成动力过程，分析有机质对粘性泥沙絮团特性的影响，为传统宏观模型中参数的确定提供依据，揭示有机絮凝对粘性泥沙输运过程的影响规律。通过开展本项目工作，不仅可丰富河口海岸粘性泥沙有机絮凝机制等泥沙科学的研究，而且可为泥沙吸附污染物的迁移降解规律等环境科学的研究提供参考。

粘性泥沙的絮凝沉降是引起河口、海岸泥沙运动沉积的主要影响因素之一，河口海岸丰富的有机质对泥沙絮凝过程产生较大影响。关于有机质对粘性泥沙絮凝影响的研究虽取得了一些进展，但目前我们对有机絮凝现象的机理以及有机质影响絮凝的规律仍缺乏足够深入的认识。本项目通过格子玻尔兹曼方法建立粘性泥沙有机絮凝沉降的全尺度细观模型，并在室内实验验证模型的基础上，通过数值模拟揭示有机絮凝沉降机制，总结粘性泥沙絮团特性随有机质含量的变化规律，揭示有机质对粘性泥沙输运过程的影响规律。.项目的主要研究内容和成果有：（1）进行了胶体颗粒形貌及粒间相互作用力测量研究，认为絮团大小随着有机质含量增加而增大；发现有机膜的存在会使在相互接近过程中的颗粒之间的斥力作用减小，细泥沙颗粒碰撞-粘结的效率会提高，同时有机膜的存在使絮团结合更加牢固，分离有机颗粒需要的剪切应力增大，絮团稳定性增强。（2）进行了粘性泥沙絮凝沉降的影响因素实验研究，认为在不同盐度条件下，有机质对絮凝沉降的影响规律不同，盐度为3、5、10 ppt 时，随着有机质含量的增加高岭土的沉速呈现快速减小的趋势，且随着有机质含量的增加，泥沙絮团粒径呈增加的趋势。（3）建立了考虑有机质影响的静水沉降的三维格子玻耳兹曼细观模型，根据实验拟合得到的考虑有机质影响的颗粒间相互作用力计算公式，利用得到的实验数据在XDLVO理论公式的基础上，考虑有机质的影响，分析有机质对粘性泥沙絮凝沉降过程的影响。（4）进行了有机质对粘性泥沙絮凝沉降机理及絮团特性影响规律研究，认为有机裹层改变了泥沙颗粒原本的物理化学性质，使得泥沙颗粒之间越来越容易发生胶结作用而形成较大絮团。.通过开展本项目工作，不仅可丰富河口海岸粘性泥沙有机絮凝机制等泥沙科学的研究，而且可为泥沙吸附污染物的迁移降解规律等环境科学的研究提供参考。