长江口絮凝体粒径分布规律及其对细颗粒泥沙沉降速度的影响

Fine-grained sediments do not exist as single particles, but as floc consisting of many particles gathered together in estuary waters. The floc size distribution, which varies in space and time following estuary hydrodynamics, affects the settling velocity of suspended fine-grained sediments. However, the relationship between floc size distribution and settling velocity has not been clarified yet, especially for fine-grained sediment in the Yangtze Estuary.This project intends to sample the sediments directly from four locations of the Yangtze Estuary. Based on the analysis of the field data, the flow turbulence, salinity, and suspended sediment concentration are chosen as the most important factors for flocculation and settling. Lab experiments will be carried out under selected conditions. Also, various impacts, e.g. turbulence intensity, salinity, and suspended sediment concentration, will be studied on the evolution of floc size distribution in the Yangtze Estuary. Combined with fractal theory, the relationship between FSD and Ws in the Yangtze Estuary will be discussed. The research results will provide important experimental parameters and theoretical support for flocculation process and mathematical model on sediment transport in the Yangtze Estuary.

细颗粒泥沙在河口水体中具有不以单一颗粒而是大量颗粒结合成絮凝体形式存在的特性。在不断改变的河口动力环境下，絮凝体粒径分布也时刻发生不断变化，并直接影响着细颗粒泥沙沉降速度，但具体的影响机制尤其是针对长江口的细颗粒泥沙还亟待进一步的研究。本项目拟直接从长江口四处典型位置采集沙样并在现场实测资料分析的基础上，将水流紊动、含盐度和悬沙浓度作为影响长江口絮凝体最关键的动力因子，设计系统的室内试验并实现特定的实验组次，研究在长江口会实际发生的紊流强度、盐度和泥沙浓度这三种因素变化的综合影响下的长江口絮凝体粒径分布变化规律；并结合分形理论，分析长江口絮凝体粒径分布对沉降速度的影响机制。研究成果可为长江口泥沙絮凝过程和泥沙输运过程的数学模型提供重要参数与理论支撑。

紊流环境下的细颗粒泥沙絮凝问题影响着泥沙的沉降和沉积，是研究细颗粒泥沙运动基本问题和难点之一。本项目以理论分析为指导，利用室内实验和数值模拟的方法，在现场测量及以往现场观测资料充分分析的基础上研究复杂河口动力环境因子影响下的絮凝体粒径分布特性及其对细颗粒泥沙沉降速度的影响。项目的主要研究内容和取得的成果有：（1） 在利用数学模型对以往研究絮凝过程研究的试验装置水动力特性分析研究的基础上，设计了一种新型实验装置，并进行了组装构建。（2）在新的实验装置内开展了水动力特性研究，利用声学多普勒流速仪（ADV）测量了不同水流梯度下的流速剖面结构，分析了装置内的二次流结构和垂向紊动特性。（3）开展了实验中所用的观测仪器进行了率定对比分析，重点研究了4种含沙浓度和3种絮凝体粒径的量测仪器的特性。（4）选择高岭土和长江口北槽土，在新的实验装置内开展了8中不同水流紊动，5组不同水体含盐度和4组不同含沙浓度系统实验。基于实验数据的分析，提出了利用分形维数来合理定量描述絮凝体粒径分布，并进行了计算分析，初步建立了含沙浓度、水流紊动和盐度这三个关键动力因子与长江口絮凝体粒径分布的关系。（5）对长江口的实测水沙数据进行了具有针对性的挖掘研究，建立了长江口北槽数学模型系统研究了长江口北槽深水航道高含沙高流速强动力混合下的水沙特性，揭示了长江口北槽中高落潮流形成机制。（6）在室内试验分析成果基础上，在太湖开展了水沙特性的现场观测研究，首次将LISST和水下自动成像系统两种观测仪器结合运用于现场直接观测絮凝体粒径分布及其沉降特性上，研究结果揭示了受波浪主要作用的太湖水流特性下的絮凝体变化规律。本研究的成果主要揭示了紊流强度、盐度和泥沙浓度这三种因素变化的综合影响下的长江口絮凝体粒径分布变化规律，可为长江口泥沙絮凝过程和泥沙输运过程的数学模型提供重要参数与理论支撑。