三峡水库泥沙絮凝特征及影响因素分析

三峡水库泥沙絮凝特征及影响因素分析何芳娇;吉祖稳;王党伟;夏建新【摘要】Field measurements are carried out at Miaohe and Fengjie reaches in Three Gorges Reservoir , and the sediments are sampled for the laboratory experiments .The analysis results show that the flocculation phenomenon exists in 99.4% of the 819 measuring points, and the diameter of 83.6%flocs is 3 to 8 times larger than that of the single particle , indicating that the floc-culation is universal under suitable conditions in Three Gorges Reservoir and the critical diameter of the floc is 0.02 mm.In the perspective of the sediment flocculation distribution , the flocculation mainly concentrates in the upper and middle layer of waters , which attenuates along the flow direction , namely the extent of flocculation of Miaohe reach is much smaller than that of Fengjiereach.The critical velocity of flocculation is 0.70 m/s, it is conducive to the formation of sediment flocculation below 0.7m/s. The formation of stable and large floc groups is difficult and weak flocculation is dominant in Three Gorges Reservoir due to the small relative kinetic energy of sediment particles .%以三峡水库奉节河段和庙河河段的现场取样资料为基础，通过现场测量和室内实验分析，发现819个现场取样点中，99．4％的测点存在泥沙絮凝现象，其中83．6％的泥沙絮团直径约为单颗粒直径的3～8倍，表明在条件适合的情况下三峡水库泥沙絮凝具有普遍性，絮凝的临界粒径为0．02 mm。

从库区泥沙絮凝的分布来看，主要集中在中上层水体中，并且顺水流方向呈现衰减的趋势，庙河河段的絮凝度明显小于奉节河段。

库区泥沙絮凝的临界流速为0．7m／s，流速小于0．7 m／s有利于泥沙絮凝的形成，但由于库区泥沙颗粒间的相对动能较小，泥沙絮凝难以形成稳定的大絮团，主要表现为弱絮凝。

【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2016(047)014【总页数】6页(P31-35,45)【关键词】泥沙絮凝;泥沙粒径;水流流速;含沙量;三峡水库【作者】何芳娇;吉祖稳;王党伟;夏建新【作者单位】中央民族大学生命与环境科学学院，北京100081;中国水利水电科学研究院泥沙研究所，北京100038;中国水利水电科学研究院泥沙研究所，北京100038;中央民族大学生命与环境科学学院，北京100081【正文语种】中文三峡工程是目前世界上最大的水利枢纽工程，其泥沙淤积问题一直是被广泛关注的热点，不仅直接影响水库的防洪调度和发电效率，还影响长江航运安全。

细颗粒泥沙发生絮凝之后将对泥沙沉降及淤积分布产生很大影响，以往对于淡水水库中是否存在泥沙絮凝现象一直缺乏深入观测和研究，水库与入海河口地区在水流条件、离子浓度等方面存在较大差异，河口地区为高盐度水体环境，细颗粒泥沙能够形成絮凝，但三峡水库为淡水环境，是否存在泥沙絮凝一直有较大的争议，也缺乏现场观测资料。

絮凝会在一定程度上影响泥沙输移和沉降，尤其是在水库中，会导致泥沙沉速增加，加剧泥沙淤积速度，如果不考虑泥沙絮凝对淤积沉降的影响，可能会在计算中低估泥沙的淤积速度和淤积量，从而给水库后期运行带来不利影响。

因此，研究水库泥沙絮凝及其影响因素，对确保水库合理调度和安全运行具有非常重要的指导意义。

本文利用三峡库区奉节河段和庙河河段部分测量断面的汛期水文泥沙数据进行分析，旨在分析三峡水库泥沙絮凝的程度以及库区水体环境对泥沙絮凝的作用，进一步加深对三峡水库泥沙运动规律的认识，同时也为库区泥沙絮凝研究奠定基础。

现场取样断面布置在三峡库区奉节河段和庙河河段。

奉节河段有S113、S114、S116和S118共4个典型断面，44条垂线，308个测点。

庙河河段有庙河、S37、S35、S33、S31、YZL02、DX01和DX01+1共8个监测断面，其具体位置如图1所示，除坝前DX01断面布置3条垂线外，其余7个监测断面上各布置10条垂线，每条垂线上从水面至河床依据相对水深布置7个测点，总计73条垂线，511个测点。

现场测量时间为2013年汛期7月15～18连续4 d，测量数据包括各个监测点的水温、流速、悬移质含沙量和颗粒粒径级配，从中选取代表性测点，在其位置上进行水体取样，并将水样带回实验室，利用马尔文激光粒度仪测量分散状态下水样中的泥沙粒径级配，现场进行含沙量及原样级配测量的仪器是LISST-100。

此外，除了进行上述水体测点的取样分析之外，本次研究还对坝区淤积的表层底泥进行了取样分析，取样时间为2013年12月9日，取样距离坝前约10 km，取样点共3处。

絮凝判别的基本方法为：采用LISST-100现场观测水体中泥沙粒径级配，将同一位置取出的水样带回实验室，添加表面活性剂使泥沙分散成单颗粒，采用马尔文激光粒度仪测得分散颗粒级配，最后将2种级配结果进行对比，可以分析出是否存在泥沙絮团。

2.1 库区泥沙絮凝基本特征为了反映水库泥沙絮凝程度，定义泥沙中数粒径放大倍数M为式中，DF为现场实测絮团中数粒径值，DP为实验室内测得的分散颗粒中数粒径值；M值表示了泥沙颗粒的絮凝程度，称为絮凝度。

2.1.1 水体中泥沙絮凝基本特征图2为三峡水库819个现场测点絮凝度的分布图，絮凝度M大于1，表明水库现场测点存在絮凝。

从图2可以看出，99.4%的测点存在不同程度的絮凝，其中粒径放大倍数主要集中在3～8之间，约占83.6%，即细颗粒泥沙经过絮凝形成的絮团83.6%的粒径大小为单颗粒粒径的3～8倍，是三峡水库泥沙颗粒发生絮凝最为集中的部分。

2.1.2 库区淤积底泥絮凝基本特征图3为三峡水库坝前淤积表层底泥离散前后的级配图，可以看出，离散后的床沙级配明显小于离散前的，细颗粒泥沙比重明显增加，粗颗粒泥沙比重明显减小，中值粒径由0.016 mm减小至0.011 mm，表明水库淤积底泥中存在一定的絮凝现象，从而间接证明了水体中有泥沙絮凝。

需要说明的是，此次沙样取自淤积底泥的表层，沙样的絮凝程度基本在2～3之间，应该是水体中泥沙絮凝程度最小的部分。

2.1.3 库区泥沙絮凝临界粒径图4为选取的4个典型断面(庙河、S31、S116和S113)的现场泥沙粒径与室内测得分散颗粒粒径组成的对比，可以看出，水库中粒径小于0.016 mm的颗粒泥沙占比显著减小，而大于0.031 mm的颗粒占比显著增加。

说明小颗粒泥沙聚集形成较大的絮团，从而使较小粒径泥沙占比较小，较大颗粒泥沙占比增加，三峡水库泥沙的絮凝临界粒径在0.016～0.031 mm之间。

图5为库区坝前淤积底泥离散前后各粒径所占床沙中粒径的百分数，可以看出，离散后的床沙粒径分布相对于离散前向左偏移，表明离散后细颗粒泥沙所占比例明显增加，这与淤积底泥中存在絮凝的认识相一致。

此外，还可以看出，离散前后泥沙颗粒所占百分数在某一粒径处变化不大，此处约为0.02 mm，对比图4，该粒径即为泥沙絮凝的临界粒径，即三峡水库中的泥沙絮凝主要发生在小于0.02 mm的泥沙颗粒中，大于0.02 mm泥沙颗粒基本不会发生。

2.2 库区泥沙絮凝分布特点2.2.1 絮团分布特征室内试验按规范，确保泥沙处于单颗粒状态下测量级配，测得本次取样中三峡水库泥沙单颗粒中值粒径的平均值约为0.009 mm。

由此可见，三峡水库水体中大部分泥沙处在絮凝临界粒径以下，具备了产生絮凝的基本条件[1-3]，并且粒径越细，颗粒表面的物理化学作用越强，絮凝现象也就越明显[4]。

图6为两河段观测断面粒径级配图，特征粒径取D25、D50和D75，两河段各断面D50均大于0.03 mm，实验室中测得分散颗粒D50为0.009 mm，说明各监测断面均发生不同程度的絮凝。

奉节河段3种特征粒径沿程均呈现增大的趋势，而庙河河段只有D75存在增大趋势，并且增加幅度趋于减缓，D25和D50趋势变化并不明显。

两河段共同的变化趋势是特征粒径越粗，粒径增加的幅度也就越大。

在水库没有絮凝发生的情况下，泥沙级配中较大粒径的泥沙颗粒应优先沉降到床面上，水体中的泥沙粒径沿程呈减小的趋势，粒径越大，减小趋势越为明显，而三峡水库现场测量的泥沙粒径沿程分布规律正好相反，说明水库存在絮凝现象。

2.2.2 絮团沿水深分布特征为了便于分析三峡库区的泥沙絮凝分布特征，根据M值大小将絮凝程度分为3个等级，如表1所示。

通常情况下，水深在断面上沿横向分布的变化很大，从不同水深的泥沙絮凝程度变化可以看出某一断面的粒径絮凝度分布特征。

图7为两河段典型断面不同絮凝度沿相对水深的变化情况。

如图所示，就断面相对水深而言，2个河段随相对水深变化其絮凝程度变化不同，表明不同水域在垂直分层上的絮凝程度是不同的。

不同相对水深条件下，奉节河段S118和S114分别以中度和重度絮凝为主，且S114断面随着相对水深的增加，重度絮凝占比增大。

说明S118断面处形成较小粒径的絮团，沿程发展呈较大粒径絮团并下沉到河床。

庙河河段S37和S31两断面与S118和S114相比，整体絮凝程度减弱，以轻度絮凝和中度絮凝为主，由此可以看出，三峡库区的泥沙絮凝程度沿程是衰减的，奉节河段重度絮凝形成较大粒径的絮团沿程已下沉到河床。

3.1 絮凝机理分析天然河流的黏性细颗粒泥沙矿物成分多数是由铝或镁的硅酸盐晶体构成的，因异价离子的同晶代换效应使颗粒表面电荷显负，可以用DLVO为代表的胶体稳定理论作为解释絮凝发生的基础理论和基本原理[5]。