细颗粒泥沙絮凝沉降特性分析

细颗粒泥沙絮凝沉降特性分析

吉顺莉，金鹰

河海大学交通学院，南京（210098）

E-mail:：jishunli@

摘要：絮凝是河口海岸粘性细颗粒泥沙遇强电解质海水产生的一种独特现象，它影响到泥沙运动的基本规律以及河口海岸的地理或环境的演变。絮凝是由于细颗粒泥沙独特的电化学特性产生的。影响絮凝的因素众多，主要有：紊动、矿物组成、含盐量、温度、有机质含量、含沙量大小、粒度、沉降历时等等。

关键词：粘性泥沙；絮凝；絮凝机理；絮凝影响因素

1、引言

形成河口淤积很重要的原因之一就是上游带来的粘性细颗粒泥沙在河口遇强电解质海

水产生絮凝沉降，这些细颗粒泥沙主要由粘土矿物组成，具有特有的电化学性质。在水中遇

强电解质海水中的阳离子、高分子有机污染物等发生絮凝形成絮团，从而泥沙的沉降速度增

大，加速了河口泥沙的淤积。粘性细颗粒泥沙由于其表面电化学性质而使其具有特殊性质，

在电解质中产生絮凝就是其最突出的特性之一。因此，细颗粒泥沙的絮凝现象得到了广泛的

研究。

2、絮凝产生的原因

2.1细颗粒泥沙的特性

细颗粒泥沙在含有电解质的水中，颗粒周围会形成双电层。通常细颗粒泥沙的主要成分

是粘土矿物，它们在含有电解质的水中，一般都使泥沙颗粒表面带有负电荷。这种表面带有

负电荷的细颗粒泥沙在含有电解质的水中，由于静电吸引作用，吸引水中带正电荷的离子，

这种被牢固吸附在紧邻颗粒表面周围的反

离子层成为吸附层。吸附层的离子电荷不

足以平衡颗粒表面的全部电荷，因此在吸

附层外还有一层与颗粒表面电荷异号的反

离子层，即所谓的扩散层。颗粒表面离子

层及其周围的反离子层（吸附层和扩散层）

构成颗粒的双电层，双电层外属中性水，

见图1 。

图1 细颗粒泥沙的双电层结构颗粒表面的电荷不仅吸引异号离子，也吸引水分子。在泥沙颗粒表面负电荷的作用之下，

靠近颗粒表面，在吸附层范围内的水分子便失去了自由活动的能力而整齐地、紧密地排列起

来，这被称为粘结水。围绕在粘结水外面，在扩散层范围内的水分子因距颗粒表面较远，受

到的引力较小，水分子的排列比较疏松，仅有轻微的定向。这部分水被称为粘滞水。粘结水

和粘滞水统称为束缚水。束缚水外的水分子几乎不再受静电引力的作用，在重力作用下能自

由流动，称为自由水[1]。这样使得细颗粒的电动电位下降，颗粒间斥力减小，当小至一定程

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度时，颗粒碰撞产生合并，就出现絮凝。[2]

2.2、絮凝的机理：

其一，是盐絮凝，是指河口中悬浮泥沙因盐度的增大而脱稳絮凝，它主要包含两个因素，一是悬浮泥沙因吸附河口水中的高价阳离子而使其表面电位降低，二是介质离子强度增大，是双电层受压缩变薄，因而降低了悬浮泥沙的电泳淌度或ζ电位。此两者均使悬浮颗粒间的排斥作用减小，从而减小了悬浮泥沙的稳定性；

其二，是桥联絮凝,指由于被吸附物质如水解产物和有机物的作用而形成粒间桥键。夏福兴等[3]认为腐殖质与粘土矿物是通过多价金属离子（主要是Ca2+和Mg2+）的架桥作用而形成稳定的腐殖质—多价金属离子—粘土矿物三元络合物。并认为有机物与氧化铁的相互作用还应考虑范德华引力及氢键作用；

其三，网捕作用，由于有机物等的胶结作用，泥沙颗粒可形成大的絮凝体或絮团。由于絮凝体或絮团内部存在着或大或小的空隙，这样一些细小的颗粒可被捕获而一同下沉。[4] 2.3、絮团的形成

粒径在临界值以下的细颗粒泥沙具有了产生絮凝的必要条件[5]，但细颗粒泥沙要形成絮团还必须满足两个条件，其一是颗粒之间必须产生碰撞，其二是必须有一定比率的颗粒碰撞使颗粒粘结在一起[6]。造成颗粒碰撞的因素主要有三种作用：（1）、布朗运动（2）、悬浮颗粒的不等速沉降（3）、悬浮液体内的速度梯度（流动剪切）。目前对上述三种作用已经有了比较深入的了解，而对颗粒碰撞后的粘结过程还有待深入研究。[7]

2.3.1布朗运动

在河口海岸地区，布朗运动可能只在絮凝的初始阶段和基本絮团的形成过程中起作用。一般来说，布朗运动的作用只对2μm以下或1μm以下[7]的泥沙颗粒起作用。因此，对于实际河口海岸的细颗粒泥沙絮凝，布朗运动几乎可以不予考虑。

2.3.2不等速沉降

Stolzenbach和Elimelich[8]根据低雷诺数不可渗球形颗粒碰撞几率理论对不等速沉降进行了分析，结果表明，当两个颗粒大小相差较大，大颗粒比小颗粒沉降速度快但其密度小于小颗粒时，两个颗粒的碰撞概率几乎为0。因此，他们认为，不等速沉降引起絮凝可能只对尺度很小或很大的颗粒起重要作用。由于Stolzenbach和Elimelich的结论有一定的理论根据，而且得到了实验验证，因此，Winterwerp[9]、Dyer和Manning[10]等都引述他们的结果来强调紊动等因素的重要性，认为不等速沉降造成的絮凝可能可以忽略。实际上，实心圆球模式与淤泥絮团是否接近还有待进一步研究，细颗粒泥沙不等速沉降对絮团形成的作用应是不容忽略的，特别是在水流紊动比较小的情况下[11]。Partheniades[12]也指出，不等速沉降在静水中和相对静止的水体中是起主要作用的。在潮流憩期间，现场曾经观测到泥沙的快速沉降[13]，这应该归因于泥沙颗粒（絮团）不等速沉降形成大絮团所造成。

Hill等[14]通过对水流紊动和絮团因沉降而引起的周围水体对絮团的作用力的比较发现，在紊动强度不是很大时，沉降本身造成的絮团与周围水体相对运动引起的絮团破坏和水体紊

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动作用接近，因此，絮团沉降本身会限制絮团尺度的发展。他们指出，除了紊动特别强烈的水环境外，由于絮团沉降本身造成的对絮团的破坏力可能超过了水流紊动的作用。

综上所述，在实际河口海岸环境中，特别是在水流紊动比较小的情况下（如憩流期），不等速沉降是絮团成长的主要因素，但其沉降规律如多颗粒碰撞、碰撞后的粘结概率还需要进行深入研究。

2.3.3紊动作用

颗粒碰撞频率一般随紊动强度而增大，但絮团大小与紊动强度的关系并不是单向的，紊动对絮团的影响影响有两个相反的趋势：（1）水体紊动增加了颗粒之间的碰撞机会，从而可以形成较大的絮团，使颗粒沉速增大；（2）水体紊动引起的剪切力使絮团直径和沉速受到制约，在紊动强度足够大时，大絮团受到紊动剪切作用而破裂，水体中絮团大小和沉速将随紊动增强而减小[15]。

以往的很多研究忽视了紊动对絮团大小及沉速的影响，自从Owen[16]对紊动的影响加以定性描述后，紊动影响逐步引起了研究者的重视。

3、影响絮凝的因素

影响细颗粒泥沙絮凝沉降因素十分复杂，国内外许多学者对不同的影响因素开展了大量研究，在泥沙絮凝机理、絮凝特性以及絮凝沉降动力学模式等方面都取得一些有实用价值的研究成果。影响的主要因素有物质成分（矿物成分、粒度、含沙浓度、泥沙颗粒表面电荷）、介质条件（盐度、温度、黏度、pH值）和动力条件（流速、紊动强度）等。

3.1紊动的影响：

絮团大小与紊动强度的关系不是单向的，紊动对絮团的影响影响有两个相反的趋势：（1）水体紊动增加了颗粒之间的碰撞机会，从而可以形成较大的絮团，使颗粒沉速增大；（2）水体紊动引起的剪切力使絮团直径和沉速受到制约，在紊动强度足够大时，大絮团受到紊动剪切作用而破裂，水体中絮团大小和沉速将随紊动增强而减小。在河口海岸环境中，紊动强度是影响粘性细颗粒泥沙絮凝的重要因素，也是合理确定粘性泥沙沉速时必须考虑的因素[17]。

3.2矿物组成对絮凝的影响：

不同的泥沙自然矿物成分不同，并且它们的结构体系、粒径等等物理性质都不相似，因此造成絮凝程度的不同。细颗粒泥沙（粘土矿物）属于层状硅酸盐，主要构造单元是二维排列的硅-氧四面体和二维排列的铝或镁-氧-氢氧八面体。在大多数粘土矿物中，这样的四面体片和八面体片以不同方式叠合着[18]。从细颗粒泥沙的结构的分析中可以得出泥沙本身对絮凝有着很大的影响。用纯粘土和河口泥沙进行15‰盐度人工海水静水实验，发现纯粘土的絮凝量比河口泥沙大，能形成大片的絮团。在纯粘土中，皂土的絮凝量大于高岭土，高岭土又大于绿泥石，石英砂基本不絮凝。

3.3含盐量的影响：

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