有机质对细颗粒泥沙静水絮凝沉降特性的影响(陈洪松,邵明安)

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有机质对细颗粒泥沙静水絮凝沉降特性的影响

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陈洪松邵明安水利论文.uz-Bwx/z0G N
中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵
a'z!v3Utd5lx0蚀与旱地农业国家重点实验室)
水利论文Pa,w]ou

摘要:在CaCl2和MgCl2浓度为0~1.0mmol/L,泥沙浓度为10g/L时,本文用吸管法研究了有机质对细颗粒泥沙絮凝沉降的影响,结果表明:在液面下同一深度,有机质并不影响泥沙浓度随时间呈指数衰减的变化规律。但去除有机质后,细颗粒泥沙絮凝的最佳电解质浓度降低;对于相同的电解质浓度,其絮凝沉降加快,泥沙平均沉速明显增大。水利论文7Y uVmyjo8m

关键词:CaCl2;MgCl2;有机质;细颗粒泥沙;絮凝沉降特性水利论文2A*CA5T/M4\`+S9I

基金项目国家自然科学基金(59879026)和中国科学院知识创新工程项目(KZCX 2 411)。

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作者简介:陈洪松(1973-),男,湖北通山人,博士生,主要从事土壤物理与土壤侵蚀方面的研究。水利论文.F6O-a L L6[&i*yh

  黄土高原是我国,也是世界上水土流失最严重的地区之一。强烈的水土流失不仅造成大量泥沙输入黄河,淤高河床,增加洪涝灾害频率,而且还造成土壤养分大量流失,导致土壤退化、土地生产力降低,严重制约了该区农业和经济的可持续发展。与此同时,土壤中的大部分农用化合物(农药和养分)随径流及侵蚀泥沙迁入水体,引起水体富营养化或污染,并以细颗粒泥沙为载体在水体中不断迁移转化,增加了治理的难度[1,2]。随着人口 资源 环境 粮食矛盾的日益加剧,如何有效防治水土流失和解决由此带来的泥沙问题就显得越来越迫切。

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  不少研究表明[3~7],细颗粒泥沙的絮凝 分散对研究河口港湾、水库、渠道的淤积规律,航道疏浚,拦门沙的形成机理以及水土流失的防治对策等都有重要意义,是水利、农业水土工程、水土保持和环境保护等学科共同关注的热点问题之一。有机质作为土壤肥力的物质基础,对土壤物理性质有重要影响,是土壤结构形成和稳定作用的核心物质,其对细颗粒泥沙的絮凝分散也有重要作用[8,9]。但以往研究细颗粒泥沙的输移、沉积时,多侧重于港湾口咸淡水交界地区的水质和沙样,较少考虑有机质对细颗粒泥沙絮凝及沉降的影响,尤其是综合考虑Ca2+、Mg2+和有机质共同对细颗粒泥沙絮凝 分散影响的研究[3~7]。在黄土高原地区,该项研究更为少见。近年来,黄河中游水质的浓化趋势[10]进一步表明了上述研究的重要性。本文以天然级配的细颗粒泥沙为研究对象,探讨在不同浓度CaCl2和MgCl2的作用下,有机质对细颗粒泥沙静水絮凝及沉降的影响,以期为有关问题的深入研究提供一定的理论依据。

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1 材料与方法水利论文|e,}2~`7Dhr t

1.1 供试材料

gQ#F g+JK0
  供试样为土耕层(0~20cm),阴凉处风干后过0.1mm筛,装袋备用。试验前测定泥沙吸湿含水量为2.4%。土主要为Ca2+、Mg2+饱和,粘土矿物以伊利石为主[11],其基本理化性质见表1。

表1土基本理化性质
i%v4u.Nq0Table 1 Physical and chemical properties of Lou soil

[7s"G~-P9k0

土层深度(cm)有机质(g/kg)碳酸钙(g/kg)阳离子交换量(cmol/kg)pH比 重

0~2011.892.58.618.622.65

1.2 试验方法

5kX[ ~V+h0

  为了不影响土壤的化学性质,浑液(水土比10:1)用XL2005-300型超声波(220kHz,50W)振荡分散20分钟。然后,再按规定的泥沙和电解质浓度将浑液稀释在1000ml量筒中。CaC2和MgCl2的浓度为0~1.0mmol/L,泥沙初始浓度为10g/L。有机质用H2O2去除[12],土样去除和未去除有机质的分散结果见表2。

VCI[N0

  试验中泥沙浓度用吸管法测定[12],取样深度为液面下20cm,测定时间分别间隔0、5、10、20、30、40、40、60分钟,共205分钟。含沙量用烘干称重法测定,所得结果换算为与泥沙初始浓度的相对值,相当于小于某粒径的重量百分比。温度控制在24℃,最大温差<±1℃。每次试验重复三次。水利论文g[r `D[*C

表2 四种分散方法结果对比水利论文FL7jC b[9\5Y
Table 2 Comparison of the results of four kinds of dispersing methods

?}]lv Nld0

分 散 方 法

*g5V%qGed?p0

粒 级 (%)

"XF Veg0

<0.05mm<0.01mm <0.005mm<0.002mm

不去有机质水利论文#vr Tarp k/d@

加(NaPO3)6振荡分散99.049.137.427.8
去有机质99.251.039.229.3
不去有机质

超声振荡分散20min

nnNWBk0
98.346.335.924.3
去有机质98.349.737.824.8

2 结果与分析

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2.1 有机质对细颗粒泥沙絮凝沉降特性的影响水利论文(B-AkT9XO KdKB

  CaCl2浓度为0~1.0mmol/L时,泥沙相对浓度随时间的变化规律见图1。由图1可知,0~35min时,细颗粒泥沙沉降较快,随后渐趋缓慢,即细颗粒泥沙浓度随时间呈指数衰减。但CaCl2浓度越大,泥沙相对浓度降低越快,即细颗粒泥沙絮凝沉降越快。这是由于刚开始沉降时细颗粒泥沙碰撞率大,且其碰撞结合率随CaCl2浓度的增大而增大,絮凝沉降较快,随后溶液中剩下的细颗粒泥沙逐渐变少,沉降渐趋缓慢[7,13]。在不同浓度的CaCl2悬液中,去除有机质后,细颗粒泥沙的絮凝沉降特性并没有发生变化,泥沙浓度依然随时间呈指数衰减。但是,去除有机质后,对相同的Ca2+浓度,细颗粒泥沙絮凝沉降变快。由图1还可看出,未去有机质时,CaCl2浓度为0.3mmol/L时细颗粒泥沙的絮凝沉降不太符合上述规律;而去除有机质后,CaCl2浓度为0.1mmol/L时细颗粒泥沙的絮凝沉降不太符合上述规律。这种现象可能与泥沙的化学性质有关。MgCl2浓度为0~1.0mmol/L时,有机质对细颗粒泥沙絮凝沉降特性的影响同上。水利论文 _ULt%o FD


^ x!o"{)U@a"b]\0
(1)未去有机质

?#sk*c2t*~0

;K? L8Rz:G0

(2) 去除有机质

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图1 CaCl2对细颗粒泥沙絮凝沉降的影响水利论文n H)[ F!^}#uJ} G
Fig.1 Efect of CaCl2 on fine sediment flocculation and settling

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2.2 有机质对泥沙沉速的影响

(O,pT[,pi7z0

  当细颗粒泥沙体积比浓度在0.35%~2.25%(约3.5~22.5kg/m3)以内时,颗粒间的相互影响较小,沉速可采用 Stokes公式计算[7]。本文泥沙平均沉速采用重量加权平均的计量标准[14],可用下式表示水利论文)Ay'LP]qv

,j0mXg"w@p0
(1)

Δωi=(ωI+ωi-1)/2=h(tI+tI-1)/titI-1水利论文? ]|E?!|` U"Gau5k

(2)

Δpi=pi-1-pi水利论文)@(tsb|9d9T@

(3)

式中 Δωi为第i粒径组平均沉速;ΔPi为第i粒径组的重量百分比;h为取样深度;t是取样时间。水利论文H'i_ s~3K

  在CaCl2和MgCl2的浓度为0~1.0mmol/L时,有机质对的影响见图2。由图2可知,随CaCl2和MgCl2浓度的增大呈现:缓慢增大 快速增大 渐趋稳定(甚至反而减小)的变化趋势。但是去除有机质后,对同一电解质浓度而言,明显增大。CaCl2和MgCl2的浓度为0~0.7mmol/L时,去除有机质后分别增大1.08~1.31倍和1.08~1.35倍。这是因为,去除有机质后,悬液中负电荷减少,稳定性降低[8,9],同样浓度的电解质导致其絮凝沉降加快。由图2还可知,去除有机质后,趋于稳定时的CaCl2和MgCl2的浓度降低。没去有机质时,CaCl2和MgCl2的浓度大于0.7mmol/L后渐趋稳定;而去除有机质后,CaCl2和MgCl2的浓度大于0.5mmol/L后渐趋稳定。这表明,去除有机质后,细颗粒泥沙絮凝的最佳电解质浓度降低。

J&tjXQ q,rk0


.z#[)SF*M5^I\/h0(1)CaCl2水利论文F m.j.y0p+n1H3D


'A$??uaK^0(2)MgCl2水利论文"nN9l-k9KJwE

图2 CaCl2和MgCl2作用下有机质对泥沙平均沉速的影响
"y{Y}'z|'x nC1mk7[0Fig.2 Effect of organic matter on with various concentrationsof CaCl2and MgCl2

.a&w9HV9ytbB0

2.3 有机质对絮凝沉降系数的影响水利论文"C!M }-D6H

对泥沙调控而言,我们关心的是不同断面泥沙浓度随时间的变化情况。因此,参照絮凝度[15]的定义,我们将同一时间、同一断面絮凝沉降后的泥沙浓度与分散时泥沙浓度的比值定义为絮凝沉降系数Ff,其表达式为

d8x"J p\p$E\:Qf0

Ff=S0/S水利论文6w5U!]1E2h9QZd

(4)

式中 S0为分散时不同时刻的泥沙浓度(kg/m3);S为絮凝时不同时刻的泥沙浓度(kg/m3)。水利论文l$Td g.\:^LF

  在CaCl2的浓度为0~1.0mmol/L时,有机质对絮凝沉降系数Ff的影响结果见表3。由表3可知,Ff随CaCl2浓度的增加以及时间的延续都呈增大趋势。但是,去除有机质后,Ff随电解质浓度增加以及时间延续的增大幅度明显增大。如CaCl2的浓度为0.1mmol/L时,没去有机质和去除有机质后不同时刻的Ff分别为1.009~1.171和1.025~2.299,后者是前者的1.01~1.91倍。而CaCl2的浓度为0.7mmol/L时,没去有机质和去除有机质后不同时刻的Ff分别为1.094~11.17和1.347~24.984,后者是前者的1.23~2.54倍。这说明对相同的CaCl2浓度,去除有机质后,细颗粒泥沙絮凝沉降加快。MgCl2的浓度为0~1.0mmol/L时,所得规律与上类似。水利论文k{{:U!S1jChH

表3 絮凝沉降系数Ff的变化水利论文/sX"oGEK
Table 3 Change of fine sediment flocculation and settling factor

Lb6],d$N7H0

测定时间(min)水利论文-B*ga v tK

未 去 有 机 质

*O0[OLN0

去 有 机 质

(M:{;oD%ONjN0


CaCl2浓度 (mmol/L)水利论文[%T0[0Uwd }&?

CaCl2浓度 (mmol/L)水利论文|o\rpF? k,L



0.10.30.50.70.10.30.50.7

51.0091.0111.0201.0941.0251.0301.0601.347
151.0371.0621.4162.3001.0581.1223.3095.323
351.0751.0882.2354.2251.1141.3675.8158.737
651.1361.1833.6356.5691.1561.7949.2978.411
1051.1521.3634.5907.7841.4012.3958.72915.806
1451.1661.5715.5899.0641.8393.41513.57823.000
2051.1712.1237.08311.1702.2993.24320.73524.984

3 结论水利论文 Z$_)j,l tM+_

  根据以上试验结果,可得如下结论:水利论文,A3S;s0V-D0R

  (1)在液面下同一深度处,泥沙浓度随时间呈指数衰减,有机质含量并不影响泥沙浓度随时间的变化规律。

)} c%o_A ] p0

  (2)去除有机质后,细颗粒泥沙絮凝的最佳电解质浓度降低;对于相同的电解质浓度,其絮凝沉降加快,明显增大。在CaCl2和MgCl2的浓度为0~0.7mmol/L时,去除有机质后分别增大1.08~1.31倍和1.08~1.35倍。

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  (3)去除有机质后,Ff随电解质浓度增加以及时间延续的增大幅度明显增大。水利论文EvW%ZcU m

  由上可以推论,强烈的水土流失不断减少土壤有机质含量的同时,一方面降低了土壤的抗蚀性,另一方面还加快了细颗粒泥沙絮凝沉降。水利论文%u*_a Tja;|

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