南水北調中線乾渠藻類殘體顆粒與模型材料沉降特性研究

原標題：

藻類殘體顆粒的沉降特性與模型材料選擇

摘要：

南水北調中線乾渠中藻類殘體隨流運動,容易在退水閘、分水口等突擴斷面位置沉積,需要經常進行清淤工作。本文應用PTV粒子追蹤測速技術,通過1組工況的藻類殘體顆粒靜水沉降試驗和24組工況的不同模型材料、不同粒徑的靜水沉降試驗,研究藻類殘體顆粒的沉降和比重特性,探究不同模型材料沉降特性,並選擇適宜野外漂流示蹤試驗的模型材料。結果表明,藻類殘體顆粒的靜水沉速為0.008 m/s,在水中的比重為1.004。同一比重的模型材料,粒徑越大靜水沉速也越大。相近或相同粒徑的模型材料,比重越大靜水沉速也越大,比重較小的模型材料,靜水沉速隨粒徑增長的斜率較小。奇亞籽的平均粒徑為3.5 mm、平均比重為1.05、平均靜水沉速為0.017 m/s,其物理屬性和水動力屬性都與藻類殘體顆粒相近,可作為南水北調乾渠等藻類殘體顆粒的野外漂流示蹤試驗材料。研究成果可為南水北調中線乾渠的藻類防控與高效清淤提供技術支持。

關鍵詞：

藻類殘體; 靜水沉速; 模型顆粒; 比重; 南水北調中線工程;

作者簡介：

吳奪(1991—),男,碩士研究生,主要從事水文及水資源研究。E-mail:[e-mail]; *林俊強(1984—),男,高級工程師,博士,主要從水力學及河流動力學研究。E-mail:[e-mail];

基金：

水體汙染控制與治理科技重大專項(2017ZX07108-001); 南水北調中線幹線水質保障與環境影響專項項目(ZXJ/SZ/YW-016);

引用：

吳奪，林俊強，彭期冬，等 . 藻類殘體顆粒的沉降特性與模型材料選擇［J］. 水利水電技術，2020，51( 7) : 85-90.WU Duo，LIN Junqiang，PENG Qidong，et al. Settling characteristics and selection of model materials of algal debris particle［J］. WaterＲesources and Hydropower Engineering，2020，51( 7) : 85-90.

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0 引 言

南水北調中線工程是我國特大跨區域調水工程,中線乾渠於2014年12月全線通水,通水以來,沿線供水水質穩定在地表水II類水平,周邊生態環境得到明顯修復和改善。中線工程肩負水質保障的重大任務,為保證沿線供水水質安全,需考慮藻類等生物異常增殖的防控問題。每年春秋季節,中線乾渠水溫、透明度、溶氧等條件良好,再配合局部渠段適宜的水動力條件,兩岸邊壁和渠底著生藻便會開始大量生長。當生長到一定規模或進入凋零期,著生藻便被水流衝刷脫落並分解為有機碎屑微粒。在絮凝作用下,有機碎屑微粒與水中懸浮的泥沙微粒相互粘結成團,形成顆粒狀藻類殘體。這些藻類殘體顆粒在中線乾渠中隨流運動,容易在退水閘、分水口等突擴斷面位置沉積,一定程度上影響供水水體流速、水量計量和運行安全 。為了保障工程正常運用,需要經常進行清淤工作,因此,研究藻類殘體顆粒的沉降特性與輸移運動規律是估算藻類殘體沿程淤積情況和淤積規模的力學基礎,對中線乾渠的藻類防控和高效清淤處置具有重要的理論和實際意義。

目前,關於藻類殘體顆粒的沉降與輸移特性研究鮮有報導。藻類殘體絮團具有較大孔隙率,比重略比水重,絮團顆粒近似於圓球。從力學角度,藻類殘體顆粒在水體中受自身重力、浮力和水流拖曳力等共同作用下隨流運動,雖然其比重和顆粒大小與泥沙顆粒存在量級上的差異,使其運動特性與泥沙運動特性不同,但是在研究中可借鑑泥沙運動方面的成熟試驗手段和先進試驗方法,如粒子追蹤測速(Particle Tracking Velocimetry,PTV)技術,該技術具有識別大量顆粒運動軌跡,追蹤測量顆粒運動速度的顯著優勢,已廣泛應用於泥沙機理試驗中 ,近年來也成功應用於生物粒子運動試驗 。

然而,藻類殘體顆粒不易保存,水中相對穩定的絮團結構脫離水體將被破壞,這為定量研究藻類殘體運動特性和開展重複性機理試驗增加了難度。在縮尺河工模型試驗中,為了模擬天然泥沙的運動和衝淤特性,常應用模型沙來開展研究。模型沙的選擇直接關係著河工模型試驗中泥沙運動、河床變形的相似性和試驗成果的精度 。為此,諸多學者對不同材料的模型沙及其水力學特性開展了相關研究。例如,常福田 選用瀝青陶粒模擬卵石運動;張曉明等 選擇了精煤粉作為模型沙,並進行了不同粒徑不同級配沙樣的起動試驗;費曉昕等 開展了膨脹珍珠巖模型沙的容重、起動流速、沉速、水下休止角的試驗研究;孫貴洲等 研製了一種新型親水性樹脂基複合模型沙,並對該模型沙的物理力學特性及阻力特性進行了試驗研究。同理,選擇適合的模型材料,模擬藻類殘體顆粒的運動特性,是研究藻類殘體沉降與輸移規律的有效手段。本文以藻類殘體顆粒和多種模型材料為研究對象,開展系列靜水沉速試驗,應用PTV技術測量試驗顆粒沉速,探究藻類殘體的沉降特性,並選擇出與藻類殘體物理、力學特性相似的模型材料。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

據近年來現場調查,中線乾渠著生藻的優勢種屬主要有綠藻門的剛毛藻,及其附生的硅藻等,這些藻類凋零後形成藻類殘體。本文藻類殘體樣品採集自南水北調中線工程的終點北京團城湖渠段,採樣應用訂製的大進口有機玻璃採水器,樣品採集後緩慢轉移至8 cm口徑樣品瓶,並放置於2 ℃冷藏冰箱備用。藻類殘體脫水或滴入鹽溶液均可能破壞其絮團結構,因此藻類殘體顆粒在水中的比重難以應用常規的比重瓶法或比重計法來測量,本文是應用藻類殘體的靜水沉速反求其水中比重,具體將在下文中詳述。藻類殘體顆粒的粒徑大小是應用圖像識別法測量(精度0.1 mm)。

本文採用玻璃微珠(γ =2.88d=0.6～1.5 mm)、陶粒(γ =2.09d=2.0～6.0 mm)、聚甲醛樹脂(俗稱POM塑料,γ =1.49d=2.5～6.0 mm)、聚丙烯酸鈉聚合物(俗稱水晶花泥,γ =1.19、d=3.0～12.0 mm)、海綿球(多孔材料,γ =1.06、d=7.0～17.0 mm)、奇亞籽(一種薄荷類植物芡歐鼠尾草的種子,充分吸水後成圓球狀,表面形成一層水膜,γ =1.05d=3.5 mm)6種不同材質和多種粒徑的備選圓球狀模型材料進行試驗。其中,玻璃微珠、陶粒、聚甲醛樹脂等材料物理性狀穩定,不吸水,其比重測量採用直接測量法,測量時隨機選取20～30粒模型材料,放置於定容比重瓶中,應用高精度天枰(精度0.001 g)稱重計算得出其平均比重;聚丙烯酸鈉聚合物和奇亞籽等材料,可利用滲透壓原理吸水,常溫充分泡水4 h以上,可達到飽和狀態,海綿球為多孔介質材料,在水下反覆擠壓充分排除空氣,可達到飽和狀態,這3種材料的比重測量可採用間接測量法,測量時隨機選取20～30粒模型材料,放置於純淨水燒杯中,不斷滴入高濃度鹽溶液,直至大多數模型材料懸浮於水中,可認為模型材料比重與燒杯中鹽溶液比重達到平衡,應用液體比重計(精度0.01)測量燒杯中鹽溶液比重,即可間接得出模型材料比重。模型材料的粒徑採用遊標卡尺測量(精度0.1 mm)。

1.2 試驗裝置

試驗裝置包括沉降筒和粒子追蹤測速系統(PTV)。沉降筒為長方體有機玻璃筒,長度為20 cm、寬度為18 cm、高度為150 cm。PTV系統由圖像採集系統、面光源和圖像識別分析系統組成。圖像採集系統由1臺1 600萬像素運動相機和1臺電動三軸雲臺組成,運動相機安裝於電動雲臺之上,電動雲臺假設於三腳架之上。面光源為一長方體LED點陣面光源,經光源表面白色磨砂罩漫反射,可提供均勻白色面光源,面光源面積大於沉降筒背面面積,可覆蓋整個沉降筒拍攝區域。圖像識別分析系統包括幀圖像提取模塊、畸變校正模塊、灰度轉化模塊、粒子識別模塊和像素-速度校正模塊,處理程序在matlab工具包PTVlab 基礎上改編,可實現粒子運動速度、運動軌跡的統計分析。試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意(單位:cm)

1.3 試驗操作

每組試驗前,首先需將三腳架放置於固定位置,保持立柱與沉降筒前表面垂直距離一致,三腳架立柱調節至50 cm,使相機鏡頭拍攝範圍在沉降筒中部靠底部位置,開啟電動雲臺水平平衡系統,電動雲臺將自動調節姿態,使運動相機鏡頭軸線水平,而後開啟電動雲臺橫滾軸微調模式,使運動相機鏡頭軸線垂直於沉降筒前表面。調整好鏡頭後鎖定電動雲臺姿態,同時開啟面光源和圖像採集系統。

本文共進行了1組工況的藻類殘體顆粒靜水沉降試驗和不同模型顆粒材料、不同粒徑共計24組工況的靜水沉降試驗。由於試驗材料顆粒粒徑大小差異較大,不同工況根據試驗材料粒徑大小投放不同數量模型材料,相同工況試驗投放的模型材料數量一致。試驗時,藻類殘體顆粒和奇亞籽材料應用4 mm口徑的大號滴管在樣品瓶中吸取5 ml定量樣品並緩慢滴入沉降筒中心液面處,粒徑0.6～2 mm模型材料應用量杯量取10 ml定量樣品並在沉降筒中心液面架設5 mm口徑訂製漏鬥緩慢倒入沉降筒,粒徑3～6 mm模型材料應用量杯量取20 ml定量樣品並在沉降筒液面架設10 mm口徑訂製漏鬥緩慢倒入沉降筒,粒徑7～11 mm模型材料每次計數50粒,應用20 mm口徑訂製漏鬥緩慢倒入沉降筒中,粒徑11 mm以上模型材料每次計數20粒,應用30 mm口徑訂製漏鬥緩慢倒入沉降筒。每組工況各投放5次模型材料,進行5次重複性試驗,運動相機以每秒120幀的頻率記錄不同工況試驗材料的沉降過程。各試驗工況及其詳細基本參數如表1所列。

2 藻類殘體顆粒的靜水沉降特性與比重

2.1 藻類殘體顆粒的靜水沉速

藻類殘體顆粒在沉降筒中心液面處釋放後,一邊在重力作用下沿垂向運動,一邊在擴散作用下向四周擴散。藻類殘體顆粒進入相機觀測範圍內,將在沉降筒正視立面的中間位置形成一定寬度的粒子條帶。粒子運動速度越慢,顆粒到達觀測相機的粒子條帶寬度越大。距離相機鏡頭越近的粒子,在圖像中的像素點越大,測得粒子速度將高估,反之亦然 。為了減小粒子距離鏡頭過遠或過近造成粒子速度的測量誤差,本文通過設置圖像粒子的識別像素閾值,僅識別沉降筒正視立面中間位置約5 cm寬度範圍內的粒子條帶。經過粒子運動視頻逐幀識別分析,統計得出粒子靜水沉速在不同區間內的頻率分布如圖2所示,粒子運動軌跡連續追蹤結果如圖3所示,圖3中不同顏色為不同粒子的軌跡。

表1 模型材料試驗工況和基本參數

圖2 工況1某組試驗下藻類殘體顆粒靜水沉速的頻率分布

圖3 工況1某組試驗下藻類殘體顆粒的運動軌跡

從圖2中可以看出,藻類殘體顆粒的靜水沉速呈正態型分布,服從多數自然統計規律。應用標準正態分布函數

式中,μ為平均數;σ為標準差;f(x)為正態分布函數。

擬合藻類殘體顆粒靜水沉速的頻率分布圖,計算其均值即為該工況下當前運動視頻中大多數藻類殘體顆粒的平均靜水沉速。在同一工況下,共計進行了5組重複性試驗,拍攝了5組運動視頻,每組均按上述處理方法進行分析,結果表明5組藻類殘體顆粒的沉速頻率分布規律相同,均為正態分布型,且5組試驗分析得出的統計均值的差異性檢驗表明無顯著性差異,因此本文取同一工況下5組重複性試驗運動視頻分析所得的平均值作為該工況下粒子靜水沉速的平均水平。從圖3中可以看出,藻類殘體顆粒的軌跡在沉降筒底部半段拍攝範圍內,呈垂線運動形態,無擺動或打轉現象,表明藻類殘體顆粒下降至拍攝範圍時,已達到穩定均勻下沉的的狀態。5組重複性試驗測的藻類殘體顆粒的平均靜水沉速為0.008 m/s。

2.2 藻類殘體顆粒的比重

藻類殘體顆粒在水中的比重是其漂流運動與沉降的重要參數,但是其在水中相對穩定的絮團結構脫離水體將被破壞,添加鹽溶液也可能導致絮團結構陰陽離子失衡而破壞,因此藻類殘體顆粒在水中的比重難以用常規方法測量。本文採用球體靜水沉速公式反推藻類殘體顆粒在水中的相對比重,具體計算公式如下

式中,w為顆粒的靜水沉速;D為顆粒粒徑;g為重力加速度;C 為球體阻力係數,應用MORIS等 提出的分段擬合公式求得;γ為水的比重;γ 為顆粒比重。

球體阻力係數分段擬合公式的通用形式如下

表2 不同粒子雷諾數下的擬合常數值

本文藻類殘體顆粒的粒徑大小應用圖像識別法測量,測量時用4 mm口徑的大號滴管在樣品瓶中緩慢吸取藻類殘體顆粒,沿某一表面滴入盛有水的訂製有機玻璃方形容器中(長度為10 cm,寬度為5 cm,高度為10cm),該表面內側貼有帶mm刻度標尺,將運動相機鏡頭緊貼該表面拍攝藻類殘體顆粒滴入時的照片,通過殘體顆粒所佔圖像的像素點與刻度標尺像素點進行換算,可得藻類殘體顆粒在水中的粒徑尺寸。經50個藻類殘體顆粒圖片識別,得出所採集樣品藻類殘體顆粒的平均粒徑D為2.8 mm。

從式(2)—式(4)中可以看出,已知藻類殘體顆粒的靜水沉速w和粒徑D,可推求出團城湖渠段藻類殘體顆粒的雷諾數為22.2,阻力係數C 為2.47,在水中的比重γ 為1.004。若中線乾渠著生藻的群落結構和優勢種屬發生變化時,藻類殘體顆粒的大小、比重等物理特性可能會發生變化,其漂流特性和沿程沉積特性將有所變化。

3 不同材質、不同粒徑模型材料的靜水沉降特性

本文應用PTV粒子追蹤測速技術,對不同材質、不同粒徑模型材料進行了24組工況的靜水沉速試驗。經運動視頻的圖像識別分析,各種材質和粒徑模型材料的靜水沉速頻率分布和藻類殘體顆粒靜水沉速分布特性相似,都呈正態型分布。因此,我們同樣採用上文的分析方法,取每組工況5組重複性試驗運動視頻分析所得的平均值作為該工況下模型材料靜水沉速的平均水平。將不同材質、不同粒徑模型材料的靜水沉速與藻類殘體顆粒的靜水沉速點匯於一張圖中,如圖4所示。從圖4中可以看出,同一比重的模型材料,粒徑越大靜水沉速也越大。相近或相同粒徑的模型材料,比重越大靜水沉速也越大。從圖中還可看出,比重較小的模型材料,靜水沉速隨粒徑增長的斜率較小,隨著模型材料比重的增大,靜水沉速隨粒徑增長的斜率也逐漸增大。

圖4 不同材質、不同粒徑模型材料的靜水沉速特性

4 模型材料選擇

從圖4中可以看出,在當前6種模型材料中,奇亞籽的平均粒徑為3.5 mm、平均比重為1.05、平均靜水沉速為0.017 m/s,其物理屬性和水動力屬性都與藻類殘體顆粒相近,奇亞籽為植物種子,可食用,可自然降解,不會對水體造成汙染,且乾燥形態奇亞籽粒徑僅為1 mm左右,充分吸水飽和後種子內核為黑色,外圍包裹一層水膜,形態上易於和藻類殘體區分,尤為適合在南水北調中線乾渠等野外開展模型材料的漂流示蹤試驗。因此,可選擇奇亞籽作為藻類殘體顆粒的替代性試驗材料。

5 結 論

本文通過了1組工況的藻類殘體顆粒靜水沉降試驗和24組工況的不同模型材料、不同粒徑的靜水沉速試驗,應用PTV粒子追蹤技術系統測量了藻類殘體顆粒與各種模型材料的靜水沉速特性,應用球體靜水沉速公式間接推求了常規方法難以測定的藻類殘體顆粒比重,並在此基礎上選擇了適宜野外漂流示蹤的模型試驗材料,得出如下主要結論:

(1)藻類殘體顆粒的靜水沉速為0.008 m/s,在水中的比重為1.004。

(2)同一比重的模型材料,粒徑越大靜水沉速也越大,相近或相同粒徑的模型材料,比重越大靜水沉速也越大,比重較小的模型材料,靜水沉速隨粒徑增長的斜率較小,隨著模型材料比重的增大,靜水沉速隨粒徑增長的斜率也逐漸增大。

(3)奇亞籽的平均粒徑為3.5 mm、平均比重為1.05、平均靜水沉速為0.017 m/s,其物理屬性和水動力屬性都與藻類殘體顆粒相近,可作為南水北調乾渠等藻類殘體顆粒的野外漂流示蹤試驗材料。

(4)藻類殘體顆粒的靜水沉降特性是研究其動水中漂流運動特性的基礎,未來可通過室內水槽試驗、野外漂流示蹤試驗、數值模擬等手段進一步研究藻類殘體顆粒的動水運動和沉積規律。

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水利水電技術

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