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《圖像分析粘性細顆粒泥沙絮體孔隙初探.pdf》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關內容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、泥沙研究2011年l0月JournalofSedimentResearch第5期圖像分析粘性細顆粒泥沙絮體孔隙初探柴朝暉,楊國錄2,陳萌,李野2,何姝(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室污淤泥研究中心,湖北武漢4300722.武漢大學宇星公司水利環(huán)境工程技術研究中心,湖北武漢430072)摘要:以細顆粒含量較高的滇池底泥為例,利用SEM圖像分析法和統(tǒng)計學方法,研究了粘性細顆粒泥沙絮體孔隙大小、形狀及孔徑分布,同時探討了絮體孔隙大小及孔徑分布與絮體沉速之間的關系。實驗結果表明:粘性細顆粒泥沙絮體孔隙一般屬于毛細管孔隙,孔隙投影面的形狀
2、近圓形;自然狀態(tài)下絮體孔隙孔徑近似呈對數(shù)正態(tài)分布;加入絮凝劑后,呈對數(shù)偏態(tài)分布;絮體沉速與絮體孔隙的大小和孔徑分布具有較強的相關性。關鍵詞:細顆粒泥沙;絮體孔隙;圖像分析;沉降速度中圖分類號:TV142.1文獻標識碼:A文章編號:0468—155X(2011)05-0024-061前言泥沙顆粒越小,其比表面積越大、電化學作用越明顯,當粒徑小于0.03mm?時,這些顆粒會與周圍其他微粒發(fā)生絮凝作用結合在一起,形成絮體。與傳統(tǒng)單顆粒泥沙不同,絮體具有多孔結構,其沉降速度不僅與單顆粒泥沙的粒徑、質量及繞流阻力有關,還受到顆粒之間的結合方式、絮體的體積
3、以及孔隙等諸多因素的影響。在湖泊、水庫泥沙淤積計算中,如不考慮細顆粒泥沙的絮凝作用,計算的淤積量會與實際不符,產生不良后果。最初,國內學者在計算粘性細顆粒泥沙沉速時,一般不考慮絮凝的影響¨,造成結果與實際情況偏差較大;而后,錢寧、馬惠民、褚君達等人開始考慮粘性細顆粒泥沙絮凝對流變性能的影響,并推導出一系列的公式;20世紀80年代,TAWitten和LMSander將分形理論引入到絮凝研究后,Gonzalez(EAGonzalez)等在絮體沉降雷諾數(shù)較小情況下,基于絮體分形維數(shù)和孔隙率提出了細顆粒泥沙沉降公式,Winterwerp(JCWinte
4、rsherp)則給出了絮體沉降雷諾數(shù)較大情況下的沉降速度公式。雖然這些細顆粒泥沙沉速公式在推導過程中考慮了細顆粒泥沙的絮凝、絮凝過程中流變特性的改變,以及絮體孔隙率對其沉速的影響,但較少的考慮絮體孔隙的形態(tài)、大小等對絮體沉速的影響。因此論文以含細顆粒泥沙較多的云南滇池底泥為樣品,從絮體孔隙微觀結構方面出發(fā),通過分析絮體SEM圖像、采用統(tǒng)計學等方法,探討了粘性細顆粒泥沙絮體孔隙形態(tài)及其孔徑分布,同時定性分析了絮體孔隙大小及分布與絮體沉速的關系,期望能為從絮體孔隙微觀結構方面研究細顆粒泥沙絮凝問題及其沉降性能提供理論支持。2實驗材料和方法2.1實驗
5、材料實驗所用樣品取自云南滇池湖底,實驗前用1mm篩去除底泥中的沙礫等大顆粒雜質后放入上海簡戶儀器公司生產的DJH.80L.L型電熱恒溫鼓風干燥箱,經(jīng)低溫干燥測得含水率為90.2%;使用丹東百收稿日期:2010-12-01基金項目:武漢大學自主科研項目(5081010)作者簡介:柴朝暉(1986一),男,河北魏縣人,博士研究生,主要從事泥水環(huán)境研究工作。E—mail:a3515522@126.corn24特公司生產的BT一1500降式粒度分布儀測得滇池底泥的顆粒級配曲線,見圖丟···粒~./mmJ型圖1滇池底泥初始顆粒級配曲線離Fig.1Init
6、ialparticlesizedistributioncurveofsihinDianchiLakeL沉2.2\丑實驗陋惻方佘法梨j!E2.2.1靜水沉降試驗在高40cm、直徑為6cm的1000ml量筒中進行靜水沉降試驗,研究自然狀態(tài)下和添加不同種類和劑量的絮凝劑(1mmol/L、5mmol/L的FeC1溶液和3mmol/L、7mmol/L的A1C1溶液)后滇池底泥的沉降過程,實驗進行中記錄沉降時間和距離用于計算絮體等速段的沉速。2.2.2絮體SEM圖像絮體結構松散,易碎,難以在完全不擾動的情況下將其取出。因此,制取掃描電鏡的底泥絮體樣本時,為
7、了盡量不破壞絮體,用內徑較大的移液管輕輕的將絮體從量筒移到載玻片上。絮體樣本干燥時,首先加入聚酯樹脂以防止底泥絮體孔隙干化時發(fā)生收縮變形,同時采用冷凍干燥,盡可能保證絮體的形態(tài)與實際相吻合,王松等曾用冷凍干燥法成功制備了聚苯乙烯粉末聚集物標本。最后,用X.650型掃描電鏡掃描絮體樣本,得到放大不同倍數(shù)(500倍,2000倍,8000倍)的滇池底泥絮體SEM圖像。2.2.3圖像分析圖像分析是指根據(jù)SEM圖像所攜帶的信息,通過軟件測量圖像得到物質的形態(tài)參數(shù),包括粒徑、面積,長短軸長等,國內外許多學者已將此法應用到測量多孔分形介質的微觀結構中。利用此
8、方法得到的絮體孔隙信息的準確程度取決于能否準確的獲取和傳遞底泥絮體SEM圖像上的信息。因此在測量絮體孔隙形態(tài)前需對絮體圖像進行有效的處理和分割。圖像處