泥沙颗粒生长生物膜后起动的实验研究——Ⅱ.起动流速计算.pdfVIP

第22卷第3期 水科学进展 V01．22，No．3 2011年5月 ADVANCESINWATERSCIENCE May，2011 DOI：CNKI：32-1309／P1445．002 泥沙颗粒生长生物膜后起动的实验研究 ——Ⅱ．起动流速计算 方红卫，尚倩倩，府仁寿，何国建 (清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084) 摘要：泥沙颗粒生长生物膜后，起动流速发生了较大变化。根据生长生物膜后的泥沙起动流速实验数据，考虑天然 水体中，生物膜填充于颗粒与颗粒之间形成除水以外新的介质，将生物膜的作用模化为生物膜作用产生的粘连力， 再考虑生物膜随时间变化的特性以及基底物理特性的影响等因素，结合泥沙颗粒之间由于薄膜水产生的黏结力、 重力等，研究了颗粒在滑动和滚动两种条件下的起动公式。研究表明，滚动和滑动两种条件公式的计算结果基本一 致，与实验数据符合良好，能够用来计算不同粒径大小的泥沙颗粒在生物膜生长后的起动流速。 关键词：泥沙颗粒；起动流速；生物膜；黏结力；粘连力；薄膜水 中图分类号：TVl42．1 文献标志码：A 文章编号：1001-6791(2011)03-030l-06 泥沙颗粒受水流运动的影响，从静止状态进入运动的临界状态，称为泥沙的起动。泥沙起动流速是泥沙 动力学的基本问题之一，由于脉动水流的随机性等使得泥沙的起动也具有明显的随机特性。关于起动的研究 多集中在水流和床面泥沙的随机性的相互作用上。近些年来，由于水污染现象的发生，水体环境中广泛存在 的微生物在泥沙表面生长所形成的生物膜的作用成为泥沙研究的一个新的问题…。一般认为，泥沙起动的 随机性质是由颗粒的大小、形状、性质和排列位置等的不同以及水流的脉动作用的结果，使得床面颗粒开始 运动的临界拖曳力和水流作用在泥沙颗粒上的拖曳力都具有随机的特性，泥沙的起动将取决于两个变量的相 互作用。对于无黏性沙和黏性沙的起动条件目前已有大量的理论分析和试验研究，并有相对成熟和广泛应用 的计算公式。通常使用起动拖曳力、起动流速和起动功率3种方式来表达泥沙颗粒的起动条件，三者彼此之 间可以相互转化。在起动条件的推导上，非黏性沙的黏结力作用较弱一般不考虑，而黏性沙的起动公式就必 须考虑颗粒间黏结力的作用。对于非黏性沙，典型的起动切应力计算通常采用Shields曲线，利用无因次谢 尔兹数与沙粒雷诺数的关系曲线来计算；起动流速公式中比较有代表性的有沙莫夫的指数起动流速公式等。 考虑颗粒间黏结性后推得的非均匀沙起动公式主要有窦国仁、武汉水利电力学院、沙玉清和唐存本推导的公 式，这些公式是对粗细颗粒都适用的统一起动公式。近些年来，起动流速的研究还在不断深化，包括关于起 动流速判别标准的系统讨论旧。1以及考虑泥沙和水体化学环境相互关系的研究等H。51，但这些研究侧重于泥 沙输移运动对水体环境的影响，而对不同水体环境中泥沙运动的机理性研究不多。 事实上，在天然水环境中尤其是受污染水域中，微生物的作用会在床面泥沙上形成生物膜，生物膜的结 构或直接覆盖在床沙表面或将泥沙颗粒相互粘连，这一现象可能会改变泥沙颗粒的起动特性，因此泥沙颗粒 的起动条件需要将生物膜的粘连作用考虑进去。微生物的活动形成生物膜填充于泥沙颗粒的孔隙之间，在颗 粒间形成除水以外新的介质，生物膜在颗粒间形成的粘连力受其自身生物化学物质和有机质结构性质的影 收稿13期：2010-08-25：网络出版时间：201l-05．14 网络出版地址：http：／／www．cnki．net／kcms／detaiL／32．1309．P1445．002．html 作者简介：方红卫(1967一)，男，江苏武进人，教授，主要从事水力学及河流动力学方面的研究。 E-mail：fanghw@mail．tsinghua．edu．ca 万方数据 302 水科学进展 第22卷 响。对于生物膜生长较少的颗粒，颗粒间黏结力占据主导地位；此后，随着生物膜的生长，由此产生的粘连 力的作用逐步凸显出来。 鉴于生物膜对