泥沙颗粒生长生物膜后起动的实验研究__起动实验设计及结果分析_尚倩倩

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1、第22卷第3期水科学进展Vol.22，No.32011年5月ADVANCESINWATERSCIENCEMay，2011DOI:CNKI:32-1309/P.20110514.1445.001泥沙颗粒生长生物膜后起动的实验研究———Ⅰ．起动实验设计及结果分析尚倩倩，方红卫，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:天然水体中泥沙颗粒表面容易生长生物膜，生物膜的生长会对泥沙颗粒的运动特性产生显著影响。设计了泥沙颗粒表面生长生物膜的实验，以及生长生物膜后泥沙颗粒的起动水槽实验。在

2、水槽观测段分别放置由去离子水浸泡和天然水培养的两种泥沙，对比观察两种泥沙起动过程的区别，分析起动流速的差异和随培养时间的变化规律。结果表明，天然富营养水体中生物膜生长繁茂，对泥沙起动特性有着显著的影响，能够增强泥沙颗粒的抗冲性，并随时间呈现出先逐步增强到一个最优值后有所削弱的钟形曲线的变化趋势，表明在研究天然河流和湖泊尤其是污染严重的水域的泥沙起动时，需要考虑到生物膜的作用。关键词:泥沙颗粒;起动流速;生物膜;天然水体;去离子水中图分类号:TV142.1文献标志码:A文章编号:1001-6791(2011)03-029

3、5-06泥沙起动是泥沙运动力学研究中的基本问题之一，航道设计、河床稳定和河床演变等方面的研究都需要知道泥沙的起动条件。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。但传统的泥沙起动流速实验并不考虑微生物等生命活动的影响，而只是关注泥沙［1-2］［3-6］本身的特性和水流之间的相互作用。近年来随着水体环境问题的日益复杂化，水体营养物质的富集更利于微生物在固体表面的附着和生长，水环境中广泛存在微生物在泥沙表面生长形成的生物膜，将泥沙颗粒相互粘连的同时通过包裹泥沙颗粒覆盖在

4、床沙表面，这一现象改变了泥沙颗粒直接的结构关系和床面的形态，进而对泥沙颗粒的起动特性产生影响。目前生物膜对床面泥沙起动的影响多集中在海陆交界或河口区域，研究对象以细颗粒泥沙为主。研究表明细菌、藻类等微生物生长能够增强颗粒的抗冲性，而大型生物则［7］既有可能增强床面稳定性同时又能破坏床面稳定性。值得注意的是淡水和海水的水体环境和其中的生物群落完全不同，因此形成的生物膜也有所区别，生物膜对海洋环境中泥沙颗粒的影响有别于在淡水系统的影［8］响。Ulrike等对受污染的淡水滨河区域中包括大型浮游生物、藻类和细菌等在内的生物分泌

5、物沿深度方向［9］对泥沙起动特性的影响进行了观测。Vignag等用直径1.09mm的玻璃珠在水槽中进行连续10周培养，用来观测生物膜对粗颗粒的起动影响，认为在生物膜的影响下临界拖曳力随时间而波动变化，在最大临界拖曳［10］力出现后随着时间的增加虽然生物膜仍能增强颗粒稳定性但是增强的程度有所下降。Maurizio等也曾对7个湖泊的表层底泥进行采样并观测受微生物影响的泥沙起动规律。目前观测以实地采样分析为主，而对颗粒在生物膜影响下进行长序列分组观测的还较少。为了研究河流、湖泊等处泥沙颗粒生长生物膜后起动规律的变化，本文使用

6、去离子水与天然水和营养液的混合水分别培养的泥沙来分别代表不生长生物膜和生长生物膜的两种泥沙，通过水槽试验，对二者进行了长序列的对比试验，观察两者起动过程的差别，并分析生物膜随时间对泥沙起动流速的影响。收稿日期:2010-08-25;网络出版时间:2011-05-14网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20110514.1445.001.html基金项目:国家自然科学基金资助项目(10902061);水体污染控制与治理科技重大专项资助项目(2008ZX0720

7、9)作者简介:尚倩倩(1984－)，女，河南杞县人，博士研究生，主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail:sqq06@mails.tsinghua.edu.cn296水科学进展第22卷1实验设计1.1实验装置泥沙起动流速试验在矩形断面可调坡的循环水槽中进行。水槽总长16m，宽0.5m，高0.6m，其中有效试验长度为15m，边壁为玻璃，槽内铺设有厚度4cm的水磨石。为方便对比有无生物膜对泥沙起动流速的影响，试验设计选择了两种不同的液体对沙槽中的泥沙进行培养，一种是贫营养的去离子水，另一种是天然水和营养液的混合水体(以

8、下简称天然水)。在试验时将同一粒径组的两种沙样培养相同的时间后同时放置在水槽内进行起动试验，观察两者的差异。观测段设计见图1，距离水槽进水口10m处设置一段凹槽，起动试验的泥沙即放置在此段内，沿水槽中心线两侧对称分别放置去离子水浸泡的沙样和采用天然水培养的沙样。放置沙样的沙槽材质为有机玻璃。试验时将沙槽小心放在水槽预留的凹槽内，并