图像分析粘性细颗粒泥沙絮体孔隙初探.pdf

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1、泥沙研究2011年l0月JournalofSedimentResearch第5期图像分析粘性细颗粒泥沙絮体孔隙初探柴朝晖，杨国录2，陈萌，李野2，何姝(1．武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室污淤泥研究中心，湖北武汉4300722．武汉大学宇星公司水利环境工程技术研究中心，湖北武汉430072)摘要：以细颗粒含量较高的滇池底泥为例，利用SEM图像分析法和统计学方法，研究了粘性细颗粒泥沙絮体孔隙大小、形状及孔径分布，同时探讨了絮体孔隙大小及孔径分布与絮体沉速之间的关系。实验结果表明：粘性细颗粒泥沙絮体孔隙一般属于毛细管孔隙，孔隙投影面的形状

2、近圆形；自然状态下絮体孔隙孔径近似呈对数正态分布；加入絮凝剂后，呈对数偏态分布；絮体沉速与絮体孔隙的大小和孔径分布具有较强的相关性。关键词：细颗粒泥沙；絮体孔隙；图像分析；沉降速度中图分类号：TV142．1文献标识码：A文章编号：0468—155X(2011)05-0024-061前言泥沙颗粒越小，其比表面积越大、电化学作用越明显，当粒径小于0．03mm⋯时，这些颗粒会与周围其他微粒发生絮凝作用结合在一起，形成絮体。与传统单颗粒泥沙不同，絮体具有多孔结构，其沉降速度不仅与单颗粒泥沙的粒径、质量及绕流阻力有关，还受到颗粒之间的结合方式、絮体的体积

3、以及孔隙等诸多因素的影响。在湖泊、水库泥沙淤积计算中，如不考虑细颗粒泥沙的絮凝作用，计算的淤积量会与实际不符，产生不良后果。最初，国内学者在计算粘性细颗粒泥沙沉速时，一般不考虑絮凝的影响¨，造成结果与实际情况偏差较大；而后，钱宁、马惠民、褚君达等人开始考虑粘性细颗粒泥沙絮凝对流变性能的影响，并推导出一系列的公式；20世纪80年代，TAWitten和LMSander将分形理论引入到絮凝研究后，Gonzalez(EAGonzalez)等在絮体沉降雷诺数较小情况下，基于絮体分形维数和孔隙率提出了细颗粒泥沙沉降公式，Winterwerp(JCWinte

4、rsherp)则给出了絮体沉降雷诺数较大情况下的沉降速度公式。虽然这些细颗粒泥沙沉速公式在推导过程中考虑了细颗粒泥沙的絮凝、絮凝过程中流变特性的改变，以及絮体孔隙率对其沉速的影响，但较少的考虑絮体孔隙的形态、大小等对絮体沉速的影响。因此论文以含细颗粒泥沙较多的云南滇池底泥为样品，从絮体孔隙微观结构方面出发，通过分析絮体SEM图像、采用统计学等方法，探讨了粘性细颗粒泥沙絮体孔隙形态及其孔径分布，同时定性分析了絮体孔隙大小及分布与絮体沉速的关系，期望能为从絮体孔隙微观结构方面研究细颗粒泥沙絮凝问题及其沉降性能提供理论支持。2实验材料和方法2．1实验

5、材料实验所用样品取自云南滇池湖底，实验前用1mm筛去除底泥中的沙砾等大颗粒杂质后放入上海简户仪器公司生产的DJH．80L．L型电热恒温鼓风干燥箱，经低温干燥测得含水率为90．2％；使用丹东百收稿日期：2010-12-01基金项目：武汉大学自主科研项目(5081010)作者简介：柴朝晖(1986一)，男，河北魏县人，博士研究生，主要从事泥水环境研究工作。E—mail：a3515522@126．corn24特公司生产的BT一1500降式粒度分布仪测得滇池底泥的颗粒级配曲线，见图丢···粒~．／mmJ型图1滇池底泥初始颗粒级配曲线离Fig．1Init

6、ialparticlesizedistributioncurveofsihinDianchiLakeL沉2．2＼丑实验陋恻方佘法梨j!E2．2．1静水沉降试验在高40cm、直径为6cm的1000ml量筒中进行静水沉降试验，研究自然状态下和添加不同种类和剂量的絮凝剂(1mmol／L、5mmol／L的FeC1溶液和3mmol／L、7mmol／L的A1C1溶液)后滇池底泥的沉降过程，实验进行中记录沉降时间和距离用于计算絮体等速段的沉速。2．2．2絮体SEM图像絮体结构松散，易碎，难以在完全不扰动的情况下将其取出。因此，制取扫描电镜的底泥絮体样本时，为

7、了尽量不破坏絮体，用内径较大的移液管轻轻的将絮体从量筒移到载玻片上。絮体样本干燥时，首先加入聚酯树脂以防止底泥絮体孔隙干化时发生收缩变形，同时采用冷冻干燥，尽可能保证絮体的形态与实际相吻合，王松等曾用冷冻干燥法成功制备了聚苯乙烯粉末聚集物标本。最后，用X．650型扫描电镜扫描絮体样本，得到放大不同倍数(500倍，2000倍，8000倍)的滇池底泥絮体SEM图像。2．2．3图像分析图像分析是指根据SEM图像所携带的信息，通过软件测量图像得到物质的形态参数，包括粒径、面积，长短轴长等，国内外许多学者已将此法应用到测量多孔分形介质的微观结构中。利用此

8、方法得到的絮体孔隙信息的准确程度取决于能否准确的获取和传递底泥絮体SEM图像上的信息。因此在测量絮体孔隙形态前需对絮体图像进行有效的处理和分割。图像处