黃河水濁度與含沙量、泥沙粒度之間的關系
摘要：黃河(he)水(shui)的(de)(de)濁(zhuo)(zhuo)度(du)與(yu)(yu)(yu)含(han)沙量(liang)(liang)之間沒有(you)固定的(de)(de)比值關(guan)系(xi)(xi)。本文(wen)根(gen)據濁(zhuo)(zhuo)度(du)與(yu)(yu)(yu)光密度(du)的(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)，提出了(le)確定濁(zhuo)(zhuo)度(du)T與(yu)(yu)(yu)含(han)少量(liang)(liang)C w 的(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)需(xu)要引入泥沙顆粒(li)比表(biao)面積參數S 0 ，并用黃河(he)上、下游不(bu)同河(he)段的(de)(de)的(de)(de)不(bu)同粒(li)度(du)分布(bu)的(de)(de)泥沙或渾水(shui)進行了(le)實測 分析 ，得到(dao)了(le)關(guan)系(xi)(xi)式(shi) 。此式(shi)對黃河(he)高濁(zhuo)(zhuo)度(du)水(shui)有(you)較好(hao)的(de)(de)的(de)(de)普(pu)遍意義，并為高濁(zhuo)(zhuo)度(du)水(shui)投(tou)藥自動控制解(jie)決了(le)濁(zhuo)(zhuo)度(du)儀與(yu)(yu)(yu)含(han)沙量(liang)(liang)測定儀表(biao)兩者讀數的(de)(de)銜(xian)接 問題 。
關(guan)鍵詞：黃河水 濁(zhuo)度 含(han)沙量 泥沙粒度 關(guan)系
黃(huang)河水濁度與(yu)含(han)沙(sha)(sha)量之間沒(mei)(mei)有固(gu)定的(de)(de)比值(zhi)關系，往(wang)往(wang)相同含(han)沙(sha)(sha)量的(de)(de)原水，表(biao)現出不同的(de)(de)濁度，或者相反。這樣使(shi)人們對水質的(de)(de)評價發生一(yi)定的(de)(de)困難。沒(mei)(mei)有固(gu)定的(de)(de)沙(sha)(sha)濁比(含(han)沙(sha)(sha)量與(yu)濁度的(de)(de)比值(zhi))，給高濁度水凈(jing)化(hua)時的(de)(de)投藥量控(kong)制帶來一(yi)定的(de)(de)困難。因此(ci)，非(fei)常有必(bi)要對黃(huang)河水濁度與(yu)含(han)沙(sha)(sha)量之間的(de)(de)關系進行(xing) 研究 。
一、 理論 說明
水(shui)(shui)的(de)濁(zhuo)度(du)(du)，是利用光學(xue)原理測定水(shui)(shui)質的(de)一(yi)項重(zhong)要(yao)指標，它在一(yi)定程度(du)(du)上表(biao)示(shi)了水(shui)(shui)中(zhong)懸浮(fu)物質的(de)多(duo)寡，但濁(zhuo)度(du)(du)值與水(shui)(shui)中(zhong)濁(zhuo)度(du)(du)物質的(de)質量值并不總是等(deng)價的(de)。
目關(guan)國內(nei)常采用(yong)分光光度(du)(du)計或專門(men)的濁(zhuo)度(du)(du)儀表(biao)來測定濁(zhuo)度(du)(du)，這屬于(yu)透(tou)射(she)(she)式或散射(she)(she)式的光學濁(zhuo)度(du)(du)。濁(zhuo)度(du)(du)T與入射(she)(she)光強I 0 關(guan)系(xi)式:
式中(zhong): D——光(guang)密度(du)，即分光(guang)光(guang)度(du)計所顯(xian)示(shi)的值(zhi);
b——光徑(jing);
I——透射光強(qiang)。
采(cai)用光沉降(jiang)法(或(huo)稱消光法)測定顆(ke)粒大小時，光密度D 〔1〕 為
式中:
C——顆粒質量濃度;
L——沉降槽長度;
K r ——消光系數;
κ r ——由顆粒形(xing)狀所決定的常數(球(qiu)體的κ=π/4);
d 0 ，d st ——光(guang)柱中最(zui)小和最(zui)大顆粒粒徑;
n r ——顆(ke)粒數。
在初始濃(nong)度時，光密(mi)度為(wei)最(zui)大(D M )，并有
式(3)、(4)中:
S——顆粒的表面積;
α s，r ——顆粒表面形狀系數;
W——顆粒的質(zhi)量;
α υ，r ——顆(ke)粒的容積形狀系(xi)數
ρ s ——顆粒的密度。最終(zhong)可得(de)
D M =CL(ιοge)K m κS w (5)
式中:
K m ——消(xiao)光系數的平(ping)均(jun)值;
S w ——質量(liang)比表面積。
式中:
α sr ， ，A ——顆粒的面積(ji)、體積(ji)形狀(zhuang)系數(shu);
X r ——d r，A 粒(li)經顆(ke)粒(li)在全體顆(ke)粒(li)中的組分。
式(6)中的(de)∑(X r /d r， )即為過(guo)去曾經采用(yong)的(de)當(dang)量粒徑d θκб 的(de)定義 〔2〕 。
綜合式(1)和(he)式(5)可得(de)
式(7)與(yu)Lambert-Beer定律的表(biao)達式 〔3〕 相(xiang)似(si)，即
l R (I 0 /I)=κACL(8)
式中:
A——光束中(zhong)每克(ke)顆粒的(de)投影(ying)面積;
C——懸(xuan)濁液的顆粒濃度(質量濃度);
L——光徑;
κ——有關(guan)光行程(cheng)系統的常(chang)數。
盧(lu)永(yong)生、徐友仁、龍毓騫 〔4〕 在研制光電(dian)顆分儀時為確定消光系數(shu)提出了如下的關系式:
式中:
d 50 —泥沙顆粒(li)(li)的(de)(de)中值粒(li)(li)徑(jing)其(qi)它符號的(de)(de)意義見前。
式(9)又(you)可(ke)表達為(wei)如下形式:
對于某一具體泥沙(sha)樣(yang)
式(11)中的6/d 50 可定(ding)義為(wei)顆粒(li)的比表面積(ji)S 0 ，因此式(11)與式(5)、式(8)具有相似的形式。
根(gen)據我們對黃河(he)不同河(he)段泥沙粒(li)度分布的測定，用d 50 代表S 0 或S w 的依據尚不充分。在多數情(qing)況下d 50 與S 0 有較好的關系，但在另(ling)外(wai)一(yi)些(xie)情(qing)況下就(jiu)不完全如此。
由以上式(5)、(8)和式(11)可知，水的濁度(du)(du)除(chu)與顆粒(li)濃(nong)度(du)(du)(即含沙量)有關外，還(huan)與粒(li)徑因(yin)素有關，粒(li)徑因(yin)素主要表現為(wei)顆粒(li)的比表面積。
二(er)、對黃河水的(de)考慮
黃河水含(han)(han)沙量之高為(wei)世界河流之冠。黃河水中(zhong)的(de)(de)泥(ni)沙絕大部分(fen)來自黃土，其物質成分(fen)十分(fen)復雜(za)，有(you)六(liu)十余種礦物。但黃土的(de)(de)顆粒(li)(li)、礦物、化學成分(fen)呈現的(de)(de)變化，基本上是有(you) 規律 的(de)(de)。因此，黃河水濁度(du)與(yu)其泥(ni)沙顆粒(li)(li)因素(su)的(de)(de)關系，有(you)可(ke)能較穩定，顆粒(li)(li)的(de)(de)形(xing)狀系數(shu)(shu)和消光(guang)系數(shu)(shu)不致(zhi)有(you)很大的(de)(de)波動。這對尋求濁度(du)與(yu)含(han)(han)沙量、顆粒(li)(li)組成的(de)(de)關系提供(gong)了可(ke)能性。
三、試驗情況
我(wo)們取了甘肅(su)蘭(lan)州、寧夏表銅峽、河南滎陽孤柏嘴、河南鄭州花園(yuan)口，四(si)處黃河河段的(de)(de)(de)泥沙樣(yang)(yang)或水(shui)樣(yang)(yang)，配(pei)成不同(tong)濃度(du)的(de)(de)(de)渾(hun)(hun)水(shui)，測(ce)定(ding)其(qi)濁(zhuo)度(du)。根據蘭(lan)州自(zi)來水(shui)公司的(de)(de)(de)經驗，渾(hun)(hun)水(shui)在作(zuo)濁(zhuo)度(du)測(ce)定(ding)時往往需要稀(xi)釋，此時要采(cai)用固(gu)定(ding)的(de)(de)(de)稀(xi)釋倍數，這樣(yang)(yang)，不同(tong)渾(hun)(hun)水(shui)樣(yang)(yang)的(de)(de)(de)單位含(han)沙量的(de)(de)(de)濁(zhuo)度(du)值(zhi)相當穩(wen)定(ding)。而不按固(gu)定(ding)稀(xi)釋倍數所得的(de)(de)(de)數據偏差較大。濁(zhuo)度(du)測(ce)定(ding)用上海自(zi)來水(shui)公司生產(chan)(chan)的(de)(de)(de)GDS—3型(xing)光電(dian)(dian)式渾(hun)(hun)濁(zhuo)度(du)儀，每個泥沙樣(yang)(yang)或渾(hun)(hun)水(shui)樣(yang)(yang)用河海大學工廠生產(chan)(chan)的(de)(de)(de)NSY-1型(xing)光電(dian)(dian)顆(ke)分儀測(ce)定(ding)其(qi)粒度(du)分布， 計算 出各(ge)自(zi)的(de)(de)(de)S w 。不同(tong)沙樣(yang)(yang)的(de)(de)(de)顆(ke)分結(jie)果(guo)見表1。
應當指出(chu)，正(zheng)如我們在進行(xing)高(gao)濁度(du)水(shui)投(tou)藥(yao)量(liang)與泥沙顆粒表面積關(guan)系的(de) 研究 時所提出(chu)的(de)那樣，不(bu)同粒度(du) 分析(xi) 儀器(qi)的(de)測定(ding)(ding)結果有(you)一定(ding)(ding)差異，有(you)時甚(shen)至有(you)較大的(de)距離(li)，難以類(lei)比換(huan)算。固以采用同一類(lei)型儀器(qi)進行(xing)顆分測定(ding)(ding)為好。
同時還用(yong)高嶺土配制的渾水進(jin)行(xing)了對照(zhao)測定。
不同(tong)沙樣的(de)濁度測定結果見表(biao)2。從表(biao)2可(ke)以看出，粒徑(jing)因素不同(tong)時，相(xiang)同(tong)含沙量級的(de)濁度呈現(xian)出明(ming)顯(xian)的(de)差異。
各試(shi)樣泥沙的(de)顆(ke)粒特(te)征 表(biao)1
四、試驗(yan)結果分析
按(an)式(shi)(1)、式(shi)(5)和式(shi)(8)所(suo)示，原水(shui)濁度應與(yu)水(shui)中顆粒(li)(li)濃度和顆粒(li)(li)的(de)(de)比(bi)表(biao)面積(ji)成正比(bi)，亦即是與(yu)水(shui)中顆粒(li)(li)的(de)(de)總(zong)表(biao)面積(ji)成正比(bi)。但按(an)試驗結果整理出的(de)(de)濁度T與(yu)含沙量C w 、顆粒(li)(li)比(bi)表(biao)面積(ji)S 0 的(de)(de)關系具有如下形(xing)式(shi):
式中:
n、a、b—經驗系數。
具體的結果(guo)如下(xia)式
式(13)的相關(guan)系數r=0.9981，并示于(yu)圖1。
圖1所示(shi)和相關(guan)系數接近于1的(de)(de)情況說明(ming)，我(wo)們所得的(de)(de)試驗結(jie)(jie)果和上述關(guan)系式相當穩定。尤其是試驗中用了黃河上、下游不同(tong)河段—蘭州(zhou)、青(qing)銅峽(xia)、鄭(zheng)(zheng)州(zhou)鋁廠孤柏(bo)嘴取水口和鄭(zheng)(zheng)州(zhou)花園口的(de)(de)泥沙(sha)(sha)，其結(jie)(jie)果仍然很(hen)好，說明(ming)式(12)的(de)(de)基本關(guan)系是正(zheng)確的(de)(de)，可以適用于黃河全河段的(de)(de)濁度(du)與含沙(sha)(sha)量、顆(ke)粒比表(biao)面(mian)積(ji)的(de)(de)關(guan)系計(ji)算。
我們在試驗(yan)中還(huan)用(yong)高嶺土配制成渾水做(zuo)了測定，其結(jie)果與(yu)黃(huang)河水完全一(yi)(yi)致，呈(cheng)現了與(yu)黃(huang)河泥(ni)沙相同的光學性質，也進一(yi)(yi)步說明了式(12)的可*性。
式(12)與式(7)尚有一定差(cha)異，主要(yao)表現在系數n不為1，n不等于1的原因較復雜，推測(ce)有如(ru)下幾點(dian)。
1.顆粒大(da)小(xiao)不(bu)同(tong)時，對入(ru)射光的吸收(shou)程度不(bu)相同(tong)，而消光系數難以設為變量;
2.黃河水中泥(ni)沙顆(ke)(ke)粒(li)的(de)物(wu)質成分復雜，顆(ke)(ke)粒(li)表面(mian)的(de)形狀、光潔度、顏色都有差(cha)異;
3.顆(ke)粒(li)分析儀器的(de)測定結果和顆(ke)粒(li)表面積(ji)計算 方法 的(de) 影響 。因為我們在(zai)(zai)研究投藥量與泥沙顆(ke)粒(li)表面積(ji)(S 0 ·C w )關系時，在(zai)(zai)采用(yong)不同(tong)型(xing)式顆(ke)分儀器的(de)測定結果的(de)情況下，S 0 的(de)方次就在(zai)(zai)1的(de)左右(you)變(bian)動，變(bian)動范圍為0.7—1.33。
系(xi)數α包括了消(xiao)光(guang)系(xi)數、顆粒形狀系(xi)數等因素(su);系(xi)數b接近于(yu)(yu)1，但不(bu)等于(yu)(yu)1，估計也(ye)與顆M分(fen)結(jie)果(guo)的數值有關。
高嶺土僅采用了(le)一(yi)個品種，還難以解釋其光學(xue)性質與黃河泥沙幾乎(hu)相同的(de)原因。
五、結(jie)論及存(cun)在(zai) 問題(ti)
1.黃河高(gao)濁(zhuo)(zhuo)度水的(de)濁(zhuo)(zhuo)度不(bu)但(dan)與含沙量(liang)有關(guan)，而(er)且與顆粒(li)因素有關(guan)，忽(hu)略其(qi)中的(de)一個因素就難(nan)以得(de)到(dao)穩定的(de)關(guan)系，其(qi)一般關(guan)系式為:
T=f(S 0 ，C w );
2.在通常情況下，沙(sha)(sha)濁(zhuo)比C w /T)大(da)，泥沙(sha)(sha)顆粒粗，反之則(ze)細;
3.用黃河(he)上、下(xia)游不同(tong)河(he)段泥沙進(jin)行測定后，其結果呈現出良(liang)好的(de)一致性。由此得出了具體的(de)關(guan)系式為:
此式(shi)有可能適用(yong)于全河(he)段;
4.不同(tong)顆(ke)(ke)分(fen)儀(yi)器或方(fang)法所得的結果往往有(you)差(cha)異，甚至(zhi)有(you)相當大(da)的差(cha)異，因此欲求得濁度與S 0 、C w 的關系時，應采(cai)用同(tong)一類型的顆(ke)(ke)分(fen)儀(yi)器或方(fang)法;
5.由于(yu)條(tiao)件關系，未(wei)做其(qi)它較高濁(zhuo)度河(he)流(liu)的(de)測定(ding)，估(gu)計(ji)本文提出的(de)基(ji)本關系有(you)可能(neng)用于(yu)其(qi)它水系的(de)以含有(you)粗分散系顆(ke)粒為主的(de)較高濁(zhuo)度水，如長江(jiang)上、中游(you)水系，但并不一定(ding)適用于(yu)低濁(zhuo)度水河(he)流(liu)。
參考 文獻
〔1〕艾倫(lun)，T，顆粒大(da)小測定(ding)(第三版)喇華璞、童三多、施娟英(ying)譯(yi) 中國(guo) 建筑(zhu) 工業(ye) 出版社1984 年
〔2〕Mинц，д.M.шуберт，C.A.Гидрвликазернистыхмaтериалов.Hзд.MKX PCXCP.1955
〔3〕三(san)輪茂雄、日高重(zhong)助(zhu)《粉(fen)體工程實(shi)驗手冊》楊倫、謝淑嫻譯(yi)，中國建筑工業出版(ban)社1987年(nian)。
〔4〕盧永(yong)生、徐(xu)友(you)仁、龍(long)毓騫(qian)《消(xiao)光法(fa)用于河(he)流泥(ni)沙顆(ke)粒分析——河(he)流泥(ni)沙國際學術討論會論文集》第二卷光華出(chu)版社1980年(nian)。
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