黃河水濁度與含沙量、泥沙粒度之間的關(guān)系
摘要：黃河水的濁度與含沙量之間沒有固定的比值關(guān)系。本文根據(jù)濁度與光密度的關(guān)系，提出了確定濁度T與含少量C w 的關(guān)系需要引入泥沙顆粒比表面積參數(shù)S 0 ，并用黃河上、下游不同河段的的不同粒度分布的泥沙或渾水進(jìn)行了實(shí)測(cè) 分析 ，得到了關(guān)系式 。此式對(duì)黃河高濁度水有較好的的普遍意義，并為高濁度水投藥自動(dòng)控制解決了濁度儀與含沙量測(cè)定儀表兩者讀數(shù)的銜接 問題 。
關(guān)鍵詞：黃河水 濁度 含沙量 泥沙粒度 關(guān)系
黃河水濁度與含沙量之間沒有固定的比值關(guān)系，往往相同含沙量的原水，表現(xiàn)出不同的濁度，或者相反。這樣使人們對(duì)水質(zhì)的評(píng)價(jià)發(fā)生一定的困難。沒有固定的沙濁比(含沙量與濁度的比值)，給高濁度水凈化時(shí)的投藥量控制帶來(lái)一定的困難。因此，非常有必要對(duì)黃河水濁度與含沙量之間的關(guān)系進(jìn)行 研究 。
一、 理論 說明
水的濁度，是利用光學(xué)原理測(cè)定水質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它在一定程度上表示了水中懸浮物質(zhì)的多寡，但濁度值與水中濁度物質(zhì)的質(zhì)量值并不總是等價(jià)的。
目關(guān)國(guó)內(nèi)常采用分光光度計(jì)或?qū)ｉT的濁度儀表來(lái)測(cè)定濁度，這屬于透射式或散射式的光學(xué)濁度。濁度T與入射光強(qiáng)I 0 關(guān)系式:
式中: D——光密度，即分光光度計(jì)所顯示的值;
b——光徑;
I——透射光強(qiáng)。
采用光沉降法(或稱消光法)測(cè)定顆粒大小時(shí)，光密度D 〔1〕 為
式中:
C——顆粒質(zhì)量濃度;
L——沉降槽長(zhǎng)度;
K r ——消光系數(shù);
κ r ——由顆粒形狀所決定的常數(shù)(球體的κ=π/4);
d 0 ，d st ——光柱中最小和最大顆粒粒徑;
n r ——顆粒數(shù)。
在初始濃度時(shí)，光密度為最大(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(shù);
W——顆粒的質(zhì)量;
α υ，r ——顆粒的容積形狀系數(shù)
ρ s ——顆粒的密度。最終可得
D M =CL(ιοge)K m κS w (5)
式中:
K m ——消光系數(shù)的平均值;
S w ——質(zhì)量比表面積。
式中:
α sr ， ，A ——顆粒的面積、體積形狀系數(shù);
X r ——d r，A 粒經(jīng)顆粒在全體顆粒中的組分。
式(6)中的∑(X r /d r， )即為過去曾經(jīng)采用的當(dāng)量粒徑d θκб 的定義 〔2〕 。
綜合式(1)和式(5)可得
式(7)與Lambert-Beer定律的表達(dá)式 〔3〕 相似，即
l R (I 0 /I)=κACL(8)
式中:
A——光束中每克顆粒的投影面積;
C——懸濁液的顆粒濃度(質(zhì)量濃度);
L——光徑;
κ——有關(guān)光行程系統(tǒng)的常數(shù)。
盧永生、徐友仁、龍毓騫 〔4〕 在研制光電顆分儀時(shí)為確定消光系數(shù)提出了如下的關(guān)系式:
式中:
d 50 —泥沙顆粒的中值粒徑其它符號(hào)的意義見前。
式(9)又可表達(dá)為如下形式:
對(duì)于某一具體泥沙樣
式(11)中的6/d 50 可定義為顆粒的比表面積S 0 ，因此式(11)與式(5)、式(8)具有相似的形式。
根據(jù)我們對(duì)黃河不同河段泥沙粒度分布的測(cè)定，用d 50 代表S 0 或S w 的依據(jù)尚不充分。在多數(shù)情況下d 50 與S 0 有較好的關(guān)系，但在另外一些情況下就不完全如此。
由以上式(5)、(8)和式(11)可知，水的濁度除與顆粒濃度(即含沙量)有關(guān)外，還與粒徑因素有關(guān)，粒徑因素主要表現(xiàn)為顆粒的比表面積。
二、對(duì)黃河水的考慮
黃河水含沙量之高為世界河流之冠。黃河水中的泥沙絕大部分來(lái)自黃土，其物質(zhì)成分十分復(fù)雜，有六十余種礦物。但黃土的顆粒、礦物、化學(xué)成分呈現(xiàn)的變化，基本上是有 規(guī)律 的。因此，黃河水濁度與其泥沙顆粒因素的關(guān)系，有可能較穩(wěn)定，顆粒的形狀系數(shù)和消光系數(shù)不致有很大的波動(dòng)。這對(duì)尋求濁度與含沙量、顆粒組成的關(guān)系提供了可能性。
三、試驗(yàn)情況
我們?nèi)×烁拭C蘭州、寧夏表銅峽、河南滎陽(yáng)孤柏嘴、河南鄭州花園口，四處黃河河段的泥沙樣或水樣，配成不同濃度的渾水，測(cè)定其濁度。根據(jù)蘭州自來(lái)水公司的經(jīng)驗(yàn)，渾水在作濁度測(cè)定時(shí)往往需要稀釋，此時(shí)要采用固定的稀釋倍數(shù)，這樣，不同渾水樣的單位含沙量的濁度值相當(dāng)穩(wěn)定。而不按固定稀釋倍數(shù)所得的數(shù)據(jù)偏差較大。濁度測(cè)定用上海自來(lái)水公司生產(chǎn)的GDS—3型光電式渾濁度儀，每個(gè)泥沙樣或渾水樣用河海大學(xué)工廠生產(chǎn)的NSY-1型光電顆分儀測(cè)定其粒度分布， 計(jì)算 出各自的S w 。不同沙樣的顆分結(jié)果見表1。
應(yīng)當(dāng)指出，正如我們?cè)谶M(jìn)行高濁度水投藥量與泥沙顆粒表面積關(guān)系的 研究 時(shí)所提出的那樣，不同粒度 分析 儀器的測(cè)定結(jié)果有一定差異，有時(shí)甚至有較大的距離，難以類比換算。固以采用同一類型儀器進(jìn)行顆分測(cè)定為好。
同時(shí)還用高嶺土配制的渾水進(jìn)行了對(duì)照測(cè)定。
不同沙樣的濁度測(cè)定結(jié)果見表2。從表2可以看出，粒徑因素不同時(shí)，相同含沙量級(jí)的濁度呈現(xiàn)出明顯的差異。
各試樣泥沙的顆粒特征 表1
四、試驗(yàn)結(jié)果分析
按式(1)、式(5)和式(8)所示，原水濁度應(yīng)與水中顆粒濃度和顆粒的比表面積成正比，亦即是與水中顆粒的總表面積成正比。但按試驗(yàn)結(jié)果整理出的濁度T與含沙量C w 、顆粒比表面積S 0 的關(guān)系具有如下形式:
式中:
n、a、b—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
具體的結(jié)果如下式
式(13)的相關(guān)系數(shù)r=0.9981，并示于圖1。
圖1所示和相關(guān)系數(shù)接近于1的情況說明，我們所得的試驗(yàn)結(jié)果和上述關(guān)系式相當(dāng)穩(wěn)定。尤其是試驗(yàn)中用了黃河上、下游不同河段—蘭州、青銅峽、鄭州鋁廠孤柏嘴取水口和鄭州花園口的泥沙，其結(jié)果仍然很好，說明式(12)的基本關(guān)系是正確的，可以適用于黃河全河段的濁度與含沙量、顆粒比表面積的關(guān)系計(jì)算。
我們?cè)谠囼?yàn)中還用高嶺土配制成渾水做了測(cè)定，其結(jié)果與黃河水完全一致，呈現(xiàn)了與黃河泥沙相同的光學(xué)性質(zhì)，也進(jìn)一步說明了式(12)的可*性。
式(12)與式(7)尚有一定差異，主要表現(xiàn)在系數(shù)n不為1，n不等于1的原因較復(fù)雜，推測(cè)有如下幾點(diǎn)。
1.顆粒大小不同時(shí)，對(duì)入射光的吸收程度不相同，而消光系數(shù)難以設(shè)為變量;
2.黃河水中泥沙顆粒的物質(zhì)成分復(fù)雜，顆粒表面的形狀、光潔度、顏色都有差異;
3.顆粒分析儀器的測(cè)定結(jié)果和顆粒表面積計(jì)算 方法 的 影響 。因?yàn)槲覀冊(cè)谘芯客端幜颗c泥沙顆粒表面積(S 0 ·C w )關(guān)系時(shí)，在采用不同型式顆分儀器的測(cè)定結(jié)果的情況下，S 0 的方次就在1的左右變動(dòng)，變動(dòng)范圍為0.7—1.33。
系數(shù)α包括了消光系數(shù)、顆粒形狀系數(shù)等因素;系數(shù)b接近于1，但不等于1，估計(jì)也與顆M分結(jié)果的數(shù)值有關(guān)。
高嶺土僅采用了一個(gè)品種，還難以解釋其光學(xué)性質(zhì)與黃河泥沙幾乎相同的原因。
五、結(jié)論及存在 問題
1.黃河高濁度水的濁度不但與含沙量有關(guān)，而且與顆粒因素有關(guān)，忽略其中的一個(gè)因素就難以得到穩(wěn)定的關(guān)系，其一般關(guān)系式為:
T=f(S 0 ，C w );
2.在通常情況下，沙濁比C w /T)大，泥沙顆粒粗，反之則細(xì);
3.用黃河上、下游不同河段泥沙進(jìn)行測(cè)定后，其結(jié)果呈現(xiàn)出良好的一致性。由此得出了具體的關(guān)系式為:
此式有可能適用于全河段;
4.不同顆分儀器或方法所得的結(jié)果往往有差異，甚至有相當(dāng)大的差異，因此欲求得濁度與S 0 、C w 的關(guān)系時(shí)，應(yīng)采用同一類型的顆分儀器或方法;
5.由于條件關(guān)系，未做其它較高濁度河流的測(cè)定，估計(jì)本文提出的基本關(guān)系有可能用于其它水系的以含有粗分散系顆粒為主的較高濁度水，如長(zhǎng)江上、中游水系，但并不一定適用于低濁度水河流。
參考 文獻(xiàn)
〔1〕艾倫，T，顆粒大小測(cè)定(第三版)喇華璞、童三多、施娟英譯 中國(guó) 建筑 工業(yè) 出版社1984 年
〔2〕Mинц，д.M.шуберт，C.A.Гидрвликазернистыхмaтериалов.Hзд.MKX PCXCP.1955
〔3〕三輪茂雄、日高重助《粉體工程實(shí)驗(yàn)手冊(cè)》楊倫、謝淑嫻譯，中國(guó)建筑工業(yè)出版社1987年。
〔4〕盧永生、徐友仁、龍毓騫《消光法用于河流泥沙顆粒分析——河流泥沙國(guó)際學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集》第二卷光華出版社1980年。
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