圖像分析粘性細(xì)顆粒泥沙絮體孔隙初探.pdf

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1、泥沙研究2011年l0月JournalofSedimentResearch第5期圖像分析粘性細(xì)顆粒泥沙絮體孔隙初探柴朝暉，楊國(guó)錄2，陳萌，李野2，何姝(1．武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室污淤泥研究中心，湖北武漢4300722．武漢大學(xué)宇星公司水利環(huán)境工程技術(shù)研究中心，湖北武漢430072)摘要：以細(xì)顆粒含量較高的滇池底泥為例，利用SEM圖像分析法和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，研究了粘性細(xì)顆粒泥沙絮體孔隙大小、形狀及孔徑分布，同時(shí)探討了絮體孔隙大小及孔徑分布與絮體沉速之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：粘性細(xì)顆粒泥沙絮體孔隙一般屬于毛細(xì)管孔隙，孔隙投影面的形狀

2、近圓形；自然狀態(tài)下絮體孔隙孔徑近似呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布；加入絮凝劑后，呈對(duì)數(shù)偏態(tài)分布；絮體沉速與絮體孔隙的大小和孔徑分布具有較強(qiáng)的相關(guān)性。關(guān)鍵詞：細(xì)顆粒泥沙；絮體孔隙；圖像分析；沉降速度中圖分類(lèi)號(hào)：TV142．1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0468—155X(2011)05-0024-061前言泥沙顆粒越小，其比表面積越大、電化學(xué)作用越明顯，當(dāng)粒徑小于0．03mm?時(shí)，這些顆粒會(huì)與周?chē)渌⒘０l(fā)生絮凝作用結(jié)合在一起，形成絮體。與傳統(tǒng)單顆粒泥沙不同，絮體具有多孔結(jié)構(gòu)，其沉降速度不僅與單顆粒泥沙的粒徑、質(zhì)量及繞流阻力有關(guān)，還受到顆粒之間的結(jié)合方式、絮體的體積

3、以及孔隙等諸多因素的影響。在湖泊、水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算中，如不考慮細(xì)顆粒泥沙的絮凝作用，計(jì)算的淤積量會(huì)與實(shí)際不符，產(chǎn)生不良后果。最初，國(guó)內(nèi)學(xué)者在計(jì)算粘性細(xì)顆粒泥沙沉速時(shí)，一般不考慮絮凝的影響¨，造成結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大；而后，錢(qián)寧、馬惠民、褚君達(dá)等人開(kāi)始考慮粘性細(xì)顆粒泥沙絮凝對(duì)流變性能的影響，并推導(dǎo)出一系列的公式；20世紀(jì)80年代，TAWitten和LMSander將分形理論引入到絮凝研究后，Gonzalez(EAGonzalez)等在絮體沉降雷諾數(shù)較小情況下，基于絮體分形維數(shù)和孔隙率提出了細(xì)顆粒泥沙沉降公式，Winterwerp(JCWinte

4、rsherp)則給出了絮體沉降雷諾數(shù)較大情況下的沉降速度公式。雖然這些細(xì)顆粒泥沙沉速公式在推導(dǎo)過(guò)程中考慮了細(xì)顆粒泥沙的絮凝、絮凝過(guò)程中流變特性的改變，以及絮體孔隙率對(duì)其沉速的影響，但較少的考慮絮體孔隙的形態(tài)、大小等對(duì)絮體沉速的影響。因此論文以含細(xì)顆粒泥沙較多的云南滇池底泥為樣品，從絮體孔隙微觀結(jié)構(gòu)方面出發(fā)，通過(guò)分析絮體SEM圖像、采用統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法，探討了粘性細(xì)顆粒泥沙絮體孔隙形態(tài)及其孔徑分布，同時(shí)定性分析了絮體孔隙大小及分布與絮體沉速的關(guān)系，期望能為從絮體孔隙微觀結(jié)構(gòu)方面研究細(xì)顆粒泥沙絮凝問(wèn)題及其沉降性能提供理論支持。2實(shí)驗(yàn)材料和方法2．1實(shí)驗(yàn)

5、材料實(shí)驗(yàn)所用樣品取自云南滇池湖底，實(shí)驗(yàn)前用1mm篩去除底泥中的沙礫等大顆粒雜質(zhì)后放入上海簡(jiǎn)戶儀器公司生產(chǎn)的DJH．80L．L型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，經(jīng)低溫干燥測(cè)得含水率為90．2％；使用丹東百收稿日期：2010-12-01基金項(xiàng)目：武漢大學(xué)自主科研項(xiàng)目(5081010)作者簡(jiǎn)介：柴朝暉(1986一)，男，河北魏縣人，博士研究生，主要從事泥水環(huán)境研究工作。E—mail：a3515522@126．corn24特公司生產(chǎn)的BT一1500降式粒度分布儀測(cè)得滇池底泥的顆粒級(jí)配曲線，見(jiàn)圖丟···粒~．／mmJ型圖1滇池底泥初始顆粒級(jí)配曲線離Fig．1Init

6、ialparticlesizedistributioncurveofsihinDianchiLakeL沉2．2＼丑實(shí)驗(yàn)陋惻方佘法梨j!E2．2．1靜水沉降試驗(yàn)在高40cm、直徑為6cm的1000ml量筒中進(jìn)行靜水沉降試驗(yàn)，研究自然狀態(tài)下和添加不同種類(lèi)和劑量的絮凝劑(1mmol／L、5mmol／L的FeC1溶液和3mmol／L、7mmol／L的A1C1溶液)后滇池底泥的沉降過(guò)程，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中記錄沉降時(shí)間和距離用于計(jì)算絮體等速段的沉速。2．2．2絮體SEM圖像絮體結(jié)構(gòu)松散，易碎，難以在完全不擾動(dòng)的情況下將其取出。因此，制取掃描電鏡的底泥絮體樣本時(shí)，為

7、了盡量不破壞絮體，用內(nèi)徑較大的移液管輕輕的將絮體從量筒移到載玻片上。絮體樣本干燥時(shí)，首先加入聚酯樹(shù)脂以防止底泥絮體孔隙干化時(shí)發(fā)生收縮變形，同時(shí)采用冷凍干燥，盡可能保證絮體的形態(tài)與實(shí)際相吻合，王松等曾用冷凍干燥法成功制備了聚苯乙烯粉末聚集物標(biāo)本。最后，用X．650型掃描電鏡掃描絮體樣本，得到放大不同倍數(shù)(500倍，2000倍，8000倍)的滇池底泥絮體SEM圖像。2．2．3圖像分析圖像分析是指根據(jù)SEM圖像所攜帶的信息，通過(guò)軟件測(cè)量圖像得到物質(zhì)的形態(tài)參數(shù)，包括粒徑、面積，長(zhǎng)短軸長(zhǎng)等，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已將此法應(yīng)用到測(cè)量多孔分形介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)中。利用此

8、方法得到的絮體孔隙信息的準(zhǔn)確程度取決于能否準(zhǔn)確的獲取和傳遞底泥絮體SEM圖像上的信息。因此在測(cè)量絮體孔隙形態(tài)前需對(duì)絮體圖像進(jìn)行有效的處理和分割。圖像處