河流泥沙运动物理化学过程初步研究

【摘要】：河流泥沙从流域上游的侵蚀,到河道的输移,以及河口的沉积无不表现出与河流的物理化学过程紧密的联系。随着泥沙研究的深入,结合河流的水化学条件研究泥沙运动是解决环境泥沙问题的必然。尤其是随着水环境的日益恶化,河流水化学条件的变化影响了泥沙最基本运动形式,从而对流域泥沙输移产生了不可忽视的影响。因此,无论是河流泥沙学科的发展,还是解决变化环境下的泥沙问题,深入开展泥沙运动物理化学过程研究具有重要的理论和实践意义。 本文总结了泥沙研究中的物理化学问题,结合泥沙学科和物理化学的基本理论提出了泥沙运动物理化学过程,并确定了泥沙运动物理化学过程的主要内容包括:①流域的侵蚀产沙与离子输移;②泥沙输移过程中的物理化学作用;③河流泥沙运动中的热力学过程。本文重点讨论了前两个主要的内容,从化学侵蚀过程入手研究了流域的水沙变化和水体中离子输移关系;从泥沙颗粒表面的微观结构特性着手研究了水沙颗粒界面微观物理化学作用机理。应用微观机理来研究和揭示粘性泥沙沉降和运动过程中一些特殊的现象和规律。 本文主要的研究内容包括: 探讨了泥沙侵蚀过程中基本的物理化学作用和化学反应过程,指出泥沙侵蚀和离子侵蚀之间具有伴随性。讨论了影响泥沙侵蚀和离子侵蚀的环境条件及其地域特性。分析了不同地质条件和环境条件下的侵蚀反应过程,指出侵蚀反应的差异是形成水沙化学组成的地域特性的主要原因。对比了我国主要河流泥沙元素和地球化学组成的差异,分析了其离子组成和浓度变化等水化学特性。 以长江干流和其支流嘉陵江为例,研究了泥沙输移与离子输移之间相关性。研究结果表明:长江干流和嘉陵江干流上的泥沙输移和离子输移存在着正相关关系,二者相关性很好。依据实测资料分析建立泥沙输移与离子输移之间的关系式。并指出不同种类离子的输移与泥沙输移的相关程度不同,长江流域Ca~(2+)离子和HCO_3~-离子输移与泥沙输移的相关性最好。根据侵蚀过程的基本反应原理对泥沙输移和离子输移之间的差异性进行分析。研究还发现,河流水沙环境条件变化对泥沙输移和离子输移之间相关性影响很大。主要表现在上游支流入汇和水库的运行将降低下游河流的离子与泥沙输移的相关性。 指出泥沙输移过程中的物理化学作用是泥沙颗粒表面物理化学作用的宏观体现。并从泥沙颗粒的微观形态入手,研究的泥沙颗粒表面的物理化学作用,指出在水体中泥沙颗粒表面同时具有电化学特性和表面水膜特性,并结合胶体科学理论和泥沙科学的研究结果建立了表面过渡层模型。分析了当水质条件变化对表面过渡层结构和表面物理化学作用的影响,同时分析了颗粒表面过渡层上的微观