利用图像处理技术对絮凝过程进行实验室模拟,并研究河口地区影响絮凝过程的重要因素

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》:Laboratory Simulation of Flocculation Process and Investigation of Influencing Important Factors in Estuaries using Image Processing

【字体: 时间:2026年02月03日 来源:Estuarine, Coastal and Shelf Science 2.6

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  河口絮凝过程与颗粒尺寸的关系研究。通过模拟不同盐度、悬浮物浓度和盐水混合体积的河口环境,分析絮凝对颗粒尺寸的影响。研究发现絮体最大尺寸(24 g/L盐度、50 mg/L悬浮物浓度、1 L盐水混合)及尺寸随盐度和悬浮物浓度动态变化,提出絮体面积作为更准确的测量指标。

  
Sajjad Fathi Ozanbolagh|Mohammad Hossein Niksokhan|Abdolreza Karbassi
德黑兰大学环境学院环境工程系,伊朗德黑兰

摘要

河口是复杂而迷人的水生环境,河流和溪流的淡水与海洋的咸水在此交汇。这个动态的生态系统受到许多因素的影响,包括盐度和其他离子,这些因素会改变河口的特征。其中一个关键过程是絮凝作用,它会影响悬浮颗粒的大小和水质。最近的研究通过图像处理技术,在接近实际生活场景的条件下探索和测试了河口中的絮凝过程,考虑了假设河口不同区域的混合情况,以及不同的盐度值、悬浮沉积物的浓度和不同体积的咸水。
该研究调查了三个关键因素:混合过程、水盐度和悬浮物质的浓度。研究从两个广泛的角度进行了分析:盐度的变化以及混合到河口中的咸水体积的变化。研究结果表明,河口区域的絮凝体大小会根据盐度和河流流量而波动,这取决于其在假设河口中的位置。这些变化还受到河水中悬浮沉积物浓度的影响。
统计结果表明,在盐度为12克/升时,絮凝体最小;而在盐度为24克/升时,絮凝体最大。这种最大的絮凝体大小与悬浮沉积物浓度为50毫克/升和咸水体积为1升相关。
研究结果表明,最大的絮凝体大小主要出现在盐度在18至24克/升的范围内,同时悬浮沉积物的浓度既可以在最低水平(50毫克/升)也可以在最高水平(200毫克/升)。
随着河口不同位置的盐度变化以及悬浮沉积物浓度的不同,絮凝体的最大大小也会发生变化。

引言

在沉积物输运建模中,准确预测沉积模式依赖于选择正确的沉积速度(Ws)(Dyer, 1989; Geyer et al., 2004; Harris et al., 2005; Partheniades, 2009; Chen et al., 2010)。在河口区域,沉积过程很大程度上受到絮凝现象的影响,这会影响沉积物的运动、沉积、侵蚀和沉降(fennessy et al., 1994; Chassagne et al., 2021; Zhang et al., 2021; Laursen et al., 2023)。絮凝体的大小是影响沉积速度的一个重要因素(Kumar et al, 2010),尤其是在河口区域。该区域主要由胶体颗粒组成,这些颗粒在絮凝过程中聚集形成粘性沉积物。与受沉积物大小、比重和颗粒形状影响的沙沉积物不同,河口区域的沉积速度取决于沉积、絮凝和水盐度条件的动态变化(Winterwerp and van Kesteren, 2004; Zhang et al., 2021; Whitfield, 2021; Wei et al., 2022)。由于絮凝是沉积物输运过程中的关键现象,因此需要对其进行深入研究(Mhashhash et al., 2017; Fathi Ozanbolagh et al., 2025)。絮凝可以增加颗粒的大小和质量,从而影响它们的沉降速度(Dyer and Manning, 1999; Strom and Keyvani, 2011)。因此,研究河口中絮凝过程中的絮凝体行为对于获得更准确的沉积速度和颗粒沉降模型至关重要(Winterwerp, 1998)。
悬浮颗粒通常可以分为四种类型:初级颗粒、絮凝团、微絮凝体和宏观絮凝体(Eisma, 1986; Manning, 2001; Lee et al., 2012)。微絮凝体是由粘性沉积物絮凝形成的,而宏观絮凝体则是通过微絮凝体的结合形成的。颗粒的积累主要是由于颗粒之间的碰撞、矿物的组成、沉积物的大小以及水中的化学成分(包括盐度和pH值)(Strom and Keyvani, 2016; Dyer and Manning, 1999; Spearman et al., 2011)。
在许多关于河口的研究中(Strom and Keyvani, 2016; Kumar et al., 2010; Mhashhash et al., 2017; Mikes et al., 2004; Verney et al., 2009; Manning, 2004a; Manning and Dyer, 2007; Manning et al., 2007; Zhu et al., 2016; Li et al., 2021; Zhang et al., 2021; Wolanski and Gibbs, 1995; Xiaoteng and Jerome, 2016; Kumar et al., 2010),尚未研究河口不同区域的混合条件,也没有动态地探讨咸水与淡水混合比例的变化对絮凝体大小的影响。只有Fathi Ozanbolagh等人(2025)的研究探讨了这一问题,他们研究了絮凝体的数量密度。然而,通过研究这些变量对絮凝体大小的一般影响,可以获得一些有用的见解。
盐度在絮凝过程中起着重要作用,因为它会改变颗粒与流体之间的静电相互作用(Zhang et al., 2021; Nasrabadi et al., 2022; Samani et al., 2021; Deng et al., 2023; Fathi Ozanbolagh et al., 2025),这可能会影响絮凝体的稳定性和生长。较高的盐度水平会通过降低颗粒的有效电荷和减少颗粒间的相互作用强度来抑制絮凝速率。另一方面,悬浮沉积物浓度(SSC)被认为是控制河口水中颗粒碰撞次数和絮凝程度的关键参数(Guo et al., 2021; Fathi Ozanbolagh et al., 2025)。沉积物浓度还可以通过提供更多的碰撞和聚集颗粒来促进絮凝,从而增加絮凝速率。然而,随着沉积物浓度的增加,它也可能引起湍流和混合,从而破坏絮凝体的稳定性。这一因素在河口沿线的变化可能是减少的,也可能是增加的。
Spicer等人(1998; Biggs and Lant, 2000; Jarvis et al., 2005; Keyvani and Strom, 2014)的研究强调了这些参数的重要性,同样地,Serra等人(1997; Manning and Dyer, 1999; Mikes et al., 2004; Maggi, 2005)也在实验室中研究了絮凝现象。
河口中盐度、沉积物浓度和絮凝体大小之间的关系复杂且动态变化,另一方面,咸水和淡水混合的方式也会影响絮凝体的大小,这使得很难定义一个描述它们相互作用的单一方程式。
要准确预测河口中盐度、沉积物浓度和絮凝体大小之间的相互作用,需要根据具体系统进行彻底分析,并考虑所有相关因素。
尽管复制絮凝过程很复杂,但在实验室实验中使用受控参数和先进技术有助于研究人员更好地理解这一自然过程。絮凝体的生长速率对于确定每个时间维度上的絮凝体沉降速度以及模拟沉积物和污染物的传输至关重要。
因此,本研究在其实验中包含了上述内容,通过定义河口的可能情景来更好地理解河口中的絮凝过程。尽管每个河口可能具有独特的特征,但在某些情况下,河口表现出相似的行为。
目前的实验集中在稳态条件下桨驱动混合室中絮凝体大小和生长速率的变化上。
本研究的目的是提出一种创新的实验方法来研究河口中的絮凝过程和絮凝体大小的变化。目的是改进河口地区的沉积模型。为了模拟接近实际的河口絮凝条件,本研究使用了不同浓度的淡水中的悬浮沉积物(C)、不同的盐度值(S)以及与淡水混合的不同体积的咸水(V),以模拟咸水和淡水之间的复杂混合条件;这是最近研究中尚未充分探讨的关键因素(Zhang et al., 2021; Zhang et al., 2020; Maltauro et al., 2023; Guo et al., 2023; Chassagne et al., 2022; Abolfazli & Strom, 2023),这些因素会显著影响河口中絮凝体大小的变化。虽然大多数研究使用颗粒或絮凝体直径(df)作为絮凝体大小的指标,但本研究采用絮凝体面积作为更准确的测量方法,因为它考虑了絮凝体形成的不同形状,从而提高了结果的准确性。
本研究的关键创新之处在于同时考虑了3个基本因素,并考虑了它们之间的相互关系,以及海水和河水混合的不同条件,同时进行了大量实验,考虑了假设河口中各种可能的因素值,并在混合罐中采用了新的措施来记录高悬浮沉积物浓度条件下形成的絮凝体图像。
这项研究代表了一个高效的大规模实验,它考虑了河口区域的接近实际情况,包括海水与含有河泥的淡水的混合,以及大量测试,从而更准确、更详细地了解了不同混合条件下盐水和淡水之间的关系以及絮凝体的最大大小。
本研究的结果对于管理和保护河口具有重要意义。通过了解影响絮凝的因素,政策制定者可以就水质管理(Asgari et al., 2023)、侵蚀预防和可持续发展做出明智的决策。

方法与材料

为了真实地模拟河口条件,混合罐应填充与河口成分和盐度相近的水。模拟自然混合过程需要调整罐的流速和混合强度,以反映河口中的实际情况。这种方法为在不同情景下研究絮凝创造了现实的环境,为河口管理和预测未来环境变化提供了宝贵的见解(Fathi

结果与讨论

本研究分析了河口中絮凝体的大小,考虑了不同的浓度和盐度水平,同时考虑了季节和环境条件。目的是通过考虑影响河口区域絮凝过程的最大因素,并考虑不同的混合条件,创建出尽可能接近现实的模拟。

结论

本研究深入探讨了河口中咸水和淡水的重要因素及不同的混合条件,包括盐度、悬浮沉积物浓度以及它们之间的相互作用。此外,还研究了河口不同区域的絮凝过程,考虑了基于河流流速和潮汐影响的盐水和淡水混合条件

参与同意书

不适用。

出版同意书

不适用。

作者贡献声明

Abdolreza Karbassi:撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论、数据分析。Mohammad Hossein Niksokhan:撰写——初稿、验证、监督、方法论、调查、数据分析、概念化。Sajjad Fathi Ozanbolagh:撰写——初稿、可视化、软件应用、方法论、调查、数据分析、概念化

未引用的参考文献

Burban et al., 1989; Cuthbertson et al., 2010; Dionne, 1963; Fennessy et al., 1994; Gratiot and Manning, 2004; Kowalski and Smith, 2022; Kranenburg, 1999; Li and Logan, 1997; Zy et al., 2021; Lick and Lick, 1988; Logan, 1999; MacDonald et al., 2007; Manning, 2004b; Manning et al., 2011; Manning et al., 2004; Manning and Schoellhamer, 2013; Manning et al., 2013; Marchisio et al., 2006; Mietta et al., 2009; Oles, 1992; Parker et al., 1972; Ram?rez-Mendoza et al., 2014; Perillo and Piccolo, 2011;

伦理批准

不适用。

利益冲突

作者声明没有利益冲突

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可向相应作者索取。

资助

作者未获得这项研究的资助。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
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