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地球表面高山、丘陵、沙漠、河流、潮灘等地貌形態(tài)萬千，它們是如何在歷史的歲月中逐漸形成的呢？放眼宇宙，空氣密度極低的冥王星，是如何神奇地?fù)碛胸S富的沙丘地貌？被稱為沙漠行星的火星會(huì)因?yàn)榇箫L(fēng)而刮起沙塵暴嗎……這些自然界中的奧秘正是地球物理學(xué)科的泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)所研究的問題。已有的研究告訴我們，泥沙顆粒輸運(yùn)普遍發(fā)生于大氣環(huán)境和水環(huán)境中，是塑造地貌形態(tài)最重要和最根本的自然過程之一。如何理解和定量描述地表環(huán)境泥沙顆粒的起動(dòng)、輸運(yùn)和沉降是揭示地貌形態(tài)千差萬別的核心問題。目前野外和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)證明，粗顆粒泥沙輸運(yùn)量與流體強(qiáng)度之間的關(guān)系，在大氣環(huán)境表現(xiàn)為線性，在水環(huán)境表現(xiàn)為非線性。然而，如此截然不同的輸運(yùn)規(guī)律背后的力學(xué)機(jī)制卻一直還是個(gè)迷。近日，浙江大學(xué)海洋學(xué)院百人計(jì)劃研究員托馬斯·派茲（Thomas P?htz）博士成功揭開了這個(gè)謎底，并推導(dǎo)出了描述粗顆粒泥沙輸運(yùn)量與流體強(qiáng)度關(guān)系的通用方程。北京時(shí)間2020年4月20日，相關(guān)研究成果在物理學(xué)學(xué)術(shù)期刊美國物理學(xué)會(huì)刊物《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters，簡稱PRL)）上發(fā)表，并被該刊物和雜志Physics同時(shí)聚焦報(bào)道。通過離散元(DEM)精細(xì)數(shù)值模擬追蹤大量泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡并分析其受力特征， 托馬斯·派茲首次發(fā)現(xiàn)，粗顆粒泥沙的動(dòng)能耗散機(jī)制主導(dǎo)其輸運(yùn)規(guī)律。大氣環(huán)境條件下顆粒和床面間碰撞是主要的耗散機(jī)制；而在水環(huán)境條件下，顆粒和床面間碰撞以及顆粒之間的碰撞起著同等重要的作用。根據(jù)這一新的理論認(rèn)識(shí)，托馬斯·派茲推導(dǎo)了能統(tǒng)一描述大氣環(huán)境和水環(huán)境粗顆粒泥沙輸運(yùn)量與流體強(qiáng)度關(guān)系的通用方程。這為深入認(rèn)識(shí)地球甚至火星等外星球表面豐富多樣的地貌形態(tài)提供了有力的理論工具。 統(tǒng)一輸沙率公式與水環(huán)境（左圖）和大氣環(huán)境（右圖）相關(guān)實(shí)驗(yàn)資料對(duì)比“最困難的部分是對(duì)模擬的結(jié)果進(jìn)行物理解釋和數(shù)學(xué)描述。在總共7年的時(shí)間里，我無數(shù)次地用筆和紙進(jìn)行嘗試。特別是在最初的4年里，我大部分時(shí)間都在思考這個(gè)問題。” 托馬斯·派茲說。評(píng)審專家認(rèn)為，這項(xiàng)研究工作是地球物理學(xué)科最基礎(chǔ)而沒有被揭示的問題。而對(duì)于未來的進(jìn)一步應(yīng)用，托馬斯·派茲表示，上述通用方程可以預(yù)測任意大氣/水體環(huán)境下的泥沙輸運(yùn)量，這使我們能夠更好地了解這些天體的地貌，還可以通過測量行星的動(dòng)力地貌來間接推斷行星的風(fēng)況。據(jù)悉，托馬斯·派茲于2020年1月起受邀擔(dān)任美國地球物理學(xué)會(huì)會(huì)刊《地球物理學(xué)研究雜志-地表過程》的副主編。他是浙大近海環(huán)境流體力學(xué)團(tuán)隊(duì)的重要成員。該團(tuán)隊(duì)由賀治國教授領(lǐng)銜，主要從事近海泥沙動(dòng)力學(xué)、海岸動(dòng)力學(xué)、近海環(huán)境流體力學(xué)等方面的研究，成果已逐步應(yīng)用于理解河口海岸泥沙運(yùn)動(dòng)、深水航道整治、深海地貌演變、深海熱液源礦物顆粒沉積等問題，取得了重要的國際影響力。該研究得到國家自然科學(xué)基金和浙江大學(xué)百人計(jì)劃研究基金資助。論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.168001

該項(xiàng)研究成果可有效解決水體懸浮固體動(dòng)力學(xué)研究中懸浮固體濃度分布、粒徑及形態(tài)等參數(shù)測量問題，為我國水體動(dòng)力學(xué)研究、水利工程的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)以及進(jìn)一步提升水資源控制能力提供技術(shù)支撐。 一、項(xiàng)目分類 關(guān)鍵核心技術(shù)突破 二、成果簡介 目前，我國水利工程建設(shè)的數(shù)量、質(zhì)量及安全要求日益提升。水體懸浮固體動(dòng)力學(xué)研究對(duì)于水利工程設(shè)計(jì)、加強(qiáng)水資源控制具有重要意義。準(zhǔn)確測量懸浮固體濃度分布、粒徑及形態(tài)等參數(shù)，是泥沙動(dòng)力學(xué)研究的前提。市場現(xiàn)有濁度儀存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大（~φ50×200 mm）、響應(yīng)速度慢（~100s）及測量參數(shù)單一等問題，已成為該研究領(lǐng)域的主要障礙。 探頭微型化多功能懸浮泥沙監(jiān)測系統(tǒng)，基于光纖傳像束可實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮泥沙超低介入的可視化多參數(shù)測量，很好地解決了上述問題。該系統(tǒng)具有免防水、結(jié)構(gòu)簡單、探頭尺寸小（~φ12×10mm），多參數(shù)測量（>13m粒徑分布）、測量精度高（±2‰）、量程大（0-100kg/m3）及響應(yīng)速度快（50ms）等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于河口海岸等水利工程設(shè)計(jì)與維護(hù)以及實(shí)驗(yàn)室水體動(dòng)力學(xué)研究，目前已成功應(yīng)用于天津大學(xué)“水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”物理模型仿真中。

成果涵蓋如下3個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)，分別是旋流沉砂池細(xì)砂強(qiáng)化沉降技術(shù)、砂 水分離器細(xì)砂強(qiáng)化分離技術(shù)和污泥淤沙分離集成技術(shù)。（1） 旋流沉砂池細(xì)砂強(qiáng)化沉降技術(shù)：結(jié)合污水廠現(xiàn)場中試模型實(shí)驗(yàn)與數(shù)值 模擬結(jié)果，確定了城鎮(zhèn)污水處理廠旋流沉砂池細(xì)微砂去除技術(shù)的構(gòu)型參數(shù)（表 1,其中n為幾何相似比例），由于進(jìn)水渠流速、有效水深（宜<0. 90m）等直接 影響顆粒入流沉砂區(qū)的流動(dòng)特征與沉砂效能，從流態(tài)保障角度建議設(shè)計(jì)時(shí)選擇 多個(gè)小型號(hào)池型并聯(lián)。中試結(jié)果表明，優(yōu)化條件下旋流沉砂池對(duì)粒徑d>200 um 的顆粒物去除率為96. 98%,粒徑在100unT200um范圍的顆粒物去除率為84. 26%。（2） 砂水分離器細(xì)砂強(qiáng)化分離技術(shù)：砂水分離器溢流水回流線路增設(shè)一 個(gè)旁路平流沉砂池，利強(qiáng)化溢流水中細(xì)微砂的去除。研究結(jié)果表明，嵌入旁 路平流沉砂池后溢流水碳源截留效果好，SS和ISS分別降低了 52%和78%,除砂 量較原系統(tǒng)增加1.3倍。從粒徑分布來看，嵌入旁路平流沉砂池溢流水200卩m 的顆粒甚微，分離顆粒物的中位徑為117. 5卩m,細(xì)砂去除效果顯著。 基于重力沉降和旋流分離的理論基礎(chǔ)，研發(fā)一體化砂水強(qiáng)化分離器。設(shè)置 旋流水力分離器，通過離心作用和消能作用強(qiáng)化有機(jī)物剝離、細(xì)微顆粒物分 離，沉降水箱中設(shè)置斜板交錯(cuò)布置和溢流三角堰強(qiáng)化細(xì)沙分離效能。運(yùn)行結(jié)果 表明，一體化砂水強(qiáng)化分離器對(duì)粒徑^200um的顆粒的分離效率可達(dá)96%~98%, 100卩mW粒徑W200 um的分離效率70%~75%,有機(jī)物截留率大于85%。（3） 污泥淤沙分離集成技術(shù)：針對(duì)旋流沉砂池系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)小于100 Pm極 細(xì)沙去除的實(shí)際，研發(fā)了污泥淤沙分離集成技術(shù)，該集成技術(shù)的主要部件包括 粗篩、儲(chǔ)泥箱、液位控制器、污泥提升泵、污泥淤沙分離器（簡稱“分離器"）、 細(xì)篩、溢流污泥箱、振篩機(jī)等。其核心設(shè)備為污泥淤沙分離器，中試裝置的分 離器筒體直徑為150mm,單臺(tái)處理能力為20m/h,該分離器分離示范污水廠活性污 泥細(xì)微砂時(shí)，ISS去除率為24. 9%,分離度為1.91。中試結(jié)果表明，集成設(shè)備對(duì)示 范污水廠活性污泥中ISS的總?cè)コ蕿?4. 3%、活性污泥MLVSS/ MLSS比值提高 22%。

本發(fā)明公開了一種控制砒砂巖小流域溝道泥沙輸移的植物治理方法，首次通過采用共生的灌草搭配模式并以特定形式的種植方式解決了一般植物谷坊無法攔截細(xì)沙且使用年限較短的缺陷，提高了固土固沙蓄水能力；本發(fā)明方法施工方便，成本低廉，且能極大提高植被的存活率，且不會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)匾研纬傻拇嗳跎鷳B(tài)環(huán)境造成威脅，適宜大面積推廣應(yīng)用；本方法可以顯著減少溝道內(nèi)的水土流失和泥沙向下游的進(jìn)一步輸移，同時(shí)減緩了水流沖刷，儲(chǔ)存了水分，改善了土壤，對(duì)溝道內(nèi)防止泥沙輸移、提高植物覆蓋率具有重要意義。

本發(fā)明公開了一種控制砒砂巖小流域溝道泥沙輸移的植物治理方法，首次通過采用共生的灌草搭配模式并以特定形式的種植方式解決了一般植物谷坊無法攔截細(xì)沙且使用年限較短的缺陷，提高了固土固沙蓄水能力；本發(fā)明方法施工方便，成本低廉，且能極大提高植被的存活率，且不會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)匾研纬傻拇嗳跎鷳B(tài)環(huán)境造成威脅，適宜大面積推廣應(yīng)用；本方法可以顯著減少溝道內(nèi)的水土流失和泥沙向下游的進(jìn)一步輸移，同時(shí)減緩了水流沖刷，儲(chǔ)存了水分，改善了土壤，對(duì)溝道內(nèi)防止泥沙輸移、提高植物覆蓋率具有重要意義。

本實(shí)用新型涉及一種可擴(kuò)展到較高泥沙濃度測量與試驗(yàn)分析的裝置，包括水槽試驗(yàn)系統(tǒng)、B 超成像 測量分析系統(tǒng)、超聲反射衰減系統(tǒng)；所述水槽試驗(yàn)系統(tǒng)包括沙粒、水流和水槽，所述沙粒和水流放置在 水槽內(nèi)；所述超成像測量分析系統(tǒng)包括 B 超探頭、信號(hào)線、B 超儀和計(jì)算機(jī)，B 超探頭通過信號(hào)線與 B 超儀相連接，B 超儀通過連接線與計(jì)算機(jī)連接；所述超聲反射衰減系統(tǒng)包括反射裝置和用于固定 B 超探 頭在反射裝置正上方的固定裝置，所述固定裝置設(shè)置在反射裝置上。本實(shí)用新型裝置具有較廣泛的適用 性，解決了水中泥沙濃度過高而導(dǎo)致含沙量無法通過 B 超成像測量問題。 

本實(shí)用新型涉及一種統(tǒng)計(jì)分析水中泥沙顆粒粒徑大小的試驗(yàn)裝置，包括模型水槽實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、視頻圖 像采集與處理系統(tǒng)、電機(jī)控制攪拌系統(tǒng)；所述模型水槽實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括水槽、放置在所述水槽內(nèi)的沙粒和 水流；所述視頻圖像采集與處理系統(tǒng)包括依次連接的 B 超探頭、B 超儀、視頻圖像采集卡和計(jì)算機(jī)；所 述電機(jī)控制攪拌系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)軸、攪拌器、步進(jìn)電機(jī)和用于固定所述轉(zhuǎn)軸和攪拌器的固定支撐裝置，所述 轉(zhuǎn)軸的一端連接在固定支撐裝置上，一端與攪拌器相連接，所述攪拌器由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。本實(shí)用新型具 有直觀可視、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，通過 B 超儀對(duì)水流沙粒進(jìn)行超聲成像，分析 B 超圖像中的沙粒成像光 斑及其大小和分布情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)水中沙粒粒徑大小的統(tǒng)計(jì)分析。 

近年來我國核電發(fā)展迅速，已有大亞灣、嶺澳、秦山、田灣、福清、陽江、寧德、方家山、紅沿河、防城港和昌江等 11 個(gè)濱海核電廠的 34 臺(tái)機(jī)組投入商運(yùn)，還有海陽、石島灣、三門、臺(tái)山等濱海核電廠的 22 臺(tái)機(jī)組在建，核電濱海式布局已經(jīng)形成。我國濱海地區(qū)泥沙構(gòu)成在世界上最復(fù)雜，泥沙運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度又大，占世界 5%的水量輸運(yùn)了 30%的泥沙，泥沙與核素的耦合關(guān)系復(fù)雜難解，影響到泥沙、核素、溫排水的準(zhǔn)確分布和核電工程的安全與環(huán)境安全。因此研究泥沙、核素、溫排水耦合輸移是確保核電工程安全和環(huán)境安全的關(guān)鍵技術(shù)，決定了核電工程立項(xiàng)和設(shè)計(jì)的可行性。該項(xiàng)目組在國家自然科學(xué)基金和核電企業(yè)的資助下，經(jīng)多年研究和實(shí)踐，取得如下創(chuàng)新成果：一是構(gòu)建了全三維水沙兩相流變密度湍流模型，解決了螺旋流輸沙等真實(shí)三維水沙計(jì)算難題；提出了工程泥沙計(jì)算的斜對(duì)角笛卡爾坐標(biāo)方法，克服了河口及海岸工程大尺度泥沙計(jì)算中復(fù)雜邊界的困難。該技術(shù)全面提升了水沙模擬的準(zhǔn)確性和可靠性，是解決核電工程取、排水口頭部、取水泵房內(nèi)部泥沙沖淤的關(guān)鍵，為核電工程的安全運(yùn)行提供了保障。二是首次提出了包含泥沙顆粒表面形貌信息的數(shù)學(xué)泥沙概念，基于數(shù)學(xué)泥沙確定了泥沙顆粒表面非均勻電荷分布規(guī)律，量化了核素與泥沙表面形貌之間微觀作用機(jī)制，建立了泥沙輸移和床面變形過程中核素遷移轉(zhuǎn)化的物理‐化學(xué)過程模式，使水‐沙‐核素‐床面之間的靜態(tài)模型變?yōu)閯?dòng)態(tài)模型，該技術(shù)大幅提升了核素在海域分布和積累模擬結(jié)果極值包絡(luò)范圍的合理性，給出了保護(hù)環(huán)境敏感區(qū)域和生態(tài)紅線的設(shè)定方法。為核電工程環(huán)境安全設(shè)定閾值和條件提供了保障。三是提出了采用比尺模型分析物理模型試驗(yàn)比尺和變態(tài)率的研究方法，使物理模型試驗(yàn)比尺和變態(tài)率的取值更加合理且具有可操作性；揭示出模型試驗(yàn)中水動(dòng)力垂向和橫向速度誤差遠(yuǎn)大于縱向速度誤差的規(guī)律；提出基于不同海域岸線、地形、潮動(dòng)力特性及環(huán)境保護(hù)目標(biāo)要求等綜合因素的遠(yuǎn)排差位式、交錯(cuò)分列式和混合式等核電工程取排水工程布置原則，保證了核電工程的取排水安全和環(huán)境安全，且大幅度降低了工程投資及運(yùn)行成本。