环境泥沙的表面特性与模型

前言

第1章绪论

1.1问题的提出

1.2颗粒物的形貌及表面性质

1.2.1颗粒物表面形貌

1.2.2颗粒物表面物理化学性质

1.3泥沙对污染物的吸附

1.3.1吸附模式

1.3.2吸附影响因子

1.3.3磷的赋存形态和时空分布

1.4污染物迁移转化模型

1.4.1磷污染物迁移转化

1.4.2重金属污染物迁移转化

第2章基本实验仪器及原理

2.1电子显微镜

2.1.1表面形貌观测

2.1.2表面元素探测

2.1.3样品制备

2.1.4图像采集

2.2物理化学吸附分析仪

2.3离子浓度测定

2.3.1分光光度计

2.3.2离子色谱仪

第3章泥沙颗粒形貌定性描述

3.1样品采集与制备

3.1.1样品采集

3.1.2天然沙样品清洗

3.2天然沙和清洗沙表面形貌

3.2.1天然沙形貌

3.2.2清洗沙形貌

3.3泥沙表面孔隙

3.3.1镶嵌实验

3.3.2孔隙图像

第4章泥沙颗粒形貌定量描述

4.1图像数字化

4.1.1图像提取

4.1.2图像处理基础

4.2颗粒投影形状

4.2.1泥沙颗粒的形状

4.2.2颗粒投影形状的统计分析

4.2.3傅里叶级数分析方法

4.3颗粒表面结构

4.3.1颗粒的表面导数

4.3.2形貌的表达

4.4泥沙颗粒图像灰度值统计

4.4.1研究方法

4.4.2重构泥沙颗粒的表面形貌

第5章泥沙吸附磷和重金属实验

5.1实验准备

5.1.1实验用沙和用水

5.1.2标准溶液配制

5.2泥沙吸附磷的实验

5.2.1实验设计

5.2.2实验结果与分析

5.3泥沙吸附重金属的实验

5.3.1实验设计

5.3.2实验结果

第6章环境泥沙表面的物理特性

6.1气体吸附法测量颗粒表面物理性质

6.1.1孔隙类型

6.1.2孔隙与吸附

6.2泥沙样品吸附等温线

6.3泥沙颗粒表面的主要物理特性

6.3.1孔分布

6.3.2比表面积、孔体积和平均孔径

6.4泥沙颗粒表面分形维数

6.4.1表面分形维数

6.4.2形貌结构分形维数

6.4.3比较与分析

第7章环境泥沙表面的化学特性

7.1颗粒表面元素区域分析

7.1.1表面元素点分析

7.1.2表面元素线分布

7.2颗粒表面元素分布

7.2.1表面磷元素分布

7.2.2表面铜离子分布

7.3元素分布与表面形貌的相关分析

7.3.1磷元素

7.3.2铜离子

第8章数学泥沙研究平台及其应用

8.1数学泥沙研究平台

8.1.1数学泥沙重构方法

8.1.2数学泥沙重构

8.2数学泥沙的形貌特征

8.2.1数学泥沙表面高程模型

8.2.2数学泥沙的形貌特征要素

8.2.3数学泥沙空间特性验证

8.3微观吸附动力学模型

8.3.1泥沙吸附污染物过程分析

8.3.2动力学吸附模式

8.3.3动力吸附与颗粒表面形貌

8.4数学泥沙颗粒表面元素分布

第9章一维数学模型及应用

9.1一维水沙和水质模型

9.1.1水沙数学模型

9.1.2水质数学模型

9.2模型改进

9.2.1水质数学模型的改进

9.2.2水沙数学模型的改进

9.3模型应用

9.3.1北运河污染物迁移

9.3.2岩滩水库泥沙输移

第10章结论与展望

10.1结论

10.2展望

参考文献

　　泥沙运动力学已形成了一套较为完整的理论体系。近年来，随着社会经济的快速发展，水体受到了污染，水体中被污染的泥沙日益受到人们的重视，本书所研究的泥沙是受到污染物质作用后的泥沙，为与干净的泥沙相区别，特将其称为环境泥沙。泥沙与各种污染物质相互作用的界面是泥沙颗粒的表面，正确认识泥沙颗粒表面的形貌和结构是研究泥沙与污染物质相互作用关系的基础。通过观测泥沙颗粒表面的形貌与结构，从而建立干净泥沙与环境泥沙的表面形貌与结构的模型是本书的基本研究思路和研究目标。　　随着社会经济的快速发展，我国的水环境污染问题日益突出。天然水体中存在的泥沙颗粒在污染物的迁移和转化过程中担任着非常重要的角色。本书以泥沙颗粒为主要研究对象，从微观角度出发，对泥沙吸附磷和重金属的迁移规律及其形貌变化进行了研究和阐述。　　研究中采用了先进的扫描电镜对干净泥沙及完成了磷和重金属吸附实验的泥沙进行观测，测量了泥沙颗粒表面形貌起伏和空隙的变化规律。　　在电镜实验观测的基础上，用数学方法描述了泥沙颗粒的形状和表面结构，并用概率统计的方法构建了数学泥沙的研究平台。该平台可以表征泥沙颗粒的三维微观形貌，同时也能反映泥沙颗粒表面上每个微区的污染物吸附过程。用该平台结合吸附动力学方程开发和完善了一维水沙和水质数学模型，完善后的模型已经应用到实际工程计算之中，并取得了满意的计算效果。　　本书可供水利、环境、地理、农业、林业、水土保持等有关专业的工程技术人员和研究生参考。【作者简介】　　方红卫，1988年、l990年、l993年分别获武汉水利电力大学工学学士、硕士和博士学位，现为清华大学教授，博士生导师。教育部跨世纪优秀人才，优秀青年教师，国家杰出青年基金获得者。曾到美国FloridaStateUniversity、日本KyotoUniversity作访问学者、到德国UniversityofKarlsruhe作洪堡研究员。目前担任InternationalJournalofSedimentResearch编委、AmericanAssociationofCivilEngineerin9，TurbulenceCommittee理事等学术兼职。研究方向包括河流及河口海岸动力学、水环境与水生态、水利数字化等。研究成果获教育部中国高校自然科学一等奖和科技进步二等奖等。发表各种学术论文五十多篇，国外刊物包括ASCE、NHT，国内包括中国科学、科学通报等。