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地球表面高山、丘陵、沙漠、河流、潮灘等地貌形態萬千，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，是如何神奇地擁有豐富的沙丘地貌？被稱為沙漠行星的火星會因為大風而刮起沙塵暴嗎……這些自然界中的奧秘正是地球物理學科的泥沙運動力學所研究的問題。已有的研究告訴我們，泥沙顆粒輸運普遍發生于大氣環境和水環境中，是塑造地貌形態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境泥沙顆粒的起動、輸運和沉降是揭示地貌形態千差萬別的核心問題。目前野外和實驗數據已經證明，粗顆粒泥沙輸運量與流體強度之間的關系，在大氣環境表現為線性，在水環境表現為非線性。然而，如此截然不同的輸運規律背后的力學機制卻一直還是個迷。近日，浙江大學海洋學院百人計劃研究員托馬斯·派茲（Thomas P?htz）博士成功揭開了這個謎底，并推導出了描述粗顆粒泥沙輸運量與流體強度關系的通用方程。北京時間2020年4月20日，相關研究成果在物理學學術期刊美國物理學會刊物《物理評論快報》(Physical Review Letters，簡稱PRL)）上發表，并被該刊物和雜志Physics同時聚焦報道。通過離散元(DEM)精細數值模擬追蹤大量泥沙顆粒的運動軌跡并分析其受力特征， 托馬斯·派茲首次發現，粗顆粒泥沙的動能耗散機制主導其輸運規律。大氣環境條件下顆粒和床面間碰撞是主要的耗散機制；而在水環境條件下，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。根據這一新的理論認識，托馬斯·派茲推導了能統一描述大氣環境和水環境粗顆粒泥沙輸運量與流體強度關系的通用方程。這為深入認識地球甚至火星等外星球表面豐富多樣的地貌形態提供了有力的理論工具。 統一輸沙率公式與水環境（左圖）和大氣環境（右圖）相關實驗資料對比“最困難的部分是對模擬的結果進行物理解釋和數學描述。在總共7年的時間里，我無數次地用筆和紙進行嘗試。特別是在最初的4年里，我大部分時間都在思考這個問題。” 托馬斯·派茲說。評審專家認為，這項研究工作是地球物理學科最基礎而沒有被揭示的問題。而對于未來的進一步應用，托馬斯·派茲表示，上述通用方程可以預測任意大氣/水體環境下的泥沙輸運量，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力地貌來間接推斷行星的風況。據悉，托馬斯·派茲于2020年1月起受邀擔任美國地球物理學會會刊《地球物理學研究雜志-地表過程》的副主編。他是浙大近海環境流體力學團隊的重要成員。該團隊由賀治國教授領銜，主要從事近海泥沙動力學、海岸動力學、近海環境流體力學等方面的研究，成果已逐步應用于理解河口海岸泥沙運動、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基金和浙江大學百人計劃研究基金資助。論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.168001

該項研究成果可有效解決水體懸浮固體動力學研究中懸浮固體濃度分布、粒徑及形態等參數測量問題，為我國水體動力學研究、水利工程的精準設計以及進一步提升水資源控制能力提供技術支撐。 一、項目分類 關鍵核心技術突破 二、成果簡介 目前，我國水利工程建設的數量、質量及安全要求日益提升。水體懸浮固體動力學研究對于水利工程設計、加強水資源控制具有重要意義。準確測量懸浮固體濃度分布、粒徑及形態等參數，是泥沙動力學研究的前提。市場現有濁度儀存在結構復雜、體積大（~φ50×200 mm）、響應速度慢（~100s）及測量參數單一等問題，已成為該研究領域的主要障礙。 探頭微型化多功能懸浮泥沙監測系統，基于光纖傳像束可實現對懸浮泥沙超低介入的可視化多參數測量，很好地解決了上述問題。該系統具有免防水、結構簡單、探頭尺寸小（~φ12×10mm），多參數測量（>13m粒徑分布）、測量精度高（±2‰）、量程大（0-100kg/m3）及響應速度快（50ms）等優點，可廣泛用于河口海岸等水利工程設計與維護以及實驗室水體動力學研究，目前已成功應用于天津大學“水利工程仿真與安全國家重點實驗室”物理模型仿真中。

成果涵蓋如下3個主要關鍵技術，分別是旋流沉砂池細砂強化沉降技術、砂 水分離器細砂強化分離技術和污泥淤沙分離集成技術。（1） 旋流沉砂池細砂強化沉降技術：結合污水廠現場中試模型實驗與數值 模擬結果，確定了城鎮污水處理廠旋流沉砂池細微砂去除技術的構型參數（表 1,其中n為幾何相似比例），由于進水渠流速、有效水深（宜<0. 90m）等直接 影響顆粒入流沉砂區的流動特征與沉砂效能，從流態保障角度建議設計時選擇 多個小型號池型并聯。中試結果表明，優化條件下旋流沉砂池對粒徑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） 砂水分離器細砂強化分離技術：砂水分離器溢流水回流線路增設一 個旁路平流沉砂池，利強化溢流水中細微砂的去除。研究結果表明，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,細砂去除效果顯著。 基于重力沉降和旋流分離的理論基礎，研發一體化砂水強化分離器。設置 旋流水力分離器，通過離心作用和消能作用強化有機物剝離、細微顆粒物分 離，沉降水箱中設置斜板交錯布置和溢流三角堰強化細沙分離效能。運行結果 表明，一體化砂水強化分離器對粒徑^200um的顆粒的分離效率可達96%~98%, 100卩mW粒徑W200 um的分離效率70%~75%,有機物截留率大于85%。（3） 污泥淤沙分離集成技術：針對旋流沉砂池系統難以實現小于100 Pm極 細沙去除的實際，研發了污泥淤沙分離集成技術，該集成技術的主要部件包括 粗篩、儲泥箱、液位控制器、污泥提升泵、污泥淤沙分離器（簡稱“分離器"）、 細篩、溢流污泥箱、振篩機等。其核心設備為污泥淤沙分離器，中試裝置的分 離器筒體直徑為150mm,單臺處理能力為20m/h,該分離器分離示范污水廠活性污 泥細微砂時，ISS去除率為24. 9%,分離度為1.91。中試結果表明，集成設備對示 范污水廠活性污泥中ISS的總去除率為24. 3%、活性污泥MLVSS/ MLSS比值提高 22%。

本發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沙且使用年限較短的缺陷，提高了固土固沙蓄水能力；本發明方法施工方便，成本低廉，且能極大提高植被的存活率，且不會對當地已形成的脆弱生態環境造成威脅，適宜大面積推廣應用；本方法可以顯著減少溝道內的水土流失和泥沙向下游的進一步輸移，同時減緩了水流沖刷，儲存了水分，改善了土壤，對溝道內防止泥沙輸移、提高植物覆蓋率具有重要意義。

本發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沙且使用年限較短的缺陷，提高了固土固沙蓄水能力；本發明方法施工方便，成本低廉，且能極大提高植被的存活率，且不會對當地已形成的脆弱生態環境造成威脅，適宜大面積推廣應用；本方法可以顯著減少溝道內的水土流失和泥沙向下游的進一步輸移，同時減緩了水流沖刷，儲存了水分，改善了土壤，對溝道內防止泥沙輸移、提高植物覆蓋率具有重要意義。

本實用新型涉及一種可擴展到較高泥沙濃度測量與試驗分析的裝置，包括水槽試驗系統、B 超成像 測量分析系統、超聲反射衰減系統；所述水槽試驗系統包括沙粒、水流和水槽，所述沙粒和水流放置在 水槽內；所述超成像測量分析系統包括 B 超探頭、信號線、B 超儀和計算機，B 超探頭通過信號線與 B 超儀相連接，B 超儀通過連接線與計算機連接；所述超聲反射衰減系統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，所述固定裝置設置在反射裝置上。本實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致含沙量無法通過 B 超成像測量問題。 

本實用新型涉及一種統計分析水中泥沙顆粒粒徑大小的試驗裝置，包括模型水槽實驗系統、視頻圖 像采集與處理系統、電機控制攪拌系統；所述模型水槽實驗系統包括水槽、放置在所述水槽內的沙粒和 水流；所述視頻圖像采集與處理系統包括依次連接的 B 超探頭、B 超儀、視頻圖像采集卡和計算機；所 述電機控制攪拌系統包括轉軸、攪拌器、步進電機和用于固定所述轉軸和攪拌器的固定支撐裝置，所述 轉軸的一端連接在固定支撐裝置上，一端與攪拌器相連接，所述攪拌器由步進電機驅動。本實用新型具 有直觀可視、實時性好的優點，通過 B 超儀對水流沙粒進行超聲成像，分析 B 超圖像中的沙粒成像光 斑及其大小和分布情況，實現對水中沙粒粒徑大小的統計分析。 

近年來我國核電發展迅速，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 個濱海核電廠的 34 臺機組投入商運，還有海陽、石島灣、三門、臺山等濱海核電廠的 22 臺機組在建，核電濱海式布局已經形成。我國濱海地區泥沙構成在世界上最復雜，泥沙運動強度又大，占世界 5%的水量輸運了 30%的泥沙，泥沙與核素的耦合關系復雜難解，影響到泥沙、核素、溫排水的準確分布和核電工程的安全與環境安全。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境安全的關鍵技術，決定了核電工程立項和設計的可行性。該項目組在國家自然科學基金和核電企業的資助下，經多年研究和實踐，取得如下創新成果：一是構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三維水沙計算難題；提出了工程泥沙計算的斜對角笛卡爾坐標方法，克服了河口及海岸工程大尺度泥沙計算中復雜邊界的困難。該技術全面提升了水沙模擬的準確性和可靠性，是解決核電工程取、排水口頭部、取水泵房內部泥沙沖淤的關鍵，為核電工程的安全運行提供了保障。二是首次提出了包含泥沙顆粒表面形貌信息的數學泥沙概念，基于數學泥沙確定了泥沙顆粒表面非均勻電荷分布規律，量化了核素與泥沙表面形貌之間微觀作用機制，建立了泥沙輸移和床面變形過程中核素遷移轉化的物理‐化學過程模式，使水‐沙‐核素‐床面之間的靜態模型變為動態模型，該技術大幅提升了核素在海域分布和積累模擬結果極值包絡范圍的合理性，給出了保護環境敏感區域和生態紅線的設定方法。為核電工程環境安全設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比尺和變態率的研究方法，使物理模型試驗比尺和變態率的取值更加合理且具有可操作性；揭示出模型試驗中水動力垂向和橫向速度誤差遠大于縱向速度誤差的規律；提出基于不同海域岸線、地形、潮動力特性及環境保護目標要求等綜合因素的遠排差位式、交錯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境安全，且大幅度降低了工程投資及運行成本。