絮凝是粘性泥沙最重要的特性之一,也是泥沙运动基本理论和运动规律研究的一大难点。对絮凝沉降过程及其控制机制的研究是认识粘性泥沙运动规律的关键,还可以帮助我们更好地理解、模拟和预测天然水体中粘性泥沙及其携带物质,包括重金属和有机污染物等的输运规律。对于解决诸如河道整治与维护、港口航道回淤、滩涂演变以及水体生态环境保护等问题具有重要意义。本研究采用室内机制试验和现场原型观测相结合的方法,系统性地探究了不同水文泥沙环境条件下的絮团特性、絮凝沉降过程及其控制机制。在室内试验中,选择以粉砂和黏土为主的天然混合沙,使用高倍摄像系统LabSFLOC-2研究了不同水体紊动强度、悬沙浓度和盐淡水条件下形成的絮团特性,包括絮团粒径、沉降速度、有效密度以及分形结构。在现场观测中,研究范围从流域到河口,选取了三种有代表性的典型水文泥沙环境:河流、河口最大浑浊带和河口潮滩,使用现场激光粒度仪LISST-100C获取现场絮团粒径频率分布和体积浓度数据,结合同步观测的水沙动力数据,综合分析和探讨了不同环境中现场实有絮团特性和絮凝沉降过程随着水动力、悬沙浓度和盐度等因素变化而发生的改变及其作用机制。得到的核心认识有:1.紊动强度对絮团的发育起主要控制作用,并且能够显著影响絮团结构特性。研究发现天然水体中絮团粒径随水体紊动剪切率的增大呈幂函数减小趋势,并未呈现出室内动水试验发现的随紊动剪切率增大有先增大后减小的变化趋势,原因是天然水体中水动力条件及水流结构等都远比室内水槽试验复杂,能够导致絮团破碎的因素也更多,从而使得紊动剪切对絮团的破坏作用一直占主导。对于相同粒径的絮团,在强水体紊动剪切环境中絮团结构相对密实,絮团有效密度和分形维数较大(N_f=2.0-2.6);而在弱紊动剪切环境中絮团结构则相对疏松,絮团有效密度和分形维数相对较小(N_f=1.5-2.3)。强紊动剪切作用下絮团分形维数更大是因为结构疏松的絮团很快被破坏,能够保留下来的普遍属于抵抗紊动剪切破坏作用能力强、结构相对密实的絮团;2.悬浮泥沙粒径是影响絮凝的关键因素,悬沙浓度为次要影响因素,盐度的存在可以明显促进絮凝,并能影响絮团结构特性。悬浮泥沙的聚合作用主要发生在16μm以下的细颗粒部分,并且这部分细颗粒含量越高,所形成的絮团粒径越大。絮团粒径随悬沙浓度增大呈一定的增大趋势,但是浓度较高时颗粒碰撞频率加快对絮团破坏作用也会增大,不利于絮团发育。天然水体中絮团粒径与悬沙浓度之间相关性很低,仅在低紊动破坏环境下,悬沙浓度的增大能够促进絮团粒径增大,因此与紊动强度相比,悬沙浓度为次要影响因素。盐度的存在对絮凝有显著的促进作用,盐水中絮团粒径约为淡水中的2-3倍,并且盐水中絮团整体有效密度和分形维数小于淡水,但是潮周期内盐度在一定范围内变化对絮团发育影响不明显;3.絮团在涨落潮过程中的变化呈现出不对称的特征,并且在河口最大浑浊带与潮滩这两种环境中不对称模式相反。在相同紊动剪切作用下,长江口最大浑浊带北槽落潮期间絮团整体稍大于涨潮,而在Scheldt河口Kapellebank潮滩涨潮期间絮团普遍大于落潮。前者是由于絮凝的“滞后效应”引起,即絮团破碎过程比聚合过程快,因此聚合过程为主导的涨潮期间絮团发育往往未达到平衡状态而粒径相对较小;后者的主要原因是涨憩期间大量粒径和沉降速度较快的絮团快速沉降到床面,使得悬浮的絮团粒径显著减小,同时潮滩上涨落潮过程中悬浮泥沙组成以及悬沙浓度的差异也会对该不对称性产生影响;4.絮凝对悬浮泥沙的沉降和沉积过程起重要促进作用。河流环境中,粘性泥沙也能发生絮凝作用,并且絮团沉速沿水深呈增大趋势,在长江中下游河流中底层絮团平均沉速约为表层的2倍,絮凝作用使得特别细的泥沙颗粒也能够沉降到水体底部,增大了悬沙浓度在垂向分布的不均匀性。在长江口最大浑浊带,絮团沉速沿水深的变化特征随水动力的变化而改变,急流时段絮团沉速从表到底呈减小趋势,而憩流时段则是沿水深逐渐增大。在长江口最大浑浊带和Scheldt河口潮滩,潮周期过程中都是在涨憩时段悬浮泥沙絮凝程度最高,形成的絮团粒径和沉速最大,导致最大的沉降通量出现在这一时段,从而使得在涨憩期间的较短时间内中上层水体中悬浮泥沙迅速沉降集中到底部并引起床面的淤积。