中文摘要：

在河流、湖泊等湿地环境的所有固体表面都有以生物膜形式存在的微生物。水体环境的污染使得微生物在泥沙颗粒上的吸附成膜现象更为明显，从而导致泥沙的性质发生变化，并进一步影响其运动和输移规律。将长有生物膜的泥沙称为生物泥沙。本申请项目拟以室内模拟实验为主，结合一定的野外采样，通过仪器观测和数据分析等，对生物泥沙的颗粒作用力、生物絮凝状况、水下休止角、流变特性等进行研究，分析生物泥沙相应性质的改变，耦合作用力和性质改变之间的关系，进行机理上的探讨。通过本项目的研究，拟取得以下成果探讨生物泥沙的作用规律，描述其絮凝结构特征和变化过程，构建生物絮凝泥沙的生长模型，给出生物泥沙水下休止角的变化情况，分析生物泥沙的流变机理。本研究可为生物泥沙的输移计算奠定基础，并可进一步促进泥沙运动力学理论的完善和发展。

结论摘要：

目前国内外对以环境、资源为背景的生物膜在泥沙等无机界面上的形成及对载体性质的影响研究较少，且大部分都为宏观方面的定性说明，尚未建立较为完整的理论体系。本基金项目针对生物膜对泥沙相关性质的影响，将其微观形貌与宏观性质相结合，构建一个新的环境泥沙研究平台，着重于生态环境作用下长膜泥沙的运动力学特性的认识与描述。首先，在已有的描述泥沙颗粒形状、表面形貌及其结构的数学方法的基础上，利用傅里叶形状分析法还原泥沙颗粒二维投影轮廓的原理和方法，并给出各项数傅里叶描述子所代表的形状含义；在此基础上通过一定的组合方式构建可用于表征泥沙颗粒表面形貌及其结构特征的“数学泥沙”，实现了对泥沙颗粒三维形貌的描述与分析，为在泥沙输移的过程中研究泥沙颗粒与化学物质和生物物质的相互关系打下基础。其次，引用Federico Maggi改进BFLOC模型的方法，将生物絮凝悬移泥沙分成泥沙颗粒和生物膜两部分，结合分形维数的概念，模拟粘性泥沙絮凝模型，分别计算两部分的絮凝变化，从而构建生物絮凝泥沙的生长模型，并采用文献中的实测数据对其进行了率定和验证。最后，采用MCR300高级扩展流变仪研究原状沙和长膜沙流变性质的差异，探讨细颗粒泥沙流变性质受生物膜影响的规律, 发现细颗粒泥沙受生物膜生长的影响，流变性质发生变化，呈现出具有触变性塑性体的特点，这与高含沙水流的流变特性有差异，并建立了长膜泥沙的流变方程及各流变参量随时间的变化式。