该项研究成果可有效解决水体悬浮固体动力学研究中悬浮固体浓度分布、粒径及形态等参数测量问题，为我国水体动力学研究、水利工程的精准设计以及进一步提升水资源控制能力提供技术支撑。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 目前，我国水利工程建设的数量、质量及安全要求日益提升。水体悬浮固体动力学研究对于水利工程设计、加强水资源控制具有重要意义。准确测量悬浮固体浓度分布、粒径及形态等参数，是泥沙动力学研究的前提。市场现有浊度仪存在结构复杂、体积大（~φ50×200 mm）、响应速度慢（~100s）及测量参数单一等问题，已成为该研究领域的主要障碍。 探头微型化多功能悬浮泥沙监测系统，基于光纤传像束可实现对悬浮泥沙超低介入的可视化多参数测量，很好地解决了上述问题。该系统具有免防水、结构简单、探头尺寸小（~φ12×10mm），多参数测量（>13m粒径分布）、测量精度高（±2‰）、量程大（0-100kg/m3）及响应速度快（50ms）等优点，可广泛用于河口海岸等水利工程设计与维护以及实验室水体动力学研究，目前已成功应用于天津大学“水利工程仿真与安全国家重点实验室”物理模型仿真中。

团队具备成熟的高性能电机研发能力，具备瞬态有限元仿真技术、多物理场联合仿真技术、场路耦合仿真技术，能够定制开发有刷/无刷直流、感应电机、电励磁/永磁同步等各类电机，助力多家企业实现核心电机自主化、国产化。 团队研发了基于空间磁场的高性能电机健康状态在线监测系统，能够实时监测电机健康状态，即使发现电机微小故障，有效提高电机可靠性。

地球表面高山、丘陵、沙漠、河流、潮滩等地貌形态万千，它们是如何在历史的岁月中逐渐形成的呢？放眼宇宙，空气密度极低的冥王星，是如何神奇地拥有丰富的沙丘地貌？被称为沙漠行星的火星会因为大风而刮起沙尘暴吗……这些自然界中的奥秘正是地球物理学科的泥沙运动力学所研究的问题。已有的研究告诉我们，泥沙颗粒输运普遍发生于大气环境和水环境中，是塑造地貌形态最重要和最根本的自然过程之一。如何理解和定量描述地表环境泥沙颗粒的起动、输运和沉降是揭示地貌形态千差万别的核心问题。目前野外和实验数据已经证明，粗颗粒泥沙输运量与流体强度之间的关系，在大气环境表现为线性，在水环境表现为非线性。然而，如此截然不同的输运规律背后的力学机制却一直还是个迷。近日，浙江大学海洋学院百人计划研究员托马斯·派兹（Thomas Pähtz）博士成功揭开了这个谜底，并推导出了描述粗颗粒泥沙输运量与流体强度关系的通用方程。北京时间2020年4月20日，相关研究成果在物理学学术期刊美国物理学会刊物《物理评论快报》(Physical Review Letters，简称PRL)）上发表，并被该刊物和杂志Physics同时聚焦报道。通过离散元(DEM)精细数值模拟追踪大量泥沙颗粒的运动轨迹并分析其受力特征， 托马斯·派兹首次发现，粗颗粒泥沙的动能耗散机制主导其输运规律。大气环境条件下颗粒和床面间碰撞是主要的耗散机制；而在水环境条件下，颗粒和床面间碰撞以及颗粒之间的碰撞起着同等重要的作用。根据这一新的理论认识，托马斯·派兹推导了能统一描述大气环境和水环境粗颗粒泥沙输运量与流体强度关系的通用方程。这为深入认识地球甚至火星等外星球表面丰富多样的地貌形态提供了有力的理论工具。 统一输沙率公式与水环境（左图）和大气环境（右图）相关实验资料对比“最困难的部分是对模拟的结果进行物理解释和数学描述。在总共7年的时间里，我无数次地用笔和纸进行尝试。特别是在最初的4年里，我大部分时间都在思考这个问题。” 托马斯·派兹说。评审专家认为，这项研究工作是地球物理学科最基础而没有被揭示的问题。而对于未来的进一步应用，托马斯·派兹表示，上述通用方程可以预测任意大气/水体环境下的泥沙输运量，这使我们能够更好地了解这些天体的地貌，还可以通过测量行星的动力地貌来间接推断行星的风况。据悉，托马斯·派兹于2020年1月起受邀担任美国地球物理学会会刊《地球物理学研究杂志-地表过程》的副主编。他是浙大近海环境流体力学团队的重要成员。该团队由贺治国教授领衔，主要从事近海泥沙动力学、海岸动力学、近海环境流体力学等方面的研究，成果已逐步应用于理解河口海岸泥沙运动、深水航道整治、深海地貌演变、深海热液源矿物颗粒沉积等问题，取得了重要的国际影响力。该研究得到国家自然科学基金和浙江大学百人计划研究基金资助。论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.168001

成果涵盖如下3个主要关键技术，分别是旋流沉砂池细砂强化沉降技术、砂 水分离器细砂强化分离技术和污泥淤沙分离集成技术。（1） 旋流沉砂池细砂强化沉降技术：结合污水厂现场中试模型实验与数值 模拟结果，确定了城镇污水处理厂旋流沉砂池细微砂去除技术的构型参数（表 1,其中n为几何相似比例），由于进水渠流速、有效水深（宜<0. 90m）等直接 影响颗粒入流沉砂区的流动特征与沉砂效能，从流态保障角度建议设计时选择 多个小型号池型并联。中试结果表明，优化条件下旋流沉砂池对粒径d>200 um 的颗粒物去除率为96. 98%,粒径在100unT200um范围的颗粒物去除率为84. 26%。（2） 砂水分离器细砂强化分离技术：砂水分离器溢流水回流线路增设一 个旁路平流沉砂池，利强化溢流水中细微砂的去除。研究结果表明，嵌入旁 路平流沉砂池后溢流水碳源截留效果好，SS和ISS分别降低了 52%和78%,除砂 量较原系统增加1.3倍。从粒径分布来看，嵌入旁路平流沉砂池溢流水200卩m 的颗粒甚微，分离颗粒物的中位径为117. 5卩m,细砂去除效果显著。 基于重力沉降和旋流分离的理论基础，研发一体化砂水强化分离器。设置 旋流水力分离器，通过离心作用和消能作用强化有机物剥离、细微颗粒物分 离，沉降水箱中设置斜板交错布置和溢流三角堰强化细沙分离效能。运行结果 表明，一体化砂水强化分离器对粒径^200um的颗粒的分离效率可达96%~98%, 100卩mW粒径W200 um的分离效率70%~75%,有机物截留率大于85%。（3） 污泥淤沙分离集成技术：针对旋流沉砂池系统难以实现小于100 Pm极 细沙去除的实际，研发了污泥淤沙分离集成技术，该集成技术的主要部件包括 粗筛、储泥箱、液位控制器、污泥提升泵、污泥淤沙分离器（简称“分离器"）、 细筛、溢流污泥箱、振筛机等。其核心设备为污泥淤沙分离器，中试装置的分 离器筒体直径为150mm,单台处理能力为20m/h,该分离器分离示范污水厂活性污 泥细微砂时，ISS去除率为24. 9%,分离度为1.91。中试结果表明，集成设备对示 范污水厂活性污泥中ISS的总去除率为24. 3%、活性污泥MLVSS/ MLSS比值提高 22%。

本发明公开了一种控制砒砂岩小流域沟道泥沙输移的植物治理方法，首次通过采用共生的灌草搭配模式并以特定形式的种植方式解决了一般植物谷坊无法拦截细沙且使用年限较短的缺陷，提高了固土固沙蓄水能力；本发明方法施工方便，成本低廉，且能极大提高植被的存活率，且不会对当地已形成的脆弱生态环境造成威胁，适宜大面积推广应用；本方法可以显著减少沟道内的水土流失和泥沙向下游的进一步输移，同时减缓了水流冲刷，储存了水分，改善了土壤，对沟道内防止泥沙输移、提高植物覆盖率具有重要意义。

本发明公开了一种控制砒砂岩小流域沟道泥沙输移的植物治理方法，首次通过采用共生的灌草搭配模式并以特定形式的种植方式解决了一般植物谷坊无法拦截细沙且使用年限较短的缺陷，提高了固土固沙蓄水能力；本发明方法施工方便，成本低廉，且能极大提高植被的存活率，且不会对当地已形成的脆弱生态环境造成威胁，适宜大面积推广应用；本方法可以显著减少沟道内的水土流失和泥沙向下游的进一步输移，同时减缓了水流冲刷，储存了水分，改善了土壤，对沟道内防止泥沙输移、提高植物覆盖率具有重要意义。

本实用新型涉及一种可扩展到较高泥沙浓度测量与试验分析的装置，包括水槽试验系统、B 超成像 测量分析系统、超声反射衰减系统；所述水槽试验系统包括沙粒、水流和水槽，所述沙粒和水流放置在 水槽内；所述超成像测量分析系统包括 B 超探头、信号线、B 超仪和计算机，B 超探头通过信号线与 B 超仪相连接，B 超仪通过连接线与计算机连接；所述超声反射衰减系统包括反射装置和用于固定 B 超探 头在反射装置正上方的固定装置，所述固定装置设置在反射装置上。本实用新型装置具有较广泛的适用 性，解决了水中泥沙浓度过高而导致含沙量无法通过 B 超成像测量问题。 

本实用新型涉及一种统计分析水中泥沙颗粒粒径大小的试验装置，包括模型水槽实验系统、视频图 像采集与处理系统、电机控制搅拌系统；所述模型水槽实验系统包括水槽、放置在所述水槽内的沙粒和 水流；所述视频图像采集与处理系统包括依次连接的 B 超探头、B 超仪、视频图像采集卡和计算机；所 述电机控制搅拌系统包括转轴、搅拌器、步进电机和用于固定所述转轴和搅拌器的固定支撑装置，所述 转轴的一端连接在固定支撑装置上，一端与搅拌器相连接，所述搅拌器由步进电机驱动。本实用新型具 有直观可视、实时性好的优点，通过 B 超仪对水流沙粒进行超声成像，分析 B 超图像中的沙粒成像光 斑及其大小和分布情况，实现对水中沙粒粒径大小的统计分析。 

监测因子总烃、甲烷、非甲烷总烃、苯、甲苯、二甲苯等。高准确度氢火焰离子化检测器（FID）、程序控温、电子流量控制（EPC）、进口隔膜泵、进口注射阀。高稳定性自动进样，连续运行、控制连锁等。自动运行无人值守。金属除尘，稳定可靠，维护量小。数据储存时间10年以上。高兼容性兼容主流厂家辅助监测设备。采用模块化设计，可扩展多项监测参数。RS232、RS485、4~20mA、以太网数据输出接口。

本项成果包括对同一个钻孔内壁的围岩损伤情况分次进行监测的光学钻孔窥视仪、声发射装置和钻孔应力计。其特征在于：对预先在煤矿巷道帮上所钻取的同一个钻孔内壁的围岩损伤情况分次进行监测的光学钻孔窥视仪、声发射装置和钻孔应力计，汇总所有监测结果，从表面变形和内部损伤研究对围岩损伤失稳状况进行全方位辨析。