合流制排水管道旱天長(zhǎng)距離沖刷效果研究

張 立，陳珂莉

（1.上海城市排水有限公司，上海市200233；2.長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（同濟(jì)大學(xué)），上海市200092）

合流制排水管道旱天長(zhǎng)距離沖刷效果研究

張 立1，陳珂莉2

（1.上海城市排水有限公司，上海市200233；2.長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（同濟(jì)大學(xué)），上海市200092）

為評(píng)估合流制排水系統(tǒng)總管旱天單箱涵交替沖洗運(yùn)行模式對(duì)減少下游泥沙沉積的實(shí)際效果，現(xiàn)選取彭越浦泵站至流經(jīng)18個(gè)下游泵站最終匯入#3井這一排水管道作為試驗(yàn)對(duì)象，開展生產(chǎn)性沖刷試驗(yàn)。結(jié)果表明，沖刷作用可引起管道內(nèi)SS、氨氮、磷酸鹽及COD濃度的增加，增量分別為39 998 kg、22 112 kg、3 270 kg、38 273 kg，其中SS的增加最為明顯，可作為代表沖刷作用的主要參數(shù)；管道內(nèi)的水流速度對(duì)于SS的變化影響也最為顯著，在長(zhǎng)距離沖刷作用中，瞬間的大流速對(duì)于污染物的去除具有更加明顯的效果。

沖刷；長(zhǎng)距離；SS；箱涵；沉積

0　引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市排水管網(wǎng)的系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高。因此計(jì)算機(jī)模型技術(shù)的發(fā)展下，將其應(yīng)用在排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化驗(yàn)證、運(yùn)行管理優(yōu)化等方面日益廣泛［1］。在上海市西干線改造項(xiàng)目中，便利用了infoworks CS排水模型軟件對(duì)合流一期規(guī)劃水量下，旱雨季運(yùn)行工況進(jìn)行了模擬研究。而本文闡述的正是在此模型實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，開展了生產(chǎn)性的沖刷試驗(yàn)，一方面評(píng)估旱天單箱涵沖洗運(yùn)行模式對(duì)減少彭越浦下游箱涵泥沙沉積的實(shí)際效果，同時(shí)也論證旱天單雙箱涵交替運(yùn)行方案的可行性，進(jìn)一步明確運(yùn)行參數(shù)，如單管運(yùn)行時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間等，為制定單箱涵沖洗模式的常態(tài)運(yùn)行操作方案提供數(shù)據(jù)和理論支持。

有關(guān)排水管道中沉積物的沉積和沖刷等方面的研究，國(guó)外從20世紀(jì)70年代就已開始，并逐漸建立了各種物理模型和數(shù)學(xué)模型研究管道沉積物的沉積、沖刷和污染規(guī)律。但相關(guān)物理模型方面的研究仍多利用實(shí)驗(yàn)室建立的人工水渠來(lái)模擬沉積物在自然條件下的沖刷，在現(xiàn)場(chǎng)開展沖刷試驗(yàn)較少［2］。因此，本文所闡述的現(xiàn)場(chǎng)沖刷試驗(yàn)也可為此提供數(shù)據(jù)參考。

1　材料與方法

1.1沖刷實(shí)驗(yàn)區(qū)簡(jiǎn)介

彭越浦泵站作為一匯流泵站，集中了其上游二十余個(gè)泵站的合流污水，水質(zhì)總體波動(dòng)不大，因此該項(xiàng)沖刷試驗(yàn)選取了彭越浦泵站作為整個(gè)沖刷試驗(yàn)的起點(diǎn)，下游#3井作為終點(diǎn)。其間流經(jīng)18個(gè)泵站，包括：彭越浦、民晏和和田，水電、廣中西、廣中污、彭江、涼城、汶水路、大柏樹、武川和武川污、國(guó)和和五角場(chǎng)、中原和營(yíng)口、新江灣城#1和#2。其中，民晏和和田、武川和武川污、國(guó)和和五角場(chǎng)、中原和營(yíng)口、新江灣城#1和#2均為兩個(gè)泵站匯水于同一點(diǎn)，如圖1所示。

彭越浦到#3井之間的距離14 125.2 m，期間共有13段管道，由于管道之間的距離較均勻，假設(shè)13個(gè)管道之間距離相等，則每?jī)蓚€(gè)泵站之間的距離均為1 086 m。彭越浦泵站到#3井之間存在兩條平行箱涵，單管箱涵的截面面積14.875 m2。試驗(yàn)期間，一次僅使用其中一條箱涵。

1.2試驗(yàn)方法

該項(xiàng)沖刷試驗(yàn)在彭越浦泵站到下游#3井的箱涵開展，前24 h先開放彭越浦一個(gè)閘門使污水沖刷其中一條箱涵后匯入#3井，后24 h關(guān)閉該閘門，開啟另一條閘門，對(duì)另一條箱涵進(jìn)行沖刷。沖刷試驗(yàn)期間對(duì)彭越浦泵站至#3井的13個(gè)泵站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)48 h的采樣監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)間隔1 h，監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括流量，以及SS、氨氮、磷酸鹽和COD等水質(zhì)指標(biāo)。其中，流量選用便攜式多普勒超聲波流量計(jì)（NIVUS 1877 PCM PRO）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，SS采用重量法（GB 11901-89）測(cè)定，COD采用標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀滴定法（GB11901-89）測(cè)定，氨氮采用納氏試劑分光光度法（GB7479-87）測(cè)定，磷酸鹽采用連續(xù)流動(dòng)-鉬酸銨分光光度法（HJ 670-2013）測(cè)定。

2　箱涵內(nèi)水力及水質(zhì)情況

2.1水力狀況

根據(jù)試驗(yàn)期間每個(gè)泵站連續(xù)48 h內(nèi)的運(yùn)行曲線，統(tǒng)計(jì)出每個(gè)泵站在每個(gè)小時(shí)內(nèi)的流量變化情況，計(jì)算得出第一天和第二天各自的24 h平均流量及48 h內(nèi)每個(gè)泵站的平均流量，最大流量、最小流量（見表1）。再根據(jù)從彭越浦到#3井的箱涵截面面積14.875 m2，可進(jìn)一步計(jì)算得從彭越浦到#3井需要346.7 min，即5.8 h。但5.8 h內(nèi)，由于不斷有途徑的泵站的污水匯入，因此#3井處的水包含了其上游流入的所有污水，這些污水在管道內(nèi)的停留時(shí)間從22 min到5.8 h不等。

表1　彭越浦泵站、#3井流量表

2.2水質(zhì)總體變化情況

將彭越浦泵站、#3井監(jiān)測(cè)的SS、氨氮、磷酸鹽和COD濃度進(jìn)行平均，得出24 h、48 h水質(zhì)的平均濃度，如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，彭越浦泵站24 h、48 h內(nèi)的水質(zhì)平均值基本持平，水質(zhì)波動(dòng)不大，這也為該項(xiàng)沖刷試驗(yàn)區(qū)選擇的合理性提供了支持。此外，比較彭越浦、#3井48 h水質(zhì)參數(shù)平均值，可知#3井內(nèi)污水的SS、氨氮、磷酸鹽、COD濃度值分別高于彭越浦的56.8%、57.6%、34.4%、18.4%。因而，污水在通過(guò)對(duì)彭越浦到#3井之間14 125.2 m水泥箱涵后，能使沉積于底部的沉積物不斷沖起并隨污水向下游匯集，使污水中的有機(jī)物和懸浮顆粒濃度增加，最終增加了COD、氨氮、SS、磷酸鹽的含量。

3　長(zhǎng)距離沖刷后水質(zhì)變化分析

3.1SS濃度變化

圖3為彭越浦與#3井的SS濃度變化及其與#3井流量的關(guān)系曲線圖。SS濃度的變化最直觀地反應(yīng)了沖刷作用帶起的沉積物的量。首先，單獨(dú)分析每一天箱涵上游（彭越浦）和下游（#3井）的SS平均濃度的變化。可知彭越浦、#3井第一天平均SS濃度分別為47.7 mg/L、63.6 mg/L，#3井SS濃度相對(duì)彭越浦增加了33.3%；彭越浦、#3井第二天平均SS濃度為38.9 mg/L、67.4 mg/L，#3井SS濃度相對(duì)于彭越浦增加了73.3%。兩天SS平均增加了53.3%。將其換算成SS質(zhì)量，可得第一天共沖刷掉SS質(zhì)量17 686 kg（24 h），第二天共沖刷掉SS質(zhì)量22 312 kg（20 h），44 h內(nèi)共沖刷掉SS質(zhì)量為39 998 kg。由上述數(shù)據(jù)可以看出，第二天SS的增加量明顯高于第一天。雖然第一天的平均流量高于第二天，但最大瞬時(shí)流量發(fā)生在第二天。而流量大小直接決定沉積物顆粒所受的拖拽力的大?。?］，因此大的瞬時(shí)流量，造成SS被沖起的量相應(yīng)增大。

圖2　彭越浦、#3井24 h、48 h平均水質(zhì)狀況柱狀圖

由于流量的局部波動(dòng)較大，沖刷作用無(wú)法從SS平均值反映出來(lái)，但可以通過(guò)觀察局部SS濃度變化與流速的關(guān)系進(jìn)行反映。圖3顯示了每個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的彭越浦及其流經(jīng)下游泵站匯入#3井對(duì)應(yīng)的SS濃度變化情況?？傮w而言，兩者SS濃度波動(dòng)變化趨勢(shì)基本一致，其濃度差值反映了箱涵內(nèi)沉積物被沖刷的情況。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，存在三個(gè)#3井SS濃度高于彭越浦泵站的階段，分別是第一天的2:30～5:30，7:30～15:30及第二天的21:30～05:30（上述時(shí)間均為#3井的取樣時(shí)間），對(duì)應(yīng)的流速范圍分別是0.78 m·s-1～1.14 m·s-1，0.67 m·s-1～1.17 m·s-1和0.68 m·s-1～1.53 m·s-1。沉積物被沖刷起來(lái)時(shí)所需要的流速被定義為沖起流速，被沖刷起來(lái)后沉積物保持懸浮狀態(tài)所需要的最低流速為不淤流速。根據(jù)之前調(diào)研發(fā)現(xiàn)，污水從彭越浦到#3井間箱涵的停留時(shí)間為22 min到5.8 h不等，因此可將每階段前3 h（污水的平均停留時(shí)間）內(nèi)的平均流速作為該階段的沉積物沖起流速。而在每個(gè)階段中，由于SS的濃度差仍為正值，說(shuō)明沉積物不斷被沖出，故而可將該階段內(nèi)最低流速認(rèn)為是不淤流速。因此第一天兩個(gè)階段的沖起流速和不淤流速分別是1.2 m·s-1和0.78 m·s-1、1.14 m·s-1和0.67 m·s-1。而第二天沖刷試驗(yàn)選用了另一條平行的箱涵，而且從一個(gè)時(shí)間點(diǎn)開始就存在一個(gè)極大流速1.53 m·s-1，且瞬間沖起管道中的沉積物，因此，將1.53 m·s-1認(rèn)為是該階段的沖起流速，而之后0.68 m·s-1的最低流速為該階段的不淤流速。此外，根據(jù)各階段SS增加量的平均值，以及對(duì)應(yīng)污水運(yùn)移距離（14 125.2 m），可以計(jì)算出單位距離上的SS消減量，以及折算出的在管道內(nèi)的厚度，具體結(jié)果如表2所列。

圖3　彭越浦與#3井的SS濃度變化及其與#3井流量的關(guān)系曲線圖

表2　三個(gè)SS濃度顯著增加階段的參數(shù)比較表

對(duì)比三個(gè)沖起階段情況可以得出：第三個(gè)瞬間沖起階段沖起導(dǎo)致的SS濃度增加量是三個(gè)階段中的最大值。該沖刷作用對(duì)應(yīng)的瞬間沖起流速為1.53 m·s-1，相對(duì)于前兩段持續(xù)沖刷3 h的沖起流速 1.2 m·s-1和 1.1 m·s-1，流速分別增加了27.5%和38.2%，管道內(nèi)消減的SS的厚度相對(duì)增加了300%和60%。說(shuō)明瞬間的大流速（1.53 m·s-1）沖刷相對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間（3 h以上）處于啟動(dòng)沖刷流速（1.2 m·s-1）的沖刷效果好，且需要的持續(xù)沖刷時(shí)間短。

3.2氨氮濃度變化

圖4為第一天和第二天的彭越浦及其流經(jīng)下游泵站匯入#3井對(duì)應(yīng)的氨氮濃度趨勢(shì)圖。彭越浦、#3井第一天氨氮平均濃度分別為19.29 mg·L-1、32.72 mg·L-1，第一天#3井的氨氮平均濃度相對(duì)于彭越浦增加了69.6%；彭越浦、#3井第二天氨氮平均濃度分別為20.02 mg·L-1、27.41 mg·L-1，第二天#3井的氨氮平均濃度相較于彭越浦增加了36.9%。且#3井相對(duì)于彭越浦氨氮平均濃度增加量第一天大于第二天的對(duì)應(yīng)值。這是因?yàn)榘钡饕匀芙鈶B(tài)，或部分以小顆粒有機(jī)質(zhì)形式存在，小流速足以沖起含氨氮的有機(jī)質(zhì)，因此盡管第二天存在一個(gè)極大瞬時(shí)流速，但是第一天平均流量大于第二天，其沖刷帶起的顆粒物量仍然低于第一天。將沖刷掉的氨氮換算成質(zhì)量，可得第一天共沖刷掉氨氮質(zhì)量17 228 kg（24 h），第二天共沖刷掉氨氮質(zhì)量4 884 kg（20 h），44 h內(nèi)共沖刷掉氨氮質(zhì)量為22 112 kg。第一天沖刷掉的氨氮質(zhì)量比第二天多253%。

圖4　彭越浦與#3井的氨氮濃度變化及其與#3井流量的關(guān)系曲線圖

3.3磷酸鹽濃度變化

圖5為第一天和第二天的彭越浦及其流經(jīng)下游泵站匯入#3井對(duì)應(yīng)的磷酸鹽濃度趨勢(shì)圖。經(jīng)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，#3井中污水的磷酸鹽含量明顯高于彭越浦。彭越浦、#3井第一天磷酸鹽平均濃度為4.09 mg·L-1、5.29 mg·L-1，第一天#3井的磷酸鹽平均濃度相對(duì)于彭越浦增加了29.3%；彭越浦、#3井第二天平均磷酸鹽濃度為 4.89 mg·L-1、7.49 mg·L-1，第二天#3井的磷酸鹽平均濃度相對(duì)于彭越浦增加了53.2%。第二天磷酸鹽的平均濃度增量相對(duì)于第一天要高，其原因主要與第二天的瞬時(shí)大流速?zèng)_起了管道內(nèi)的大量沉積物有關(guān)。據(jù)研究表明，無(wú)機(jī)磷在懸浮固體的總磷含量中約占10%～80%的比例［4］，因此磷酸鹽的上升趨勢(shì)與被沖刷的SS有關(guān)。第一天共沖刷掉的磷酸鹽質(zhì)量1 436 kg，第二天共沖刷掉磷酸鹽質(zhì)量1 834 kg，44 h內(nèi)共沖刷掉磷酸鹽質(zhì)量為3 270 kg。第二天沖刷掉的磷酸鹽質(zhì)量比第一天多27.7%。

圖5　彭越浦與#3井的磷酸鹽濃度變化及其與#3井流量的關(guān)系曲線圖

3.4COD濃度變化

圖6顯示了第一天和第二天的彭越浦及其流經(jīng)下游泵站匯入#3井對(duì)應(yīng)的COD濃度變化情況。彭越浦、#3井第一天平均COD濃度為153.3 mg/L、162.6 mg/L，第一天#3井的COD平均濃度相對(duì)于彭越浦僅增加了6.1%，兩者差異不明顯；彭越浦、#3井第二天平均COD濃度為121.6 mg/L、166.1 mg/L，第二天#3井的COD平均濃度相對(duì)于彭越浦增加了36.6%。因此對(duì)比兩天被沖刷出的COD濃度差異，主要原因在于有機(jī)物的濃度與懸浮顆粒物的濃度密切相關(guān)，因此當(dāng)?shù)诙鞗_刷出的顆粒物高于第一天時(shí)，第二天COD平均濃度的增量明顯大于第一天。第一天共沖刷掉COD質(zhì)量7 161 kg，第二天共沖刷掉COD質(zhì)量31 112 kg，44 h內(nèi)共沖刷掉COD質(zhì)量為38 273 kg。第二天沖刷掉的COD質(zhì)量比第一天多334%。

圖6　彭越浦與#3井的COD濃度變化及其與#3井流量的關(guān)系曲線圖

4　結(jié)　論

（1）沖刷作用均可以引起管道內(nèi)SS、氨氮、磷酸鹽、COD濃度的增加，其中，SS的增加最為明顯，可以作為代表沖刷作用的主要參數(shù)。

（2）對(duì)于彭越浦和#3井，兩天內(nèi)由沖刷作用引起的管道內(nèi)消減的SS、氨氮、磷酸鹽、COD的質(zhì)量分別為39 998 kg、22 112 kg、3 270 kg、38 273 kg。

（3）管道內(nèi)的水流速度對(duì)于SS的變化影響最為顯著，SS變化隨著流速的變化呈現(xiàn)出明顯的階段變化趨勢(shì)。在長(zhǎng)距離沖刷作用中（彭越浦到#3井），瞬間大流速1.53 m/s沖刷相對(duì)于3 h持續(xù)處于沖起流速1.2 m/s和1.1 m/s，其流速分別增加了27.5%和38.2%，但管道內(nèi)SS消減的厚度相對(duì)增加了300%和60%。說(shuō)明瞬間大的流速對(duì)于污染物的去除具有更加明顯的效果。對(duì)于持續(xù)沖刷作用，沖起流速為1.1 m/s，不淤流速為0.67 m/s。

5　建議單箱涵沖刷模式的常態(tài)運(yùn)行操作方案

5.1汛后單箱涵沖洗模式操作方案（枯水期當(dāng)年10月—次年5月）

實(shí)施項(xiàng)目汛后單箱涵定時(shí)沖洗。

操作時(shí)間每季度一次（晴天）。

5.1.1操作步驟

（1）調(diào)度室負(fù)責(zé)沖洗指令發(fā)布，指導(dǎo)具體操作。

（2）彭越浦泵站配合啟閉中隔墻閘門和開泵操作。

（3）巡視組監(jiān)控單箱涵輸送管線沿線情況。

5.1.2操作要求

（1）南、北單箱涵各運(yùn)行48 h。

（2）彭越浦泵站單箱涵運(yùn)行開泵數(shù)3臺(tái)。

5.2汛中沖洗模式操作方案（豐水期當(dāng)年6月—9月）

實(shí)施項(xiàng)目汛中單箱涵瞬間沖洗。

操作時(shí)間中到大雨時(shí)擇機(jī)實(shí)施。

5.2.1操作步驟

（1）調(diào)度室負(fù)責(zé)沖洗指令發(fā)布，指導(dǎo)具體操作。

（2）彭越浦泵站根據(jù)運(yùn)行水位開啟4～5臺(tái)泵，且單箱涵內(nèi)3臺(tái)泵即可。

5.2.2操作要求

（1）南、北單箱涵沖洗切換根據(jù)調(diào)度指令。

（2）據(jù)統(tǒng)計(jì)每年發(fā)生暴雨16～19次，其中滿足單箱涵沖洗要求的可達(dá)到14次經(jīng)過(guò)南、北箱涵切換，每條箱涵在汛期中沖洗可達(dá)6～7次，每次沖洗時(shí)間3 h以上。

［1］時(shí)珍寶，張建頻，劉利.利用模型技術(shù)實(shí)現(xiàn)西干線總管溢流污染的削減［A］.城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)溢流污染控制國(guó)際研討會(huì)論文集［C］.2009.

［2］高原，王紅武，張善發(fā)，等.合流制排水管道沉積物及其模型研究進(jìn)展［J］.中國(guó)給水排水，2010，26（2）:15-18.

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［4］李海燕，徐尚玲，馬玲.合流制排水管道沉積物的研究進(jìn)展［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，（06）:90-95.

表7　梁端支座橫向位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5　結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)朔黃鐵路南排河大橋進(jìn)行動(dòng)力振動(dòng)測(cè)試，得出如下結(jié)論：

（1）橋梁上部結(jié)構(gòu)橫豎向振幅、橫豎向自振頻率、跨中撓度和跨中動(dòng)應(yīng)變均滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定的限值。但是一孔梁中兩片T梁的豎向協(xié)同工作性能較差；

（2）水中4#～6#墩在通行列車荷載作用下的振幅超過(guò)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中規(guī)定的最大限值，自振頻率低于最低限值。說(shuō)明橋墩的橫向剛度偏小，需采取一定的措施進(jìn)行加固；

（3）用沖擊振動(dòng)試驗(yàn)法可以準(zhǔn)確測(cè)定橋墩的橫向自振頻率。

參考文獻(xiàn)：

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TU992.2

A

1009-7716（2016）01-0090-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.026

2015-10-12

張立（1966-），男，上海人，助理工程師，從事污水運(yùn)行管理工作。