泥沙流對城鎮(zhèn)河道底泥及水質(zhì)污染影響的研究分析

馬兵兵 范雷振 曹 彬

(上海南匯水利市政工程有限公司，上海 201399)

在城鎮(zhèn)河道綜合治理的大環(huán)境下，廠礦、居民區(qū)直接排入河道的污水基本得到根治，但由于雨水、大風(fēng)等原因造成的泥沙流所產(chǎn)生的污染物卻很難控制。此類泥沙流受周邊居民和城鎮(zhèn)綜合環(huán)境的影響，其表面吸附了重金屬、油污以及多種有機(jī)物等復(fù)雜混合物。在雨水及大風(fēng)天氣下，城鎮(zhèn)河道沿岸泥沙隨風(fēng)雨卷入河道或通過分流制雨水管道排入河道，對河道的底泥和水質(zhì)帶來最直接的影響。另外，王家生等[1]研究了水中的陽離子對河流中細(xì)顆粒泥沙沉降速度的影響，污染物吸附使得泥沙表面的物理化學(xué)特性發(fā)生改變，影響了泥沙在河道中的沉積。泥沙運(yùn)動(dòng)、沉積形成底泥的過程與吸附污染物影響水質(zhì)的過程也存在一定關(guān)聯(lián)性。

1 泥沙起動(dòng)的動(dòng)因分析

降水及大風(fēng)是吸附污染物的泥沙流入河道的動(dòng)因，本文僅研究降水形成泥沙流的情況。按照傳統(tǒng)天氣學(xué)定義，降水雨量等級及雨滴大小見表1。

表1 降水等級與降水量雨滴大小關(guān)系

當(dāng)降雨量大于下滲水量和蒸發(fā)量的和時(shí)，地面形成積水，在一定坡度地形上形成徑流。在不考慮雨滴飛濺對泥沙起動(dòng)影響的情況下，當(dāng)徑流動(dòng)力大于泥沙阻力時(shí)，泥沙便隨徑流一起移動(dòng)。以單顆粒泥沙受力分析為出發(fā)點(diǎn)來研究黏性泥沙的起動(dòng)臨界條件，單顆黏性泥沙的受力條件分析見圖1。

圖1 單顆黏性泥沙的受力分析

圖1中，F(xiàn)D為水流推力；FL為上升力；W為水下重力；N為表面接觸力；d為泥沙平均直徑；O為泥沙顆粒接觸點(diǎn)；分別為水流推力、上升力、水下重力、表面接觸力到單粒泥沙重心的作用距離。根據(jù)張瑞瑾[2]研究結(jié)論，單顆粒泥沙起動(dòng)的力主要為兩種，一種是水流推力FD，一種是上升力FL。其表達(dá)式見式(1)、式(2)：

(1)

(2)

式中：FD為水流推力，N；FL為上升力，N；CD、CL為推力、上升力系數(shù)；d為泥沙平均粒徑，m；ρ為水的密度，kg/m3；γ為水的重度，kN/m3；g為重力加速度，m/s2；a1、a2為垂直于水流方向及鉛直方向的沙粒面積系數(shù)；μb為作用于泥沙粒的瞬時(shí)流速，m/s。

根據(jù)受力分析，最后推出推動(dòng)沙粒啟動(dòng)臨界流速為

(3)

同時(shí)，式(3)可簡化為

(4)

式中：C1、C2為啟動(dòng)系數(shù)；m、s為指數(shù)；ha為水柱表示的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(10m)；h為水深，m；d1為泥沙粒徑，m；ρs為泥沙密度，kg/m3；ρ為水的密度，kg/m3。

當(dāng)水流速度U>Uc時(shí)，泥沙便隨水流一起滾動(dòng)，形成泥沙流失。臨界起動(dòng)速度可以看成水深h與泥沙平均粒徑d的函數(shù)。張瑞瑾[2]對水深h=0.15m時(shí)泥沙粒徑d和臨界起動(dòng)速度Uc對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：當(dāng)d>0.17mm時(shí)，重力占主要地位，當(dāng)d變大時(shí)，Uc增加。當(dāng)d<0.17mm時(shí)，黏結(jié)力占主要地位，當(dāng)d變小時(shí)，Uc增大。d=0.17mm時(shí)所需臨界流速最小，為Ucmin=2cm/s。

以上公式和分析更適用于河流中河床泥沙的起動(dòng)，而降雨引起的坡面泥沙流失則要考慮雨滴擊濺的影響。在暴雨初期地面未形成徑流前，雨滴擊濺起的泥沙散落一旁，黏結(jié)力相對變小。當(dāng)?shù)孛嫘纬蓮搅骱?，濺起的泥沙直接進(jìn)入徑流，黏結(jié)力基本為零。吳普特等[3]進(jìn)行了裸露黃土坡面的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，在坡度10°～30°、雨強(qiáng)0.322～2.037mm/min的范圍內(nèi)，消除雨滴擊濺后坡地侵蝕量可降低60%～80%。由此可見雨滴擊濺對泥沙起動(dòng)與流失影響較大。

再分析韓浩[4]提出的公式，該公式考慮了雨滴擊濺、徑流條件下的坡面泥沙起動(dòng)臨界速度。

其表達(dá)式為

(5)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)測資料，式(5)可簡化為

(6)

式中：h為水深，m；d為泥沙平均粒徑，m；ρs為泥沙密度，kg/m3；ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；I為降雨強(qiáng)度，mm/min；Vm為雨滴終速，m/s；θ為坡面坡度，°；γ′s為泥沙干重度，kN/m3；γ′sc為泥沙穩(wěn)定干重度，kN/m3；C為黏聚力參數(shù)，kN/m；dy為雨滴直徑，m；f為坡面摩擦系數(shù)；ξc為黏聚力參數(shù)；k為系數(shù)。

通過一組數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，并把起動(dòng)速度轉(zhuǎn)化為雨強(qiáng)、泥沙粒徑、坡度的函數(shù)。即取h=0.15m，d=2×10-4m，ρs=1600kg/m3，ρ=1000kg/m3，g=10m/s2，f=tan(-20.73+137.57γ′s/γ′sc-83.08γ′s/γ′sc)，Vm=I0.25/(0.034+0.0845I0.25)，γ′s=γ′sc，C=2.33×10-5kg/m，則式(6)可簡化為

(7)

假設(shè)θ=6°，則Uc和I的關(guān)系式為

(8)

假設(shè)I=1.2mm/min，則Uc=0.52m/s?？紤]城市河道中θ為固定值，取θ=6°，建立泥沙啟動(dòng)速度Uc與泥沙平均粒徑和雨強(qiáng)的關(guān)系，即Uc=f(d，I)。

在硬化地面上其表達(dá)式為

(9)

假設(shè)I=1.2mm/min，d=2×10-4m，同樣求得Uc=0.52m/s。驗(yàn)證了式的計(jì)算結(jié)果，所以式(9)可作為泥沙起動(dòng)速度與粒徑和雨強(qiáng)關(guān)系的表達(dá)式。取一組數(shù)據(jù)用圖描述，見圖2。

圖2 雨強(qiáng)、沙粒直徑和泥沙流起動(dòng)流速的關(guān)系

根據(jù)圖2，在考慮雨滴擊濺作用下，當(dāng)泥沙直徑為0.7mm時(shí)所需起動(dòng)流速最小。韓浩[4]文中的公式比張瑞瑾[2]泥沙最小起動(dòng)流速對應(yīng)的泥沙直徑0.17mm要大，而且在泥沙直徑小于最小直徑0.7mm段，隨雨強(qiáng)增大起動(dòng)流速變大，而直徑超過0.7mm后，泥沙起動(dòng)流速基本不隨雨強(qiáng)變化而變化。

泥沙起動(dòng)流速在水深變化的情況下，對應(yīng)的泥沙直徑也隨之變化，如水深h=0.02m時(shí)對應(yīng)最小起動(dòng)流速的泥沙直徑為4mm，在水深h=0.05m時(shí)對應(yīng)最小起動(dòng)流速的泥沙直徑為1mm。但是對最小的起動(dòng)流速關(guān)系不大。

對于泥沙起動(dòng)流速與關(guān)鍵參數(shù)雨強(qiáng)I、泥沙直徑d的相關(guān)性，根據(jù)式(9)，當(dāng)I固定時(shí)，當(dāng)d<0.17mm時(shí)，Uc隨d增大而變小，當(dāng)d>0.17mm時(shí)，Uc隨d增大而增大；當(dāng)d固定時(shí)，若d<0.17mm，Uc隨I增大而增大，若d>0.17mm，Uc隨I增大而基本沒有變化。

2 降雨強(qiáng)度與城鎮(zhèn)河道底泥沉積的關(guān)系

下面對城鎮(zhèn)河道內(nèi)由于降雨影響而流入河道的泥沙量進(jìn)行估算，并建立降雨強(qiáng)度和泥沙流失量的關(guān)系，從而根據(jù)降雨強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)估計(jì)清淤周期。

對于降雨的泥沙流失量有兩種方法測量。一種是美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心的W.H.Wischmeier(1978)USLE模型[5]。該模型的基本表達(dá)式為

A=RK(LS)CP

(10)

式中：A為單位面積(英畝)的土壤流失量(t)；R為降雨侵蝕因子；K為泥沙侵蝕能力因子；LS為地貌因子(坡長和梯度結(jié)合的無量綱因子)；C為農(nóng)作管理因子(無量綱)；P為侵蝕控制因子。

王光謙[6]建立的坡面產(chǎn)沙模型。該模型將雨滴濺蝕、薄層水流侵蝕、細(xì)溝和淺溝侵蝕等主要過程概化為坡面侵蝕過程。其表達(dá)式為

(11)

式中：E為坡面的總侵蝕速率，kg/s；β為水流的作用強(qiáng)度；D為泥沙粒徑，m；α為小于1的系數(shù)；k為土壤抗蝕性；ρs為泥沙顆粒密度，kg/m3；ρm為坡頂清水容重與坡腳渾水容重平均值，kg/m3；n為曼寧系數(shù)；J為坡面比降；ql為坡腳處單寬地表流量，m2/s；A為坡面投影面積，m2。

12月10日，福田汽車集團(tuán)與東軟睿馳汽車技術(shù)（沈陽）有限公司（以下簡稱“東軟睿馳”）在京簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議。雙方將圍繞自主可控的智能網(wǎng)聯(lián)汽車和人才培養(yǎng)等方面實(shí)現(xiàn)共贏。福田汽車集團(tuán)副總經(jīng)理武錫斌和東軟睿馳總經(jīng)理曹斌博士代表雙方簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議。

比較上述兩種泥沙流失量模型，坡面產(chǎn)沙模型更有利于描述城鎮(zhèn)河道的泥沙侵蝕模型。以式(11)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。這里關(guān)鍵是坡腳地表流量ql的計(jì)算，將坡面分為兩種類型，一種是完全裸露的坡面，一種是植被覆蓋的坡面。完全裸漏的地面只考慮滲流和蒸發(fā)，被植被覆蓋的坡面還要考慮植被截流。我們假設(shè)研究對象河道周邊完全裸露的坡面有x塊，面積為Ai，i=1,…,x，被植被覆蓋的坡面有y塊，面積為Aj，j=1,…,y。降雨強(qiáng)度根據(jù)上海市地方標(biāo)準(zhǔn)暴雨強(qiáng)度公式與設(shè)計(jì)雨型標(biāo)準(zhǔn)DB31/T 1043—2017計(jì)算，暴雨強(qiáng)度公式表達(dá)式為：

(12)

式中：q為設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min。

滲流、截流、蒸發(fā)不作為本文重點(diǎn)研究對象，采用系數(shù)來考慮它們的影響。假設(shè)每個(gè)坡面的滲流系數(shù)為mi、植被截流系數(shù)為nj、蒸發(fā)系數(shù)為vi。令(1-mi-ni-vi)=Δ，則裸露坡面徑流量qli=Δqli。li為i坡面靠近路邊或硬化地面的邊長。

下面計(jì)算每次降雨i地塊泥沙流失量。

(13)

將式(12)帶入式(13)，得

(14)

假設(shè)第i塊地塊為裸漏地塊，即Δ=1，其余參數(shù)如下k=3.65×10-7，βi=1.56，α=1，n=0.025，D=2×10-4，ρmi=1200kg/m3，ρs=1600kg/m3，Ji=0.02，P=20，則式(14)簡化為

(15)

(16)

經(jīng)計(jì)算，20年一遇的降雨情況下，t=60min時(shí)，該地塊流沙量為2.4kg。所以，可根據(jù)河道內(nèi)裸露地面面積及降雨強(qiáng)度，可估算出一次降雨流入河道內(nèi)的泥沙量，再統(tǒng)計(jì)每年的降雨量，從而可以估算出每年底泥增加的厚度及清淤的周期。

以上海市浦東新區(qū)新場鎮(zhèn)五灶港北支河為例，驗(yàn)證式(15)、式(16)的適用性。新場鎮(zhèn)五灶港北支河(鎮(zhèn)級河道、雨水排口少)位于新場鎮(zhèn)新環(huán)西路東側(cè)、筍中路西側(cè)、新藝路南側(cè)、石筍街北側(cè)，見圖3，長491.52m，寬5～10m，水域面積為3459.27m2[7]，雨水匯水面積(陸上裸露地面面積)約11000m2(Ai)、長度約490m(li)，上海年均降雨量1173.4mm[8]。將上述數(shù)據(jù)代入式(15)，可得出五灶港北支河的年均河道淤積厚度為0.029m，這也與上海市水務(wù)局(2012年、2013年)頒布河道輪疏文件數(shù)據(jù)[9-10]相吻合。

圖3 五灶港北支河

3 環(huán)境污染物通過泥沙流失對河道水質(zhì)的影響分析

在雨水天氣的情況下，城鎮(zhèn)河道沿岸泥沙隨風(fēng)雨卷入河道，也會(huì)通過雨水管道(雨污分流)排入河道，對河道的底泥和水質(zhì)帶來最直接的影響。污染物通過降雨進(jìn)入河道的方式及對河道底泥的影響在文中第2節(jié)中已作介紹，而對于河道底泥與水質(zhì)的影響，分流制雨水排管中的通溝污泥亦扮演重要角色。

通溝污泥是指排水管道養(yǎng)護(hù)清理中經(jīng)人工或機(jī)械打撈上來的溝底沉積物，既存在于污水管網(wǎng)中也存在于雨水管溝中，本文中的通溝污泥特指既存于雨水管中的污泥。張強(qiáng)等[11]對上海市通溝污泥的研究顯示，上海市通溝污泥中的有機(jī)分含量約占17.3%，而灰分的含量約為82.7%；而污泥中污染物主要由受降雨徑流沖刷匯集至雨水井、溝內(nèi)沉積而成。在降雨初期的雨水污染負(fù)荷較大，上海市區(qū)蘇州河沿岸監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測顯示，雨水中COD、NH3-N等主要污染物指標(biāo)分別超過410mg/L和25.3mg/L，為地表水V標(biāo)準(zhǔn)9.3倍和11.7倍[12]。

一般而言，地面徑流污染物是雨水口徑流中有機(jī)物和氮、碟污染物的主要來源，而雨水徑流，尤其是屋面徑流是重金屬離子的主要來源[13]。漢京超[14]對居民區(qū)地表徑流中一些污染物指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，COD、NH3-N、TP和SS的EMC均值分別在93.5～191mg/L、2.66～3.43mg/L、0.65～1.40mg/L和150～239mg/L，而且舊城區(qū)雨水徑流的污染程度明顯大于新建城區(qū)；同時(shí)，地表徑流也是居民區(qū)中雨水管道通溝污泥污染的主要貢獻(xiàn)者，尤其是小區(qū)內(nèi)部道路徑流占據(jù)了較高比例(居民區(qū)內(nèi)部道路徑流向雨水排口徑流中分別貢獻(xiàn)了52.4%±7.5%的COD，50.6%±11.0%的SCOD，50.5%±11.8%的DOC和49.8%±8.7%的TP)，以至于給城市的河網(wǎng)水系帶來了嚴(yán)重的污染負(fù)荷。雨水管道內(nèi)污泥的pH值為7.0～8.6，平均值為8.0；污泥中泥沙單顆粒粒徑小于0.2mm的顆粒物數(shù)量約為37.5%，單顆粒粒徑小于0.25mm的顆粒物數(shù)量約為50%，單顆粒粒徑小于0.5mm的顆粒物數(shù)量約為66.7%[11]。

泥沙顆粒與污染物之間的相互作用主要發(fā)生在顆粒物表面，與泥沙顆粒的形狀密切相關(guān)。方紅衛(wèi)等[15]通過圖像法研究了泥沙顆粒表面形貌和結(jié)構(gòu)與污染物質(zhì)相互作用的關(guān)系，在原有一維水沙模型的基礎(chǔ)上，將水質(zhì)輸移和泥沙動(dòng)力力學(xué)基本原理相結(jié)合，建立了磷等污染物在河流中遷移轉(zhuǎn)化的整體數(shù)學(xué)模型。

接下來分析城鎮(zhèn)河道周邊泥沙攜帶污染物的吸附與解吸的過程。Langmuir動(dòng)力學(xué)方程描述了泥沙顆粒在水體中對磷污染物的吸附規(guī)律，其方程式為

(17)

方紅衛(wèi)等[15]對其進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)的方程式為

(18)

式中：Nij為每個(gè)吸附微區(qū)吸附量，mg/g；C為水相污染物濃度，g/L；Sm為吸附微區(qū)的飽和吸附量，mg/g；k1ij、k2ij分別為吸附微區(qū)內(nèi)的吸附與解吸速率系數(shù)；δij為隨機(jī)變量，滿足參數(shù)為p的二項(xiàng)式分布，p為泥沙顆粒表面吸附微區(qū)可能接觸和吸附污染物的概率。

其中k1ij=kae-Eaij/(RT)；k2ij=kde-Edij/(RT)，ka和kd為吸附和解吸平衡常數(shù)；R為摩爾氣體常量，erg/(mol·K)；T為熱力學(xué)溫度,t；Eaij和Edij分別為各吸附微區(qū)吸附和脫附活化能,kJ/mol，其表達(dá)式為Eaij=Ea0-αTij和Edij=Ed0+βTij，Ea0和Ed0為理想表面吸附和脫附活化能；α、β為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，試驗(yàn)確定；Tij為表面小單元的非球狀曲率。

經(jīng)匯總，得出單位質(zhì)量泥沙對污染物的吸附量為

(19)

式中：k3為泥沙體積和質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

本文中研究的受污染的泥沙多為污染物集中污染，即泥沙污染物已經(jīng)達(dá)到飽和吸附量，在徑流過程中，通過顆粒碰撞、電荷作用互相吸附解吸。

4 結(jié) 語

a.本文以河道周邊流入市政雨水管道的泥沙流為研究對象，結(jié)合前人的研究方法，經(jīng)過一系列公式推導(dǎo)換算，提出了降雨強(qiáng)度與河道泥沙增量的關(guān)系函數(shù)。

b.根據(jù)文中提出的式(15)、式(16)及河道內(nèi)裸露地面面積、降雨強(qiáng)度，可估算出一次降雨流入河道內(nèi)的泥沙量，并以上海市浦東新區(qū)新場鎮(zhèn)五灶港北支河為例估算出每年底泥增加的厚度及清淤的周期，結(jié)果與上海市水務(wù)局頒布河道輪疏文件數(shù)據(jù)相吻合。

c.通過對河道周邊環(huán)境、地表徑流等進(jìn)行分析，對流入河道的泥沙吸附的污染物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對降雨后從城鎮(zhèn)雨水排水系統(tǒng)進(jìn)入河道的泥沙對河道水質(zhì)影響進(jìn)行了分析。證明河道的底泥與污染物主要來源于河道周邊環(huán)境的泥沙流入，治理泥沙流入成為城鎮(zhèn)河道污染治理的重點(diǎn)。