合流制排水管道旱天长距离冲刷效果研究

2016-11-15陈珂莉

城市道桥与防洪 2016年1期

关键词：箱涵磷酸盐冲刷

张立，陈珂莉

（1.上海城市排水有限公司，上海市200233；2.长江水环境教育部重点实验室（同济大学），上海市200092）

合流制排水管道旱天长距离冲刷效果研究

张立1，陈珂莉2

（1.上海城市排水有限公司，上海市200233；2.长江水环境教育部重点实验室（同济大学），上海市200092）

为评估合流制排水系统总管旱天单箱涵交替冲洗运行模式对减少下游泥沙沉积的实际效果，现选取彭越浦泵站至流经18个下游泵站最终汇入#3井这一排水管道作为试验对象，开展生产性冲刷试验。结果表明，冲刷作用可引起管道内SS、氨氮、磷酸盐及COD浓度的增加，增量分别为39 998 kg、22 112 kg、3 270 kg、38 273 kg，其中SS的增加最为明显，可作为代表冲刷作用的主要参数；管道内的水流速度对于SS的变化影响也最为显著，在长距离冲刷作用中，瞬间的大流速对于污染物的去除具有更加明显的效果。

冲刷；长距离；SS；箱涵；沉积

0　引言

随着城市化进程的不断加快，城市排水管网的系统规划设计的要求也越来越高。因此计算机模型技术的发展下，将其应用在排水管网设计优化验证、运行管理优化等方面日益广泛［1］。在上海市西干线改造项目中，便利用了infoworks CS排水模型软件对合流一期规划水量下，旱雨季运行工况进行了模拟研究。而本文阐述的正是在此模型实验研究的基础上，开展了生产性的冲刷试验，一方面评估旱天单箱涵冲洗运行模式对减少彭越浦下游箱涵泥沙沉积的实际效果，同时也论证旱天单双箱涵交替运行方案的可行性，进一步明确运行参数，如单管运行时机和持续时间等，为制定单箱涵冲洗模式的常态运行操作方案提供数据和理论支持。

有关排水管道中沉积物的沉积和冲刷等方面的研究，国外从20世纪70年代就已开始，并逐渐建立了各种物理模型和数学模型研究管道沉积物的沉积、冲刷和污染规律。但相关物理模型方面的研究仍多利用实验室建立的人工水渠来模拟沉积物在自然条件下的冲刷，在现场开展冲刷试验较少［2］。因此，本文所阐述的现场冲刷试验也可为此提供数据参考。

1　材料与方法

1.1冲刷实验区简介

彭越浦泵站作为一汇流泵站，集中了其上游二十余个泵站的合流污水，水质总体波动不大，因此该项冲刷试验选取了彭越浦泵站作为整个冲刷试验的起点，下游#3井作为终点。其间流经18个泵站，包括：彭越浦、民晏和和田，水电、广中西、广中污、彭江、凉城、汶水路、大柏树、武川和武川污、国和和五角场、中原和营口、新江湾城#1和#2。其中，民晏和和田、武川和武川污、国和和五角场、中原和营口、新江湾城#1和#2均为两个泵站汇水于同一点，如图1所示。

彭越浦到#3井之间的距离14 125.2 m，期间共有13段管道，由于管道之间的距离较均匀，假设13个管道之间距离相等，则每两个泵站之间的距离均为1 086 m。彭越浦泵站到#3井之间存在两条平行箱涵，单管箱涵的截面面积14.875 m2。试验期间，一次仅使用其中一条箱涵。

1.2试验方法

该项冲刷试验在彭越浦泵站到下游#3井的箱涵开展，前24 h先开放彭越浦一个闸门使污水冲刷其中一条箱涵后汇入#3井，后24 h关闭该闸门，开启另一条闸门，对另一条箱涵进行冲刷。冲刷试验期间对彭越浦泵站至#3井的13个泵站节点进行连续48 h的采样监测，监测间隔1 h，监测指标包括流量，以及SS、氨氮、磷酸盐和COD等水质指标。其中，流量选用便携式多普勒超声波流量计（NIVUS 1877 PCM PRO）进行监测，SS采用重量法（GB 11901-89）测定，COD采用标准重铬酸钾滴定法（GB11901-89）测定，氨氮采用纳氏试剂分光光度法（GB7479-87）测定，磷酸盐采用连续流动-钼酸铵分光光度法（HJ 670-2013）测定。

2　箱涵内水力及水质情况

2.1水力状况

根据试验期间每个泵站连续48 h内的运行曲线，统计出每个泵站在每个小时内的流量变化情况，计算得出第一天和第二天各自的24 h平均流量及48 h内每个泵站的平均流量，最大流量、最小流量（见表1）。再根据从彭越浦到#3井的箱涵截面面积14.875 m2，可进一步计算得从彭越浦到#3井需要346.7 min，即5.8 h。但5.8 h内，由于不断有途径的泵站的污水汇入，因此#3井处的水包含了其上游流入的所有污水，这些污水在管道内的停留时间从22 min到5.8 h不等。

表1　彭越浦泵站、#3井流量表

2.2水质总体变化情况

将彭越浦泵站、#3井监测的SS、氨氮、磷酸盐和COD浓度进行平均，得出24 h、48 h水质的平均浓度，如图2所示。可以发现，彭越浦泵站24 h、48 h内的水质平均值基本持平，水质波动不大，这也为该项冲刷试验区选择的合理性提供了支持。此外，比较彭越浦、#3井48 h水质参数平均值，可知#3井内污水的SS、氨氮、磷酸盐、COD浓度值分别高于彭越浦的56.8%、57.6%、34.4%、18.4%。因而，污水在通过对彭越浦到#3井之间14 125.2 m水泥箱涵后，能使沉积于底部的沉积物不断冲起并随污水向下游汇集，使污水中的有机物和悬浮颗粒浓度增加，最终增加了COD、氨氮、SS、磷酸盐的含量。

3　长距离冲刷后水质变化分析

3.1SS浓度变化

图3为彭越浦与#3井的SS浓度变化及其与#3井流量的关系曲线图。SS浓度的变化最直观地反应了冲刷作用带起的沉积物的量。首先，单独分析每一天箱涵上游（彭越浦）和下游（#3井）的SS平均浓度的变化。可知彭越浦、#3井第一天平均SS浓度分别为47.7 mg/L、63.6 mg/L，#3井SS浓度相对彭越浦增加了33.3%；彭越浦、#3井第二天平均SS浓度为38.9 mg/L、67.4 mg/L，#3井SS浓度相对于彭越浦增加了73.3%。两天SS平均增加了53.3%。将其换算成SS质量，可得第一天共冲刷掉SS质量17 686 kg（24 h），第二天共冲刷掉SS质量22 312 kg（20 h），44 h内共冲刷掉SS质量为39 998 kg。由上述数据可以看出，第二天SS的增加量明显高于第一天。虽然第一天的平均流量高于第二天，但最大瞬时流量发生在第二天。而流量大小直接决定沉积物颗粒所受的拖拽力的大小［3］，因此大的瞬时流量，造成SS被冲起的量相应增大。

图2　彭越浦、#3井24 h、48 h平均水质状况柱状图

由于流量的局部波动较大，冲刷作用无法从SS平均值反映出来，但可以通过观察局部SS浓度变化与流速的关系进行反映。图3显示了每个时刻对应的彭越浦及其流经下游泵站汇入#3井对应的SS浓度变化情况。总体而言，两者SS浓度波动变化趋势基本一致，其浓度差值反映了箱涵内沉积物被冲刷的情况。由图3可以发现，存在三个#3井SS浓度高于彭越浦泵站的阶段，分别是第一天的2:30～5:30，7:30～15:30及第二天的21:30～05:30（上述时间均为#3井的取样时间），对应的流速范围分别是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。沉积物被冲刷起来时所需要的流速被定义为冲起流速，被冲刷起来后沉积物保持悬浮状态所需要的最低流速为不淤流速。根据之前调研发现，污水从彭越浦到#3井间箱涵的停留时间为22 min到5.8 h不等，因此可将每阶段前3 h（污水的平均停留时间）内的平均流速作为该阶段的沉积物冲起流速。而在每个阶段中，由于SS的浓度差仍为正值，说明沉积物不断被冲出，故而可将该阶段内最低流速认为是不淤流速。因此第一天两个阶段的冲起流速和不淤流速分别是1.2 m·s-1和0.78 m·s-1、1.14 m·s-1和0.67 m·s-1。而第二天冲刷试验选用了另一条平行的箱涵，而且从一个时间点开始就存在一个极大流速1.53 m·s-1，且瞬间冲起管道中的沉积物，因此，将1.53 m·s-1认为是该阶段的冲起流速，而之后0.68 m·s-1的最低流速为该阶段的不淤流速。此外，根据各阶段SS增加量的平均值，以及对应污水运移距离（14 125.2 m），可以计算出单位距离上的SS消减量，以及折算出的在管道内的厚度，具体结果如表2所列。

图3　彭越浦与#3井的SS浓度变化及其与#3井流量的关系曲线图

表2　三个SS浓度显著增加阶段的参数比较表

对比三个冲起阶段情况可以得出：第三个瞬间冲起阶段冲起导致的SS浓度增加量是三个阶段中的最大值。该冲刷作用对应的瞬间冲起流速为1.53 m·s-1，相对于前两段持续冲刷3 h的冲起流速 1.2 m·s-1和 1.1 m·s-1，流速分别增加了27.5%和38.2%，管道内消减的SS的厚度相对增加了300%和60%。说明瞬间的大流速（1.53 m·s-1）冲刷相对于长时间（3 h以上）处于启动冲刷流速（1.2 m·s-1）的冲刷效果好，且需要的持续冲刷时间短。

3.2氨氮浓度变化

图4为第一天和第二天的彭越浦及其流经下游泵站汇入#3井对应的氨氮浓度趋势图。彭越浦、#3井第一天氨氮平均浓度分别为19.29 mg·L-1、32.72 mg·L-1，第一天#3井的氨氮平均浓度相对于彭越浦增加了69.6%；彭越浦、#3井第二天氨氮平均浓度分别为20.02 mg·L-1、27.41 mg·L-1，第二天#3井的氨氮平均浓度相较于彭越浦增加了36.9%。且#3井相对于彭越浦氨氮平均浓度增加量第一天大于第二天的对应值。这是因为氨氮主要以溶解态，或部分以小颗粒有机质形式存在，小流速足以冲起含氨氮的有机质，因此尽管第二天存在一个极大瞬时流速，但是第一天平均流量大于第二天，其冲刷带起的颗粒物量仍然低于第一天。将冲刷掉的氨氮换算成质量，可得第一天共冲刷掉氨氮质量17 228 kg（24 h），第二天共冲刷掉氨氮质量4 884 kg（20 h），44 h内共冲刷掉氨氮质量为22 112 kg。第一天冲刷掉的氨氮质量比第二天多253%。

图4　彭越浦与#3井的氨氮浓度变化及其与#3井流量的关系曲线图

3.3磷酸盐浓度变化

图5为第一天和第二天的彭越浦及其流经下游泵站汇入#3井对应的磷酸盐浓度趋势图。经对比可以发现，#3井中污水的磷酸盐含量明显高于彭越浦。彭越浦、#3井第一天磷酸盐平均浓度为4.09 mg·L-1、5.29 mg·L-1，第一天#3井的磷酸盐平均浓度相对于彭越浦增加了29.3%；彭越浦、#3井第二天平均磷酸盐浓度为 4.89 mg·L-1、7.49 mg·L-1，第二天#3井的磷酸盐平均浓度相对于彭越浦增加了53.2%。第二天磷酸盐的平均浓度增量相对于第一天要高，其原因主要与第二天的瞬时大流速冲起了管道内的大量沉积物有关。据研究表明，无机磷在悬浮固体的总磷含量中约占10%～80%的比例［4］，因此磷酸盐的上升趋势与被冲刷的SS有关。第一天共冲刷掉的磷酸盐质量1 436 kg，第二天共冲刷掉磷酸盐质量1 834 kg，44 h内共冲刷掉磷酸盐质量为3 270 kg。第二天冲刷掉的磷酸盐质量比第一天多27.7%。

图5　彭越浦与#3井的磷酸盐浓度变化及其与#3井流量的关系曲线图

3.4COD浓度变化

图6显示了第一天和第二天的彭越浦及其流经下游泵站汇入#3井对应的COD浓度变化情况。彭越浦、#3井第一天平均COD浓度为153.3 mg/L、162.6 mg/L，第一天#3井的COD平均浓度相对于彭越浦仅增加了6.1%，两者差异不明显；彭越浦、#3井第二天平均COD浓度为121.6 mg/L、166.1 mg/L，第二天#3井的COD平均浓度相对于彭越浦增加了36.6%。因此对比两天被冲刷出的COD浓度差异，主要原因在于有机物的浓度与悬浮颗粒物的浓度密切相关，因此当第二天冲刷出的颗粒物高于第一天时，第二天COD平均浓度的增量明显大于第一天。第一天共冲刷掉COD质量7 161 kg，第二天共冲刷掉COD质量31 112 kg，44 h内共冲刷掉COD质量为38 273 kg。第二天冲刷掉的COD质量比第一天多334%。

图6　彭越浦与#3井的COD浓度变化及其与#3井流量的关系曲线图

4　结　论

（1）冲刷作用均可以引起管道内SS、氨氮、磷酸盐、COD浓度的增加，其中，SS的增加最为明显，可以作为代表冲刷作用的主要参数。

（2）对于彭越浦和#3井，两天内由冲刷作用引起的管道内消减的SS、氨氮、磷酸盐、COD的质量分别为39 998 kg、22 112 kg、3 270 kg、38 273 kg。

（3）管道内的水流速度对于SS的变化影响最为显著，SS变化随着流速的变化呈现出明显的阶段变化趋势。在长距离冲刷作用中（彭越浦到#3井），瞬间大流速1.53 m/s冲刷相对于3 h持续处于冲起流速1.2 m/s和1.1 m/s，其流速分别增加了27.5%和38.2%，但管道内SS消减的厚度相对增加了300%和60%。说明瞬间大的流速对于污染物的去除具有更加明显的效果。对于持续冲刷作用，冲起流速为1.1 m/s，不淤流速为0.67 m/s。

5　建议单箱涵冲刷模式的常态运行操作方案

5.1汛后单箱涵冲洗模式操作方案（枯水期当年10月—次年5月）

实施项目汛后单箱涵定时冲洗。

操作时间每季度一次（晴天）。

5.1.1操作步骤

（1）调度室负责冲洗指令发布，指导具体操作。

（2）彭越浦泵站配合启闭中隔墙闸门和开泵操作。

（3）巡视组监控单箱涵输送管线沿线情况。

5.1.2操作要求

（1）南、北单箱涵各运行48 h。

（2）彭越浦泵站单箱涵运行开泵数3台。

5.2汛中冲洗模式操作方案（丰水期当年6月—9月）

实施项目汛中单箱涵瞬间冲洗。

操作时间中到大雨时择机实施。

5.2.1操作步骤

（1）调度室负责冲洗指令发布，指导具体操作。

（2）彭越浦泵站根据运行水位开启4～5台泵，且单箱涵内3台泵即可。

5.2.2操作要求

（1）南、北单箱涵冲洗切换根据调度指令。

（2）据统计每年发生暴雨16～19次，其中满足单箱涵冲洗要求的可达到14次经过南、北箱涵切换，每条箱涵在汛期中冲洗可达6～7次，每次冲洗时间3 h以上。

［1］时珍宝，张建频，刘利.利用模型技术实现西干线总管溢流污染的削减［A］.城镇排水系统溢流污染控制国际研讨会论文集［C］.2009.

［2］高原，王红武，张善发，等.合流制排水管道沉积物及其模型研究进展［J］.中国给水排水，2010，26（2）:15-18.

［3］Li Y，Lau S L，Kayhanian M，et al.First flush and natural aggregation of particles in highway runoff.［J］.Water Science& Technology A Journal of the International Association on Water Pollution Research，2006，（54）:21-27.

［4］李海燕，徐尚玲，马玲.合流制排水管道沉积物的研究进展［J］.安全与环境学报，2013，（06）:90-95.