泥沙流对城镇河道底泥及水质污染影响的研究分析

2022-01-10马兵兵范雷振

水利建设与管理 2021年12期

马兵兵范雷振曹彬

(上海南汇水利市政工程有限公司，上海 201399)

在城镇河道综合治理的大环境下，厂矿、居民区直接排入河道的污水基本得到根治，但由于雨水、大风等原因造成的泥沙流所产生的污染物却很难控制。此类泥沙流受周边居民和城镇综合环境的影响，其表面吸附了重金属、油污以及多种有机物等复杂混合物。在雨水及大风天气下，城镇河道沿岸泥沙随风雨卷入河道或通过分流制雨水管道排入河道，对河道的底泥和水质带来最直接的影响。另外，王家生等[1]研究了水中的阳离子对河流中细颗粒泥沙沉降速度的影响，污染物吸附使得泥沙表面的物理化学特性发生改变，影响了泥沙在河道中的沉积。泥沙运动、沉积形成底泥的过程与吸附污染物影响水质的过程也存在一定关联性。

1 泥沙起动的动因分析

降水及大风是吸附污染物的泥沙流入河道的动因，本文仅研究降水形成泥沙流的情况。按照传统天气学定义，降水雨量等级及雨滴大小见表1。

表1 降水等级与降水量雨滴大小关系

当降雨量大于下渗水量和蒸发量的和时，地面形成积水，在一定坡度地形上形成径流。在不考虑雨滴飞溅对泥沙起动影响的情况下，当径流动力大于泥沙阻力时，泥沙便随径流一起移动。以单颗粒泥沙受力分析为出发点来研究黏性泥沙的起动临界条件，单颗黏性泥沙的受力条件分析见图1。

图1 单颗黏性泥沙的受力分析

图1中，FD为水流推力；FL为上升力；W为水下重力；N为表面接触力；d为泥沙平均直径；O为泥沙颗粒接触点；分别为水流推力、上升力、水下重力、表面接触力到单粒泥沙重心的作用距离。根据张瑞瑾[2]研究结论，单颗粒泥沙起动的力主要为两种，一种是水流推力FD，一种是上升力FL。其表达式见式(1)、式(2)：

(1)

(2)

式中：FD为水流推力，N；FL为上升力，N；CD、CL为推力、上升力系数；d为泥沙平均粒径，m；ρ为水的密度，kg/m3；γ为水的重度，kN/m3；g为重力加速度，m/s2；a1、a2为垂直于水流方向及铅直方向的沙粒面积系数；μb为作用于泥沙粒的瞬时流速，m/s。

根据受力分析，最后推出推动沙粒启动临界流速为

(3)

同时，式(3)可简化为

(4)

式中：C1、C2为启动系数；m、s为指数；ha为水柱表示的标准大气压(10m)；h为水深，m；d1为泥沙粒径，m；ρs为泥沙密度，kg/m3；ρ为水的密度，kg/m3。

当水流速度U>Uc时，泥沙便随水流一起滚动，形成泥沙流失。临界起动速度可以看成水深h与泥沙平均粒径d的函数。张瑞瑾[2]对水深h=0.15m时泥沙粒径d和临界起动速度Uc对应关系进行了实验研究。结果表明：当d>0.17mm时，重力占主要地位，当d变大时，Uc增加。当d<0.17mm时，黏结力占主要地位，当d变小时，Uc增大。d=0.17mm时所需临界流速最小，为Ucmin=2cm/s。

以上公式和分析更适用于河流中河床泥沙的起动，而降雨引起的坡面泥沙流失则要考虑雨滴击溅的影响。在暴雨初期地面未形成径流前，雨滴击溅起的泥沙散落一旁，黏结力相对变小。当地面形成径流后，溅起的泥沙直接进入径流，黏结力基本为零。吴普特等[3]进行了裸露黄土坡面的室内实验，在坡度10°～30°、雨强0.322～2.037mm/min的范围内，消除雨滴击溅后坡地侵蚀量可降低60%～80%。由此可见雨滴击溅对泥沙起动与流失影响较大。

再分析韩浩[4]提出的公式，该公式考虑了雨滴击溅、径流条件下的坡面泥沙起动临界速度。

其表达式为

(5)

根据实验实测资料，式(5)可简化为

(6)

式中：h为水深，m；d为泥沙平均粒径，m；ρs为泥沙密度，kg/m3；ρ为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；I为降雨强度，mm/min；Vm为雨滴终速，m/s；θ为坡面坡度，°；γ′s为泥沙干重度，kN/m3；γ′sc为泥沙稳定干重度，kN/m3；C为黏聚力参数，kN/m；dy为雨滴直径，m；f为坡面摩擦系数；ξc为黏聚力参数；k为系数。

通过一组数据进行验证，并把起动速度转化为雨强、泥沙粒径、坡度的函数。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，则式(6)可简化为

(7)

假设θ=6°，则Uc和I的关系式为

(8)

假设I=1.2mm/min，则Uc=0.52m/s。考虑城市河道中θ为固定值，取θ=6°，建立泥沙启动速度Uc与泥沙平均粒径和雨强的关系，即Uc=f(d，I)。

在硬化地面上其表达式为

(9)

假设I=1.2mm/min，d=2×10-4m，同样求得Uc=0.52m/s。验证了式的计算结果，所以式(9)可作为泥沙起动速度与粒径和雨强关系的表达式。取一组数据用图描述，见图2。

图2 雨强、沙粒直径和泥沙流起动流速的关系

根据图2，在考虑雨滴击溅作用下，当泥沙直径为0.7mm时所需起动流速最小。韩浩[4]文中的公式比张瑞瑾[2]泥沙最小起动流速对应的泥沙直径0.17mm要大，而且在泥沙直径小于最小直径0.7mm段，随雨强增大起动流速变大，而直径超过0.7mm后，泥沙起动流速基本不随雨强变化而变化。

泥沙起动流速在水深变化的情况下，对应的泥沙直径也随之变化，如水深h=0.02m时对应最小起动流速的泥沙直径为4mm，在水深h=0.05m时对应最小起动流速的泥沙直径为1mm。但是对最小的起动流速关系不大。

对于泥沙起动流速与关键参数雨强I、泥沙直径d的相关性，根据式(9)，当I固定时，当d<0.17mm时，Uc随d增大而变小，当d>0.17mm时，Uc随d增大而增大；当d固定时，若d<0.17mm，Uc随I增大而增大，若d>0.17mm，Uc随I增大而基本没有变化。

2 降雨强度与城镇河道底泥沉积的关系

下面对城镇河道内由于降雨影响而流入河道的泥沙量进行估算，并建立降雨强度和泥沙流失量的关系，从而根据降雨强度的统计估计清淤周期。

对于降雨的泥沙流失量有两种方法测量。一种是美国农业部农业研究中心的W.H.Wischmeier(1978)USLE模型[5]。该模型的基本表达式为

A=RK(LS)CP

(10)

式中：A为单位面积(英亩)的土壤流失量(t)；R为降雨侵蚀因子；K为泥沙侵蚀能力因子；LS为地貌因子(坡长和梯度结合的无量纲因子)；C为农作管理因子(无量纲)；P为侵蚀控制因子。

王光谦[6]建立的坡面产沙模型。该模型将雨滴溅蚀、薄层水流侵蚀、细沟和浅沟侵蚀等主要过程概化为坡面侵蚀过程。其表达式为

(11)

式中：E为坡面的总侵蚀速率，kg/s；β为水流的作用强度；D为泥沙粒径，m；α为小于1的系数；k为土壤抗蚀性；ρs为泥沙颗粒密度，kg/m3；ρm为坡顶清水容重与坡脚浑水容重平均值，kg/m3；n为曼宁系数；J为坡面比降；ql为坡脚处单宽地表流量，m2/s；A为坡面投影面积，m2。

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比较上述两种泥沙流失量模型，坡面产沙模型更有利于描述城镇河道的泥沙侵蚀模型。以式(11)为基础进行计算。这里关键是坡脚地表流量ql的计算，将坡面分为两种类型，一种是完全裸露的坡面，一种是植被覆盖的坡面。完全裸漏的地面只考虑渗流和蒸发，被植被覆盖的坡面还要考虑植被截流。我们假设研究对象河道周边完全裸露的坡面有x块，面积为Ai，i=1,…,x，被植被覆盖的坡面有y块，面积为Aj，j=1,…,y。降雨强度根据上海市地方标准暴雨强度公式与设计雨型标准DB31/T 1043—2017计算，暴雨强度公式表达式为：

(12)

式中：q为设计降雨强度，L/(s·hm2)；P为设计重现期，a；t为降雨历时，min。

渗流、截流、蒸发不作为本文重点研究对象，采用系数来考虑它们的影响。假设每个坡面的渗流系数为mi、植被截流系数为nj、蒸发系数为vi。令(1-mi-ni-vi)=Δ，则裸露坡面径流量qli=Δqli。li为i坡面靠近路边或硬化地面的边长。

下面计算每次降雨i地块泥沙流失量。

(13)

将式(12)带入式(13)，得

(14)

假设第i块地块为裸漏地块，即Δ=1，其余参数如下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，则式(14)简化为

(15)

(16)

经计算，20年一遇的降雨情况下，t=60min时，该地块流沙量为2.4kg。所以，可根据河道内裸露地面面积及降雨强度，可估算出一次降雨流入河道内的泥沙量，再统计每年的降雨量，从而可以估算出每年底泥增加的厚度及清淤的周期。

以上海市浦东新区新场镇五灶港北支河为例，验证式(15)、式(16)的适用性。新场镇五灶港北支河(镇级河道、雨水排口少)位于新场镇新环西路东侧、笋中路西侧、新艺路南侧、石笋街北侧，见图3，长491.52m，宽5～10m，水域面积为3459.27m2[7]，雨水汇水面积(陆上裸露地面面积)约11000m2(Ai)、长度约490m(li)，上海年均降雨量1173.4mm[8]。将上述数据代入式(15)，可得出五灶港北支河的年均河道淤积厚度为0.029m，这也与上海市水务局(2012年、2013年)颁布河道轮疏文件数据[9-10]相吻合。

图3 五灶港北支河

3 环境污染物通过泥沙流失对河道水质的影响分析

在雨水天气的情况下，城镇河道沿岸泥沙随风雨卷入河道，也会通过雨水管道(雨污分流)排入河道，对河道的底泥和水质带来最直接的影响。污染物通过降雨进入河道的方式及对河道底泥的影响在文中第2节中已作介绍，而对于河道底泥与水质的影响，分流制雨水排管中的通沟污泥亦扮演重要角色。

通沟污泥是指排水管道养护清理中经人工或机械打捞上来的沟底沉积物，既存在于污水管网中也存在于雨水管沟中，本文中的通沟污泥特指既存于雨水管中的污泥。张强等[11]对上海市通沟污泥的研究显示，上海市通沟污泥中的有机分含量约占17.3%，而灰分的含量约为82.7%；而污泥中污染物主要由受降雨径流冲刷汇集至雨水井、沟内沉积而成。在降雨初期的雨水污染负荷较大，上海市区苏州河沿岸监测点监测显示，雨水中COD、NH3-N等主要污染物指标分别超过410mg/L和25.3mg/L，为地表水V标准9.3倍和11.7倍[12]。

一般而言，地面径流污染物是雨水口径流中有机物和氮、碟污染物的主要来源，而雨水径流，尤其是屋面径流是重金属离子的主要来源[13]。汉京超[14]对居民区地表径流中一些污染物指标进行统计分析发现，COD、NH3-N、TP和SS的EMC均值分别在93.5～191mg/L、2.66～3.43mg/L、0.65～1.40mg/L和150～239mg/L，而且旧城区雨水径流的污染程度明显大于新建城区；同时，地表径流也是居民区中雨水管道通沟污泥污染的主要贡献者，尤其是小区内部道路径流占据了较高比例(居民区内部道路径流向雨水排口径流中分别贡献了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)，以至于给城市的河网水系带来了严重的污染负荷。雨水管道内污泥的pH值为7.0～8.6，平均值为8.0；污泥中泥沙单颗粒粒径小于0.2mm的颗粒物数量约为37.5%，单颗粒粒径小于0.25mm的颗粒物数量约为50%，单颗粒粒径小于0.5mm的颗粒物数量约为66.7%[11]。

泥沙颗粒与污染物之间的相互作用主要发生在颗粒物表面，与泥沙颗粒的形状密切相关。方红卫等[15]通过图像法研究了泥沙颗粒表面形貌和结构与污染物质相互作用的关系，在原有一维水沙模型的基础上，将水质输移和泥沙动力力学基本原理相结合，建立了磷等污染物在河流中迁移转化的整体数学模型。

接下来分析城镇河道周边泥沙携带污染物的吸附与解吸的过程。Langmuir动力学方程描述了泥沙颗粒在水体中对磷污染物的吸附规律，其方程式为

(17)

方红卫等[15]对其进行了改进，改进的方程式为

(18)

式中：Nij为每个吸附微区吸附量，mg/g；C为水相污染物浓度，g/L；Sm为吸附微区的饱和吸附量，mg/g；k1ij、k2ij分别为吸附微区内的吸附与解吸速率系数；δij为随机变量，满足参数为p的二项式分布，p为泥沙颗粒表面吸附微区可能接触和吸附污染物的概率。

其中k1ij=kae-Eaij/(RT)；k2ij=kde-Edij/(RT)，ka和kd为吸附和解吸平衡常数；R为摩尔气体常量，erg/(mol·K)；T为热力学温度,t；Eaij和Edij分别为各吸附微区吸附和脱附活化能,kJ/mol，其表达式为Eaij=Ea0-αTij和Edij=Ed0+βTij，Ea0和Ed0为理想表面吸附和脱附活化能；α、β为经验参数，试验确定；Tij为表面小单元的非球状曲率。

经汇总，得出单位质量泥沙对污染物的吸附量为

(19)

式中：k3为泥沙体积和质量转换系数。

本文中研究的受污染的泥沙多为污染物集中污染，即泥沙污染物已经达到饱和吸附量，在径流过程中，通过颗粒碰撞、电荷作用互相吸附解吸。