明渠流下生物作用對管道沉積物沖蝕特性影響試驗研究

邵衛(wèi)云　錢棟　馬妍　周永潮　張儀萍

摘 要：通過調(diào)節(jié)溶解氧環(huán)境和培養(yǎng)時間，采用循環(huán)水槽進行沉積物明渠流沖刷試驗，研究生物活動對管道中不同有機物（volatile solid，VS）含量沉積物抗沖蝕特性的影響.結(jié)果表明：生物作用對沉積物抗侵蝕能力的影響具有兩面性：一方面，生物作用促進沉積物顆粒間的結(jié)合力，另一方面，生物作用可通過增大沉積物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的疏松程度以削弱其抗侵蝕能力.有機物含量較低的沉積物，存在一定生物作用，其抗侵蝕能力隨培養(yǎng)時間而有所增強；反之，生物活動過于強烈，其抗侵蝕能力隨培養(yǎng)時間而有所削弱.而對于適量VS含量的沉積物，生物作用對沉積物沖蝕的正負影響取決于水流剪切力的大小.

關(guān)鍵詞：管道沉積物；高揮發(fā)性有機物含量；生物活動；沖蝕特性

中圖分類號：TU992.3 文獻標(biāo)識碼：A

Abstract：Seriousness of the problems caused by sediment deposits in urban sewer pipe has been widely recognized. Using circulating water tank， scouring tests on the sewer sediment with biological activities were carried out， and the influence of biological activities on erosion characteristics of real insewer sediment with different volatile solid （VS） contents under open channel flow by controlling the conditions of dissolved oxygen concentrations and incubation time was also investigated. The results indicate that the biological activities exhibited both positive and negative influences on the erosion law of sewer sediment. It improved the antierosion capability by enhancing the binding strength between particles， and the erosion resistance was weakened due to the increase of the porosity of the internal structure of the sediment. Meanwhile， the weak biological activities in the sediment with lower organic content can strengthen the erosion resistance with the incubation time. On the contrary， strong biological activities of sediment with high VS content leaded to the weakening of the erosion resistance. The effect of biological activities on erosion characteristic was also related to the shear force of the flow for the sediment with appropriate VS content.

Key words：sewer sediment； high volatile solid content； biological activity； erosion characteristic

城市排水系統(tǒng)作為城市的基礎(chǔ)設(shè)施，在雨水、生活污水和工業(yè)污水的收集、運輸、排放上具有重要作用.當(dāng)前城市排水管道淤積現(xiàn)象嚴重[1]，相關(guān)調(diào)查顯示，北京城區(qū)存在淤積的排水管道中，50%以上的沉積物厚度與管徑之比超過0.1[2]；廣州市淤積嚴重的排水管道，其排水功能只有最初的1/4～1/3[3].固體懸浮物在管道內(nèi)的沉降和淤積，將增大管道阻力，降低管道排水性能，造成堵塞；其中生化反應(yīng)易侵蝕管道，降低管道使用壽命；對于合流制管道來說，強降雨下初期沖刷將使旱季時的沉積顆粒再懸浮，由此產(chǎn)生高濃度污染物，進入受納水體.研究表明，排水管道旱季沉積對受納水體造成的污染負荷達到了30%～80%[4].因此，研究排水管道內(nèi)固體顆粒的沉積以及沖刷運輸規(guī)律對排水系統(tǒng)設(shè)計與清淤管理具有重要理論意義.早期的沉積物沖刷實驗以無黏性泥沙為對象[5-7]，研究主要集中于起動流速和起動統(tǒng)計規(guī)律[8].隨著研究的深入，部分學(xué)者注意到真實管道沉積物的黏性特征.Crabtree[9]在1989年指出顆粒間的黏聚力增強了沉積物的抗侵蝕能力.隨后，眾多學(xué)者采用黏土和泥沙模擬真實管道沉積物，進一步了解了黏性泥沙的沖蝕運輸規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)了黏性泥沙的絮凝作用[10]、管道污水中高含量的有機絮狀懸浮物[11]、黏性泥沙的分層運輸[12]、粒徑與淤積時間的關(guān)系[13]等.

上述工作考慮到沉積物的黏性特征，然而富含有機質(zhì)的沉積物還易受生物作用影響，從而導(dǎo)致沖蝕規(guī)律的改變.HvitvedJacobsen等[14]將排水管道比作反應(yīng)發(fā)生器，發(fā)現(xiàn)了管道沉積物的生物降解作用；Black等[15]在2002年提出微生物作用將影響沉積物抗侵蝕能力；Vollertsen等[16]通過實驗得出，經(jīng)過一定時間培養(yǎng)，生物作用使得沉積物內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，從而削弱其抗侵蝕能力，同時生物膜在沉積

物表面的生長能增強其抗侵蝕能力.此外，學(xué)者們也研究了溫度、溶解氧含量等條件對沉積物生物作用的影響[17-18]，以及生物作用對沉積物粒徑、密度、顆粒間作用力等物理指標(biāo)的影響[19].

但這些研究仍未全面系統(tǒng)地展現(xiàn)生物活動對真實管道沉積物的作用.本文以真實管道沉積物為研究對象，利用室內(nèi)循環(huán)水槽，研究明渠水流作用下，生物活動對管道沉積物沖蝕運輸規(guī)律的影響.

1 試驗概況及內(nèi)容

1.1 試驗材料

根據(jù)對城市管道的調(diào)查，試驗選取3種具有不同揮發(fā)性有機物含量的管道沉積物.沉積物取自杭州市江干區(qū)排水管道.為了保持真實管道沉積物的特性以及試驗對于樣品均一性的要求，采用濕篩法[19]對采集的沉積物進行預(yù)處理，以除去包括樹葉、大粒徑石櫟、毛發(fā)等雜物.濕篩選用孔徑為10目（2 000 μm）的標(biāo)準(zhǔn)篩.處理后，測得該3種試驗樣品顆粒級配如圖1所示，理化特性見表1.

1.2 試驗裝置

本試驗采用的循環(huán)水槽裝置，主要由上游水箱、沖刷水槽、可調(diào)節(jié)溢流板、循環(huán)水箱、潛水泵、流量計等部分組成，如圖2所示.各部分關(guān)鍵尺寸為：上游水箱高1 m，底面尺寸為500 mm×500 mm；沖刷水槽長3 m，橫截面為150 mm×240 mm；循環(huán)水箱長2.5 m，橫截面為500 mm×800 mm.

試驗沖刷過程中，上游水箱提供水流；沉積物在沖刷水槽中經(jīng)受水流沖刷，并采用ADV（Acoustic Doppler Velocimeter）測量沉積表面水流三維流速，由此計算其表面剪切應(yīng)力，儀器探頭置于沉積物樣品表面10 mm處；水流流經(jīng)循環(huán)水箱，通過潛水泵重新回到上游水箱.其中ADV為Noterk公司的Vectrino，測量范圍為：-0.01～6.0 m/s，精度為測量值的±0.5%.

1.3 試驗方法

1.3.1 試樣培養(yǎng)

將經(jīng)濕篩法預(yù)處理后的3類沉積物樣品A，B和C各分為3組，分別置于如圖3所示的培養(yǎng)槽中按照5 d，10 d和20 d的不同培養(yǎng)時間進行培養(yǎng).沉積物鋪設(shè)高度為40 mm，橫向兩板可抽移.培養(yǎng)在150 mm高度的水體中進行，保持25 ℃左右的微生物活躍條件，同時采用ACO002型電磁式空氣增氧泵向沉積物上覆水體中進行空氣曝氣，以保證充足的溶解氧（DO>2 mg/L）.待各組試樣達到各自培養(yǎng)時間后，移至沖刷水槽中進行沖刷試驗.

1.3.2 試樣沖刷

經(jīng)培養(yǎng)后的沉積物連同培養(yǎng)槽移至沖刷水槽距離上游500 mm處，抽離橫向兩板，并于橫向兩端設(shè)置與沉積物鋪設(shè)高度一致的斜板，坡度為30°，以保證水流的均勻沖刷，如圖4所示.

本試驗采用階梯式提升流速的方法，以實現(xiàn)不同的表面剪切力，并在同一流速下保持一定時間.沖刷過程中，水槽內(nèi)水深和流量可分別通過下游溢流板和上游調(diào)節(jié)閥進行控制.

試驗開始后，調(diào)節(jié)進水管閥門使水流達到預(yù)定流速值，待流態(tài)穩(wěn)定后通過ADV讀取10 s[20]內(nèi)的三維流速數(shù)據(jù).在流速穩(wěn)定后1 min， 2 min， 3 min， 4 min， 6 min， 8 min和10 min時刻，分別于水槽上下游固定位置、水槽橫向中心處同時取水樣500 mL，測定其總懸浮物（TSS）濃度.

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

由于試樣沖刷裝置為循環(huán)系統(tǒng)，將上下游同時所取的水樣TSS濃度差認為是水流沖刷沉積物后的TSS改變量，由此來衡量水流對沉積物沖刷的程度.為了進一步表征水流對沉積物的沖蝕影響，引入侵蝕率（Erosion Rate，R）[21]的概念，其計算式見式（1）.

2 試驗結(jié)果

沉積物樣品的鋪設(shè)層較薄，且在鋪設(shè)時保證樣品的均一性，因此在本試驗中忽略沉積物分層沉淀及重力壓實的影響，認為沉積層豎向特性一致.試驗中通過調(diào)節(jié)沖刷流速以保證作用于各組沉積物試樣的各組剪切力一致.

由圖1和表1可知，3種試樣樣品的顆粒級配曲線相近，其物理性質(zhì)差異最大的為VS含量，且隨VS含量增大，ρd減小，中值粒徑d50減小.

2.1 生物活動下沉積物堆積密度變化

在培養(yǎng)階段觀察到沉積物體積膨大、厚度增高，可見在培養(yǎng)中生物活動導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化.這與Vollertsen等[16]所得到的“沉積物在曝氣、20 ℃條件下培養(yǎng)1～2 d后體積增長20%～40%”的結(jié)論相一致.前期我們做過不同培養(yǎng)條件下不同VS含量沉積物物化性質(zhì)變化的試驗.圖5所示為沉積物在25 ℃好氧條件下，深度為30 mm處（前期試驗沉積物總厚度為120 mm）的堆積密度ρd隨培養(yǎng)時間的變化曲線.

由圖5可看到，VS含量較高的沉積物，其ρd隨培養(yǎng)時間而減小，表明生物活動強烈，促進沉積物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的松散；VS含量較低的沉積物，其ρd逐步增大，可見生物活動較弱，沉積物以自身固結(jié)壓實為主；適量VS含量的沉積物，其ρd稍有減弱.由此得出結(jié)論：在適宜的培養(yǎng)條件下，沉積物內(nèi)部存在生物活動，且隨VS含量的增長生物活動越強烈.

2.2 動態(tài)沖蝕規(guī)律

沉積物在好氧環(huán)境下經(jīng)20 d培養(yǎng)后，在階梯提升的剪切力作用下其侵蝕率R隨沖刷時間的變化規(guī)律如圖6所示，其中t為沖刷時間.

由試驗結(jié)果可見，對于試樣A，侵蝕率R在不同剪切應(yīng)力下隨沖刷時間大致表現(xiàn)出如下規(guī)律：在10 min的沖刷過程中，侵蝕率在沖刷初期迅速增大，在第2 min左右達到峰值，記為Rp；隨后逐漸下降趨于穩(wěn)定，將第10 min時的侵蝕率記為Rs.在較大剪切力作用下，上述規(guī)律表現(xiàn)得明顯；在小剪切力下，侵蝕率的峰值表現(xiàn)得不明顯，較早地進入穩(wěn)定侵蝕階段.

沉積物試樣B和C的動態(tài)沖蝕整體上也表現(xiàn)出上述規(guī)律，但在前期增長幅度、峰值出現(xiàn)時間、穩(wěn)定侵蝕出現(xiàn)時間等細節(jié)上有所不同.相較于試樣A在第2 min內(nèi)的增長幅度小于第1 min，試樣B在前2 min內(nèi)的增長幅度較一致，試樣C在第2 min內(nèi)的增長幅度反而略大于第1 min.與之相對應(yīng)，峰值出現(xiàn)的時間也向后推延，由試樣A出現(xiàn)在第2 min，推延到試驗C出現(xiàn)在第3 min.可見隨VS含量的增加，在試樣培養(yǎng)過程中，生物活動劇烈程度增加，對沉積物抗侵蝕能力有削弱作用，使沉積物更易達到最大侵蝕狀態(tài).

2.3 侵蝕率增長規(guī)律

圖7為不同培養(yǎng)歷時下的試樣A在各沖刷試驗中，其侵蝕率與水流剪切應(yīng)力的關(guān)系，分別以峰值侵蝕率Rp和穩(wěn)定侵蝕率Rs作為侵蝕率的代表，其中τ為剪切應(yīng)力.

由圖7（a）可以看到：不同培養(yǎng)歷時下，試樣A在各沖刷試驗中，其Rp總體上隨水流剪切力的增大而增大；Rp增長幅度也隨剪切應(yīng)力增大而增大，但在剪切應(yīng)力不同范圍內(nèi)，增長幅度不同；在剪切應(yīng)力較小（0.21～0.58 N/m2）時，Rp增長緩慢；當(dāng)剪切力達到以及超過0.58 N/m2時，其增長幅度有明顯提升，隨后能更快發(fā)展.可見對于試樣A，0.58 N/m2左右達到其臨界剪切應(yīng)力.

但比較不同培養(yǎng)歷時的曲線可發(fā)現(xiàn)，在剪切應(yīng)力達到或超過0.58 N/m2后，培養(yǎng)歷時越長其Rp增長幅度越大，可見生物作用時間越長對沉積物的影響越大，使其更易被侵蝕.

穩(wěn)定增長率Rs也有上述規(guī)律，但剪切應(yīng)力在0.58～0.68 N/m2時，其增長幅度不及相同范圍下Rp的明顯.

2.4 峰值侵蝕率隨培養(yǎng)時間的變化規(guī)律

在沖刷試驗前期，侵蝕率迅速增大，至第2～3 min達到峰值.對比相同水流剪切力下，侵蝕率與試樣培養(yǎng)歷時的關(guān)系，可進一步了解生物活動對沉積物沖蝕的影響.圖8所示為3類試樣不同剪切力下Rp與培養(yǎng)歷時的關(guān)系，其中T為培養(yǎng)時間.

由圖8（a）可看到，在同一剪切力作用下，對于試樣A，其Rp隨培養(yǎng)時間的增加而持續(xù)增長.這一結(jié)果在較大剪切應(yīng)力下完全符合，在小剪切應(yīng)力下存在一定差異.可見在含有較高VS的試樣內(nèi)部，生物活動強烈，隨培養(yǎng)歷時增加，生物作用程度加深，導(dǎo)致試樣抗侵蝕能力削弱.

相比于試樣A的Rp隨培養(yǎng)時間的增長而增大，其他VS含量的試樣在沖刷中有著不同的規(guī)律.對于VS含量稍低的試樣B，在剪切力超過0.64 N/m2的工況下，Rp隨培養(yǎng)時間增加而增長；在范圍為0.21～0.58 N/m2時的較小剪切力下，Rp隨培養(yǎng)時間的增加而減小.說明生物作用對試樣B的抗侵蝕能力具有一定增強效果，使得顆粒間結(jié)合力增強，而這種增強效果存在上限值，當(dāng)水流剪切力超過這個上限值時，顆粒間的黏結(jié)力無法有效抵抗侵蝕.對于VS含量較低的試樣C，在相同剪切力作用下，Rp隨培養(yǎng)時間的增加總體呈現(xiàn)減小趨勢.說明試樣C的抗侵蝕能力在生物作用下得到了增強.

2.5 穩(wěn)定侵蝕率隨培養(yǎng)時間的變化規(guī)律

在沖刷試驗后期，侵蝕率逐漸趨于穩(wěn)定，記第10 min的侵蝕率為穩(wěn)定侵蝕率Rs.圖9所示為3類試樣不同剪切力下Rs與培養(yǎng)歷時的關(guān)系，其中T為培養(yǎng)時間.

如圖9所示，不同VS含量的沉積物，其穩(wěn)定侵蝕隨培養(yǎng)時間的規(guī)律與峰值侵蝕率一致.即對于VS含量較高的試樣A，在相同剪切力作用下，其Rs隨培養(yǎng)時間的增加而持續(xù)增長；對于VS含量較低的試樣C，Rs隨培養(yǎng)時間的增加總體呈現(xiàn)減小趨勢；而對于VS含量介于兩者之間的試樣B，其Rs隨培養(yǎng)歷時的規(guī)律與水流剪切力有關(guān).

3 討 論

沉積物所含有的揮發(fā)性有機物導(dǎo)致在培養(yǎng)過程中內(nèi)部存在一定生物作用，生物作用的發(fā)展會影響沉積物抗侵蝕能力.但生物活動隨作用時間存在兩面性：一方面，生物作用促進沉積物顆粒間的結(jié)合力[18]以及在沉積物表面生成光滑致密的生物膜以增強沉積物的抗侵蝕能力[19]；另一方面，生物作用可通過增大沉積物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的疏松程度以削弱其抗侵蝕能力[16].有機物含量不同將導(dǎo)致不同程度的生物作用，對沉積物抗侵蝕能力具有不同的影響.

試樣A有機物含量較大，生物活動強烈，在培養(yǎng)中破壞沉積物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的程度明顯，而對顆粒間結(jié)合力的增強效果不明顯，總體上其抗侵蝕能力被削弱，故在沖刷中表現(xiàn)為在各組剪切力作用下，以最大侵蝕率Rp與穩(wěn)定侵蝕率Rs為代表的侵蝕率均隨培養(yǎng)時間而增大.

試樣B揮發(fā)性有機物含量有所減少，生物活動減弱，隨培養(yǎng)時間增加，對沉積物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞程度也減弱；而顆粒間結(jié)合力仍有一定增強，但存在一個上限值，在水流剪切力較大時無法抵抗水流作用.因此表現(xiàn)為在水流剪切力較小時，最大侵蝕率Rp和穩(wěn)定侵蝕率Rs隨培養(yǎng)時間減小，而在水流剪切力較大時，則隨培養(yǎng)時間而增大.

試樣C有機物含量較低，生物活動進一步減弱，隨培養(yǎng)歷時的增加，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞較?。幌啾戎?，一定的生物活動能增強沉積物顆粒間的結(jié)合力以及促進表面致密光滑的生物膜生成.總體上增強了沉積物抗侵蝕能力，故在沖刷中表現(xiàn)為在各組剪切力作用下，最大侵蝕率Rp與穩(wěn)定侵蝕率Rs均隨培養(yǎng)時間而減小.

4 結(jié) 論

本試驗選用不同VS含量的真實排水管道中的沉積物作為試驗材料，采用循環(huán)水槽裝置，在一系列不同流速的恒定流工況下，討論了不同程度生物活動對沉積物沖蝕規(guī)律的影響，得到以下結(jié)論：

1）不同VS含量的沉積物經(jīng)過不同培養(yǎng)時間，在一系列剪切力作用下其動態(tài)侵蝕率R的變化規(guī)律較一致：在沖刷初期，侵蝕率隨沖刷迅速增大，在第2～3 min達到最大侵蝕率Rp，隨后出現(xiàn)大幅下降，并逐漸趨于穩(wěn)定.

2）不同程度的生物作用對沉積物抗侵蝕能力產(chǎn)生不同的影響.沉積物VS含量較低時，生物作用相對較弱，其抗侵蝕能力隨培養(yǎng)時間有所增強；VS含量較高時，生物活動強烈，抗侵蝕能力有所削弱；VS含量介于前兩者之間時，生物作用導(dǎo)致沉積物疏松的同時也增加了顆粒間的黏結(jié)力，但存在上臨界值.即生物活動對沉積物侵蝕率的影響存在兩面性.

3）在沖刷過程中，沉積物侵蝕率的增長幅度在剪切應(yīng)力較小時增長緩慢；當(dāng)達到及超過臨界剪切力后，增長幅度有明顯提升，隨后能更快地發(fā)展.同一組VS含量的沉積物，培養(yǎng)歷時越長后期侵蝕率的增長幅度越大，可見在突破顆粒間結(jié)合力的上臨界值后，生物作用時間越長對沉積物的影響越大，使其更易被侵蝕.

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