城市排水管网是城市排水系统的重要组成部分，具有收集、输送雨水和生活污水的功能.现如今随着城市人口急剧增多，社会经济的进一步发展，城市排水管网，尤其是老城区管网，均出现了不同程度的淤积和堵塞^[1].排水管道沉积物的存在，不仅大幅度降低了排水管道的过流能力，还会由于污水对沉积物的冲刷，释放污染物质，产生二次污染^[2~4].而城市排水管网作为城市水体污染控制过程中的重要环节，对控制城市水体污染物有着重要意义.本研究区域昆明市污水收集过程中存在较多的明渠收集，且各大污水厂出水排往滇池，氮磷超标极易形成恶臭水体^{[5, 6]}，在雨季，污水管网还存在大量的溢流情况，严重恶化城市环境，因此污水运输过程中沉积物造成的二次污染影响相对较大，研究排水管网中沉积物的各项性质显得十分必要.

国外研究排水管道沉积物的性质包括密度、粒径分布^[7]、pH、沉降特性^[8]、污染物^[9]含量等方面，在欧洲，排水管道沉积物的沉积速率达到30~50 g ·(m ·d)^-1[10]；基于沉积物中重金属对生物的毒害性，Yuan等^[11]建立了一个模型，利用铅作为预测重金属含量的指示物，取得了较好的效果；Ahyerre等^[12]的研究发现，暴雨径流中高达80%的污染负荷来源于管道沉积物的溢流排放；Bertrand-Krajewski等^[13]研究发现排水管道中沉积物的二次悬浮对径流中SS和COD的贡献率为60%左右.

目前国内关于沉积物的研究主要集中在沉积冲刷模型方面^[14]，对沉积物理化及污染性质方面的研究较少，对不同等级管道沉积物性质和污染物在各粒径段沉积物分布的研究更是鲜见，对此本文以中国南方城市昆明市为例，重点研究了不同功能分区以及不同等级排水管道的沉积物性质，以期为我国排水管网沉积物控制提供依据，进而为昆明城市管网的管理、规划与改造奠定基础.

经过大量的实地调查，在昆明市主城区选取了文教区、商业区、居民区和综合服务区4个典型城市功能区进行样品采集，具体如图 1所示，其中文教区位于以云南大学为中心的大学城，该区域污水主要是周边3所高校的日常污水；商业区选取在昆明市中心的金马碧鸡坊周边，该区域交通繁忙，人口密度大；居民区选取在日新中路周边，围绕凯旋花园、南苑等大型小区，区域污水主要是几个小区的生活污水；综合服务区位于滇池路附近区域，周边有水星温泉、青少年及老年活动中心和省人大、法院等场所.每个功能区布设9个采样点，皆为合流制且9个采样点所处管道分别包含3个主干管、3个干管和3个支管.

图 1

Fig. 1

红色标记为主干管；绿色标记为干管；黄色标记为支管 图 1 不同功能区采样点布设 Fig. 1 Layout of sampling points in different functional areas

具体的取样方法为打开检查井盖，使用一种城市污水管道沉积物取样设备^[15]，如图 2所示，其中图 2(a)是该装置结构示意，图 2(b)是图 2(a)中A区域的放大视图.使用该装置取管道内表层沉泥约1 000 g，带回实验室，低温保存并及时处理分析.

图 2

Fig. 2

1.竖杆；2.横杆；3.圆柱销；4.牵引绳；5.泥铲；6.水平限位挡板；7.竖直限位挡板；8.方形缺口；9.摄像设备 图 2 一种城市污水管道沉积物取样设备示意 Fig. 2 Diagram of sewer sediment sampler

粒径分布采用马尔文2000激光粒度仪进行测量；干密度测定采用比重瓶法；含水率测定采用重量法；总固体质量(total sediment，TS)在103℃下烘至恒重测得，沉积物在马弗炉中600℃烧至恒重的质量即为不可挥发性固体质量(non-volatile sediment，NVS)，挥发性固体质量(volatile sediment，VS)为TS和NVS之差.化学需氧量(COD)采用重铬酸钾法测定；总氮(TN)采用碱性过硫酸钾消解法；总磷(TP)采用钼锑抗分光光度法^[16]；重金属(Cu、Zn、Ni、Pb)采用常压消解后原子吸收光度法.为剔除其他因素对实验的干扰，每个采样点的样品均设置3组平行测定，最终取平均值作为有效数据.

单项累积指数(I_i)的计算式为：

式中，C_i为管道沉积物中污染物实测值，mg ·kg^-1；C_oi为背景值^[17]，mg ·kg^-1；I_i为单项累积指数.

内梅罗综合指数的计算式为：

式中，I_i为单项累积指数；C_i、C_oi分别为沉积物中i指标的测定值和背景值；I为内梅罗综合指数；为各单项污染指数的最大值.

不同功能区沉积物基本性质见表 1，其中D₁₀、D₅₀、D₉₀表示从最大粒径开始算到这些粒径值的颗粒(干重计)含量分别为10%、 50%、 90%，从中知，不同功能区沉积物干密度存在明显差异，表现为商业区>综合服务区>文教区>居住区，在各功能区内部主干管和干管的沉积物密度明显大于支管，这是由于商业区和综合服务区附近有建筑工地，建筑扬尘频繁，大量无机颗粒被带入管网所致，同样在各功能区内部，主干管与干管大多分布在交通主干道，也存在上述因素的影响，导致沉积物干密度大于支管.

表 1 (Table 1)

表 1 不同功能区沉积物基本性质 Table 1 Basic properties of sediments in different functional areas 功能区 管道等级 干密度/g·cm-3 含水率/% VSS/TSS/% 粒度分布/μm D10 D50 D90 文教区 主干管 1.801 66.21 20.16 17.61 96.35 441.60 干管 1.936 56.48 17.03 11.13 76.24 436.05 支管 1.727 55.35 22.26 7.06 41.23 291.26 商业区 主干管 2.075 36.62 15.60 35.01 394.25 742.05 干管 2.051 27.52 16.06 26.25 201.63 499.16 支管 2.237 41.08 11.35 10.28 91.65 452.71 居住区 主干管 1.631 72.07 26.04 6.01 36.03 161.37 干管 1.736 73.52 22.15 4.95 27.51 169.14 支管 1.884 71.54 18.09 4.36 23.35 141.05 综合服务区 主干管 2.359 57.53 7.19 3.27 16.29 67.25 干管 2.417 48.60 7.01 3.06 21.26 79.30 支管 2.336 50.09 7.31 3.71 24.30 87.56

表 1 不同功能区沉积物基本性质 Table 1 Basic properties of sediments in different functional areas

各功能区之间VSS/TSS的关系为居住区>文教区>商业区>综合服务区，与国内其他研究结果基本一致^[18]，可见生活污水中有机质含量较高且易于沉积.通过对有机质γ(以VSS/TSS表征)和干密度ρ进行线性分析，得出ρ=-4.189 7γ+2.680 1(R²=0.982 7)，说明有机质含量与沉积物干密度呈负相关.同时，各功能区之间含水率大小关系为居住区>文教区>综合服务区>商业区，与有机质含量大小关系基本一致，可见有机质大多与水结合赋存在沉积物当中.

不同功能区沉积物粒径空间差异性明显，大小关系为商业区>文教区>居住区>综合服务区，其中除商业区外其他功能区D₅₀多集中在20~100 μm，这是因为商业区交通繁忙，沥青路面颗粒物较多，道路清扫更为频繁，大粒径颗粒物随降雨或道路清扫被带入检查井.沉积物粒径分布除受路面交通状况、日常清扫影响之外，还与降雨的雨强、周围地表风速、前期晴天数等因素有关^[19].

不同功能区管道沉积物常规污染物含量见图 3.可以看出，不同功能区之间COD、TN和TP含量存在明显差异，其中COD差异表现为居住区>文教区>综合服务区>商业区，与各功能区之间有机质含量大小关系相同，居住区和文教区有机物含量高与该区域污水主要来自于生活污水有关^{[20, 21]}.对于TN，综合服务区含量明显低于其他3个功能区，研究表明城市污水管网污水中氮主要以有机氮形式存在^[22]，且管网中超过绝大多数氮元素由占污水总量不足1%的尿液贡献^{[23, 24]}，可见管网中氮浓度与该区域人口密度呈正相关，而综合服务区较其他三区人口密度最小，沉积物来源以道路扬尘和降雨径流冲刷为主，无机成分较多，因此沉积物中氮的含量较少.各功能区TP的含量大小关系表现为居住区>综合服务区>文教区>商业区，沉积物中TP的含量一般受两个因素的影响：管道污水中TP含量与沉积物颗粒粒径.综合服务区污染状况良好，但沉积物中TP含量高，主要是因为该区域沉积物颗粒细腻，粒径较小，利于TP吸附，商业区则因为沉积物颗粒粒径较大，TP吸附较少.除TP受沉积物粒径影响，在综合服务区和商业区之间出现变化以外，各功能区之间常规污染物含量的大小关系基本与功能区之间有机质含量大小关系一致.对比国内其他城市的研究^{[1, 18]}，昆明市老城区城市污水管网沉积物的3项常规污染指标普遍较高，分析原因可能是由于昆明市老城区城市改建不够彻底，城区存在大量城中村，这些地区没有完善的生活污水收集系统，如污水管网、化粪池等，污水未经处理直接进入排水明渠及管道，致使管网中污染负荷偏高.

图 3

Fig. 3

图 3 不同功能区管道沉积物污染物含量 Fig. 3 Pollutant content of sediment in different functional areas

不同等级管道之间，沉积物的污染物含量也存在差异，其中由支管至主干管，COD、TN无明显规律，TP略有减小，这与氮磷在污水管网中的主要迁移形态有关，其中氮元素主要为溶解态，而磷主要为吸附颗粒态，在传输过程中更易沉积^[25].在城市污水管网中，由支管、干管至主干管，污水流速与流量同步增大^[26]，因此相比支管与干管，主干管内部的TP迁移效率更高，沉积较少，沉积物中磷的含量也相应较少.

不同功能区管道沉积物TN和TP在不同粒径段的分布特征见图 4，可以看出，各功能区之间的总氮粒径分布存在差异，但在每个功能区内部各粒径段的分布都较为平均，结合各功能区之间沉积物的粒径大小特征：商业区>文教区>居住区>综合服务区，可以得出TN的分布并不集中于该功能区的粒径集中段，而是受其他的因素影响^{[27, 28]}，可能与该功能区的污水水质有关.而TP在不同功能区的粒径分布虽然略有差异，但大多分布在37~30 μm之间的小颗粒有机物上，结合污水中磷主要以颗粒态存在^[29]，笔者发现磷容易吸附在粒径较小的沉积物颗粒上.

图 4

Fig. 4

图 4 TN、TP不同粒径段分布特征 Fig. 4 Distribution characteristics of different particle sizes of TN and TP

不同功能区管道沉积物重金属含量见图 5，从中可以看出，不同功能区之间重金属的含量差异较大，对不同功能区重金属污染强度的评价结果见表 2，其中重金属内梅罗指数商业区(8.20)>居住区(8.18)>综合服务区(6.13)>文教区(5.07)，污染强度与交通繁忙程度基本呈正相关，居住区与综合服务区受极大值Cd含量的影响内梅罗指数偏大，商业区沉积物重金属污染最为严重，Cu、Zn、Pb和Cd这4种重金属含量分别为284.6、786.4、201.2、2.54mg ·kg^-1，这些重金属主要来自制动器、轮胎、车体，燃料及润滑油等^[30]，相关研究表明，汽车尾气中的重金属通过吸附到空气中的颗粒物上，沉积下来，再通过道路浇洒、下雨等形成地面径流，汇入污水管道，造成重金属的富集^[31].除商业区之外，剩下3个区域沉积物重金属含量与其有机质含量趋势基本一致，表明有机质对重金属具有较强的络合能力^[32]，重金属以不同形式进入或吸附在有机颗粒上，与有机物络合生成复杂的络合态金属，这种络合态金属绝大多数被固定在沉积物中，较稳定，不易释放^{[33, 34]}，可见管道沉积物重金属含量主要受汇水区域交通状况和沉积物有机物含量影响.

图 5

Fig. 5

图 5 不同功能区4种重金属含量 Fig. 5 Content of four kinds of heavy metals in different functional areas

表 2 (Table 2)

表 2 排水管道沉积物重金属含量及污染指数 Table 2 Content and pollution index of heavy metals in sediment of sewer 项目 总铅/mg·kg-1 总镉/mg·kg-1 总锌/mg·kg-1 总铜/mg·kg-1 内梅罗指数Ⅰ 综合服务区 36.4 2.21 101.2 81.4 6.13 商业区 201.2 2.54 786.4 284.6 8.20 居住区 89.7 2.86 357.2 136.3 8.18 文教区 81.2 1.71 326.5 109.7 5.07 主城区背景值 41 0.27 90 69 — 平均累计指数 2.5 8.6 4.4 2.2 —

表 2 排水管道沉积物重金属含量及污染指数 Table 2 Content and pollution index of heavy metals in sediment of sewer

Pb、Zn与Cu在不同功能区排水管道沉积物的含量分布规律为商业区>居住区>文教区>综合服务区，说明Pb、Zn与Cu污染来源可能一致，主要来自于道路上的汽车.居住区的Cd浓度最高，相关研究显示地下水入渗是Cd的补充来源^[35]，这在一定程度上表明，居住区排水管道的破损状况更为严重.与主城区背景值相比^[17]，Cu、Zn、Pb和Cd的含量分别是背景值的2.2、4.4、2.5、8.6倍，Cd的污染程度最高，其次为Zn，建议优先控制.

表 3对比了昆明与北京^[36]、重庆^[18]两市之间排水管道沉积物重金属含量，可以看出这3座城市排水管道中沉积物的重金属含量存在明显差异，对于Pb，北京与重庆较为接近且高于昆明，这与北京重庆两市的汽车保有量远高于昆明有一定关系；Cd表现为昆明高于北京高于重庆，这表明昆明市老城区管道破损更为严重，存在较多的地下水入渗情况，应当予以重视；Zn和Cu大小关系为：北京远高于昆明与重庆，中国北方城市大气污染普遍严重于南方城市，这是导致北京市重金属污染更为严重的原因之一.总体而言，区域重金属的污染状况主要受城市工业、交通状况和大气降尘的影响，而重庆市管道沉积物总体污染程度低于昆明市，表现出与该市交通工业状况不相符的情况，分析有以下两个原因，一是因为重庆市地形特殊，管网高差较大，污水流速快，重金属悬浮再释放更剧烈^[37]；二是因为重庆市地处我国的重酸雨区，而重金属在酸性情况下更易释放^[38].由此可见区域沉积物重金属污染状况还与该区域的地形和气候条件有关.

表 3 (Table 3)

表 3 不同城市管道沉积物重金属含量对比 Table 3 Content of heavy metals in sewer sediments of different cities 项目 总铅/mg·kg-1 总镉/mg·kg-1 总锌/mg·kg-1 总铜/mg·kg-1 北京 154 1.8 2 079 479 重庆 151 0.77 271 77.5 昆明 101.9 2.3 402.6 152.6

表 3 不同城市管道沉积物重金属含量对比 Table 3 Content of heavy metals in sewer sediments of different cities

(1) 各功能区沉积物粒径空间差异性明显，表现为商业区>文教区>居住区>综合服务区，粒径大小受功能区环境影响；各功能区之间VSS/TSS的关系为居住区>文教区>商业区>综合服务区，与沉积物干密度呈负相关，与含水率呈正相关，且有机质含量与区域废水主要来源密切相关.

(2) 各功能区之间常规污染物含量表现为，COD：居住区>文教区>综合服务区>商业区；TN：居住区>文教区>商业区>综合服务区；TP：居住区>综合服务区>文教区>商业区.除TP受沉积物粒径影响，在综合服务区和商业区之间出现变化以外，各功能区之间常规污染物含量的大小关系基本与功能区之间有机质含量大小关系一致.由支管至主干管，COD、TN无明显规律，TP略有减小.在不同粒径沉积物之间，TN分布无明显规律，而TP更易赋存在小颗粒沉积物上.

(3) 各功能区重金属污染程度为商业区>居住区>综合服务区>文教区；与主城区背景值相比，Cu、Zn、Pb和Cd这4种金属含量分别是背景值的2.2、4.4、2.5和8.6倍，Cd的污染程度最高，其次为Zn，建议优先控制.