环境科学  2018, Vol. 39 Issue (8): 3696-3703   PDF    
引用本文
尚宇, 周毅, 廖安意, 方正. 雨水管道沉积物沉淀特性及主要污染物含量分布[J]. 环境科学, 2018, 39(8): 3696-3703.
SHANG Yu, ZHOU Yi, LIAO An-yi, FANG Zheng. Sedimentation Characteristics and Pollutant Content Distribution of Storm Drainage Sediments[J]. Environmental Science, 2018, 39(8): 3696-3703.
雨水管道沉积物沉淀特性及主要污染物含量分布
尚宇1,2, 周毅1,2, 廖安意1,2, 方正1,2     
1. 武汉大学土木建筑工程学院, 武汉 430072;
2. 湖北省城市综合防灾与消防救援工程技术研究中心, 武汉 430072
收稿日期: 2017-09-10; 修订日期: 2018-01-30
基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项（2014ZX07104-005）；广东省水利科技创新项目（2017-33）
作者简介: 尚宇(1993~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为城市给排水系统, E-mail:yshang@whu.edu.cn
通信作者: 周毅, E-mail:yzhou@whu.edu.cn
摘要: 为研究雨水管道沉积物的沉淀特性和污染物含量特征，在武汉市对建筑（包括住宅小区）、道路和绿地3种用地类型的雨水管道沉积物进行采样和分析.沉速测试结果表明，高沉速颗粒在沉积物中所占比例较大，建筑和道路中沉积物的沉速分布相对稳定，建筑、道路和绿地中沉速大于3.00 cm·s-1的颗粒占比依次递减.粒径分析结果显示，沉积物粒径分布范围较广，大多集中在13~628 μm范围内，且同种用地类型沉积物粒径分布差别很大.按沉降速度将每份沉积物样品分为7组，分析化学需氧量（COD）、总氮（TN）和总磷（TP）含量与沉降速度之间的联系.结果表明，沉速大于3.00 cm·s-1和小于0.025 cm·s-1的沉积物中污染物含量较低，但高沉速沉积物中污染物总量较多.对沉积物样品整体而言，各用地类型COD含量从高到低依次为：绿地>道路>建筑；道路雨水管道沉积物中氮含量较低，其余两种用地中含量接近；建筑区雨水管道沉积物中磷含量较高，其余两种用地中含量接近；COD：TN在（51~89）：1之间，COD：TP的值在（102~186）：1之间.
关键词: 雨水管道      沉积物      沉降速度      粒径分布      污染物含量     
Sedimentation Characteristics and Pollutant Content Distribution of Storm Drainage Sediments
SHANG Yu1,2 , ZHOU Yi1,2 , LIAO An-yi1,2 , FANG Zheng1,2     
1. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China;
2. Engineering Research Center of Urban Disasters Prevention and Fire Rescue Technology of Hubei Province, Wuhan 430072, China
Abstract: To determine the characteristics of precipitation and pollutant content in storm drainage sediments, samples of sediment from building areas (including residential areas), roads, and green spaces in Wuhan were collected and analyzed. The settling velocity results show that particles with high settling velocity weight occupied a larger proportion in the sediment; the settling velocity distribution of sediments in building areas and roads was more stable than that in green spaces; and the proportion of particles with settling velocity over 3.00 cm·s-1 in building areas, roads, and green spaces decreased in turn. The particle size distribution indicated sediment size had a wide variation range, with most particles concentrated in the range 13-628 μm, and that the particle size distribution in sediment from the same land type could differ greatly. Each sample was divided into seven groups according to settling velocity. The contents of chemical oxygen demand (COD), total nitrogen (TN), and total phosphorus (TP) were tested. The results indicate that pollutant contents in groups containing particles with settling velocity over 3.00 cm·s-1 or below 0.025 cm·s-1 were lower than those in other groups. Most pollutants were concentrated in particles with high settling velocity.The COD concentration declined in green spaces, roads, and building areas, in turn, for most cases. The nitrogen content in the drainage sediment of roads was lower than those in the two other kinds of land, whereas the phosphorus content in the drainage sediment of building areas was higher than those in the two other kinds of land. In the storm drainage sediment, the ratio of COD:TN was between (51-89):1 and that of COD:TP was between (102-186):1.
Key words: storm sewer      drainage sediments      settling velocity      particle size distribution      pollutant content     

目前雨水管道主要通过控制最小流速防止沉积[1~3], 但实际上管道中流速常常低于设计最小流速, 导致管道中普遍存在沉积物[4, 5].北京建筑工程学院对北京部分雨水管道淤积情况的调研表明[6], 接近80%的雨水管道存在沉积物淤积, 张伟等[7]对广州典型排水区域的调研发现, 一半以上的排水管道存在沉积物淤积, 且分流制雨水管道更加严重.一方面, 管道中的沉积物将降低管道的排水能力, 是城市内涝的主要诱因之一[8]; 另一方面, 以沉积物的形式滞留在管网系统中的污染物[9], 在降雨发生时被冲刷进入水体将造成面源污染[10~13].研究发现雨水管道沉积物对管道出流污染贡献显著, 在城市地区是直接、主要的面源污染源[14, 15].近年的研究表明, 雨水管道沉积物中的污染物含量与管道汇水区域的用地类型[16]、颗粒粒径和沉降速度[17~19]有关.

当前对排水管道沉积物的研究偏重污水与合流制管道, 对分流制雨水管道关注相对较少.但实际上, 控制雨水管道中的沉积物对调蓄池、泵站前池等构筑物的管理维护[20]和减少城市面源污染具有重要意义.本研究采集典型城市下垫面的雨水管道沉积物样品, 测试其沉降速度、颗粒粒径和主要污染物(COD、TN、TP)含量, 探索其沉淀特性和污染物含量分布.研究不同下垫面管道沉积物沉淀特性, 可以为雨水管道沉积物的控制提供参考; 研究污染物含量与沉淀特性之间的关系, 则可以评估控制沉积物对径流污染削减的贡献大小.本研究成果可以在一定程度上揭示管渠沉积物随水流移动和城市面源污染的发生机制.

1 材料与方法 1.1 样品采集

将武汉大学附近下垫面归为建筑(包括住宅小区)、道路和绿地, 在每种下垫面内随机选择分流制雨水管道检查井取样(取样点如图 1所示), 若取样点交通繁忙或其他原因无法取样, 则选择就近雨水口替代.取样点尽量位于上游, 避免混接错接影响[21], 最终获得沉积物样品25个.

图 1 取样点分布情况 Fig. 1 Distribution of sampling points

将采集到的样品自然风干、手工研磨粉碎(将黏结的颗粒分散, 尽可能保持颗粒原有形态), 拣除样品中的杂物, 装入塑料样品瓶中密封保存.

1.2 测试方法

沉积物样品粒径使用激光粒度仪测试.沉降速度采用清水沉淀法[22]分析, 实验使用的粒径计长1 900 mm, 内径42 mm, 沉降距离1 800 mm, 容积约2.5 L, 在第1、3、10、30、60和120 min分别更换接沙杯, 将每个样品按沉降速度分为7组(沉降速度与沉淀时间的对应关系见表 1), 7组沉积物的质量按沉速降序分别记为m1、m2、m3、m4、m5、m6、m7; 污染物含量(以质量分数表示)记为ω1、ω2、ω3、ω4、ω5、ω6、ω7.

表 1 实验中沉积物沉降速度与沉淀时间转换关系 Table 1 Relationship between sedimentation velocity and precipitation time

第1~6组沉积物的质量采用烘干称重的方式测试, 第7组收集对象为沉淀结束时悬浊液中的固体物质, 其质量通过如下方法间接测试：

清水沉淀实验结束后, 将粒径计中的悬浊液搅匀取样, 记录体积后过滤, 滤渣烘干后称重, 按式(1)计算出第7组沉积物颗粒总质量(m7).

(1)

式中, m′为清水沉淀结束时所取水样中滤渣的质量(g), V′为清水沉淀结束时所取的水样体积(L), V为粒径计的容积(2.5 L).

研究污染物含量与沉降速度的关系时, 根据清水沉淀实验的分组结果, 测试各样品每一沉速分组中化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)的质量分数.同时计算各沉速分组含有污染物的量占样品污染物总量的比例.其中, COD用重铬酸钾法测试; TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测试; TP采用钼锑抗显色法进行测试.第1~6组直接对干燥后的沉积物固体测试, 第7组按以下方法间接测试：

测试悬浊液中污染物浓度和滤液中的污染物浓度, 如式(2)所示, 二者之差即为不可溶污染物在悬浊液中的浓度.

(2)

式中, ω7为清水沉淀结束时未沉淀颗粒中的污染物质量分数(%), c悬为清水沉淀结束时悬浊液的污染物质量浓度(mg·L-1), c溶为清水沉淀结束时滤液中的污染物质量浓度(mg·L-1).

1.3 数据处理方法

(1) 各沉降速度分组沉积物质量分数

根据清水沉淀的结果, 将各沉速分组的样品烘干至恒重, 各沉降速度分组的质量分数可以按照公式(3)计算.

(3)

式中, ω′i为第i组沉积物所占样品总质量的质量分数(%), mi为第i组沉积物的质量(g).

(2) 各组污染物在样品污染物总量中的占比

各沉降速度分组中污染物占样品污染物总量的百分比可以按照公式(4)计算.

(4)

式中, 为第i组沉积物中污染物占样品污染物总量的质量分数(%).

溶解于水中的污染物占样品污染物总量的质量分数按公式(5)计算.

(5)

式中, P溶为溶解于水中的污染物占样品污染物总量的质量分数(%).

(3) 各取样点数据的统计特征

对各样品的沉淀特性和污染物含量, 采用平均值、中位数和变差系数描述各下垫面样品的统计特征.变差系数是数据标准差与平均值的比值, 描述数据的相对离散程度.

2 结果与讨论 2.1 沉积物沉降速度分布

图 2展现的是各沉速分组的平均质量分数及各取样点间的标准差, 表 2展现了各沉速分组中沉积物质量分数的平均值和变差系数.

图 2 各用地类型下雨水管道沉积物质量随沉降速度的分布 Fig. 2 Sedimentation velocity distribution in sewer sediments

表 2 沉积物沉降速度分布统计特征 Table 2 Statistical characteristics of sediment velocity distribution

分析表 2、图 2中的数据, 可以得出以下结论.

(1) 3种用地类型中, 沉速大的颗粒所占比例较大.例如：沉速>1.00 cm·s-1的颗粒所占的质量分数均值分别为74.1%、72.5%、62.1%.

(2) 建筑、道路和绿地雨水管道沉积物中沉速大于3.00 cm·s-1的颗粒平均质量分数依次递减.这可能是由于绿地中管道沉积物以土壤为主, 颗粒相对细小, 而建筑、道路下垫面的无机砂粒较多, 颗粒较大.

(3) 对比沉速大于0.3 cm·s-1颗粒平均质量分数的变差系数可知：建筑和道路雨水管道沉积物沉降速度分布比较稳定, 而绿地中不同取样点间沉积物质沉降速度分布变化较大.这可能是由于绿地覆盖的地表更接近于天然的条件, 沉积物颗粒来源相对广泛, 沉速变化较大; 而在建筑和道路中, 沉积物颗粒来源比较单一, 沉速分布相对稳定.

不同用地类型沉积物质量随沉速的分布情况如图 3所示.利用其中数据, 可以评估沉砂构筑物的去除效果.例如, 根据《室外排水设计规范》(GB 50014-2006), 沉砂池能够去除相对密度2.65, 粒径0.2 mm的沉积物, 按照沙玉清过渡区沉速公式[22], 这种沉积物的沉降速度为2.43 cm·s-1(图 3中虚线).可以看出, 沉砂池大约能够去除45%绿地、道路和建筑区雨水管道沉积物的45%、60%和65%.按照《城镇雨水调蓄工程技术规范》(GB 51174-2017), 没有条件采用数学模型确定参数且无实验资料时, 起沉砂作用的通过池表面水力负荷最小为1.5 m3·(m2·h)-1, 按此计算的设计沉淀速度为0.042 cm·s-1(图中点划线), 可以认为有超过95%的沉积物颗粒能够在通过池中沉淀.

图 3 沉积物质量随沉降速度的分布 Fig. 3 Distribution of sediment mass with settlement velocity

2.2 沉积物粒径分布

颗粒粒径是管道沉积物的重要沉淀特性, 也是当前对管道沉积情况模拟的重要参数[23], 对揭示管道中沉积物冲刷和沉积规律具有重要意义.各用地类型沉积物样品代表粒径如表 3所示.

表 3 不同用地类型雨水管道沉积物样品的代表粒径/μm Table 3 Representative diameters of sewer sediments/μm

沉积物D50平均值从大到小为：建筑>道路>绿地, 中位数从大到小为：道路>建筑>绿地, 可以认为建筑区和道路雨水管道沉积物的粒径较大, 绿地较小.大多数沉积物样品粒径在13~628 μm(所有沉积物样品D10和D90的中位数)范围内.代表粒径的变差系数：建筑>道路>绿地, 绿地中沉积物的特征粒径比较稳定.

2.3 雨水管道沉积物中污染物含量 2.3.1 污染物含量

探究污染物在不同沉速颗粒中的分布规律, 有可能实现通过去除一定沉降速度沉积物的方式较为高效地去除某种特定污染物, 或者根据沉积物样品沉降速度的测试, 快捷地对其污染情况进行初步判断, 对城市面源污染的控制工作有一定的参考价值.

对各用地类型不同沉速的沉积物样品中COD、TN和TP的质量分数做箱型图(其中箱型从上到下分别表示各分组污染物质量分数的最大值、75%分位值、50%分位值、25%分位值和最小值), 如图 4~6.

图 4 不同沉降速度沉积物中COD的质量分数 Fig. 4 COD contents in sediments at different settling velocities

图 5 不同沉降速度沉积物中TN的质量分数 Fig. 5 TN contents in sediments at different settling velocities

图 6 不同沉降速度沉积物TP质量分数 Fig. 6 TP contents in sediments at different settling velocities

从图 4~6可以得出以下结论.

(1) 各下垫面沉积物COD、TN和TP的质量分数均值, 基本呈现“两头低、中间高”的趋势.即：沉速大于3.00 cm·s-1或小于0.025 cm·s-1的颗粒中污染物的质量分数较低, 其余沉速分组颗粒中污染物的质量分数较高.

(2) 道路管道沉积物中COD、TN和TP的质量分数在0.025~0.10 cm·s-1的沉速区间中较高; 建筑、绿地管渠沉积物中COD、TN和TP的质量分数在0.025~1.00 cm·s-1的沉速范围内都较高.

(3) 每种下垫面的沉积物中各类污染物质量分数的分布区间(最大、最小值之差)较大, 但是多数情况下, 污染物质量分数的中位数偏向最小值.

2.3.2 污染物分布的统计特征

图 7~9是各沉降速度分组沉积物中的COD、TN和TP在样品总量中所占的质量分数平均值的柱状图.

图 7 各沉降速度分组沉积物中的COD在样品总量中的占比 Fig. 7 Distribution of COD in different settling velocity groups

图 8 各沉降速度分组沉积物中的TN在样品总量中的占比 Fig. 8 Distribution of TN in different settling velocity groups

图 9 各沉降速度分组沉积物中的TP在样品总量中的占比 Fig. 9 Distribution of TP in different settling velocity groups

从图 7~9可以得出以下结论.

(1) 管道沉积物中的污染物(COD、TN和TP)能溶于水的部分非常少, 平均占比小于总量的3%.可以认为雨水管道沉积物中能溶于水的污染物, 大部分已经随水流失[24].

(2) 沉积物中的污染物, 大部分存在于沉降速度较高的组分中.以沉速>0.10 cm·s-1的颗粒为例(如表 4), COD的84.3%以上、TN的77.9%以上、TP的83.5%以上存在于沉降速度大于0.1 cm·s-1的组分中.这些颗粒不仅在质量上占多数, 在污染物总量上也占多数.虽然各组的质量分数与污染物含量共同决定了该组污染物占总量的比例, 但是质量分数的影响更显著.比较变差系数可以发现：以0.10 cm·s-1为界, 高于该沉速的颗粒污染物变差系数在0.03~0.17之间, 低于该沉速的颗粒相应的变差系数在0.17~0.59之间, 沉积物主体部分的污染物百分比分布更稳定.

表 4 以0.10 cm·s-1为界雨水管道沉积物污染物含量统计特征 Table 4 Statistical characteristics of pollutant contents in storm drainage sediments with 0.10 cm·s-1 as the boundary

2.3.3 沉积物样品整体污染物含量及比例

管道沉积物中COD、TN和TP的质量分数以及各下垫面雨水管道沉积物COD、TN和TP的比例关系, 如表 5所示.

表 5 不同用地类型管道沉积物中污染物质量分数及比例关系 Table 5 Concentration and proportion of pollutants in sewer sediments of different land use types

由表 5可知, 不同用地类型雨水管道沉积物中污染物的质量分数不同. ①COD：绿地>道路>建筑, 这可能是由于绿地中植被丰富, 沉积物中含有较多腐殖质. ②TN：道路雨水管道沉积物中TN的质量分数较低, 其余两种用地的沉积物中TN的质量分数接近.这可能是由于道路周围绿化相对少, 被雨水冲刷的含氮物质有限. ③TP：建筑区雨水管道沉积物中TP的质量分数较高, 其余两种用地的沉积物中TP的质量分数接近.这可能是由于建筑区人类活动较多, 部分住户随意倾倒污水、含磷生活垃圾受雨水冲刷等因素导致的.

各用地类型的沉积物中, COD:TN在(51~89):1之间, 与杨云安的研究结果接近[25], 但COD:TP的值在(102~186):1之间, 与杨云安等人的研究结果相差较大, 表明C/P的地域变化比较明显, 在研究中应当引起注意.

3 结论

(1) 在研究的3种用地类型中, 沉速大的颗粒所占比例较大; 建筑、道路和绿地中沉速大于3.00 cm·s-1的颗粒物占比均值依次递减; 建筑和道路下雨水管道沉积物沉降速度的分布, 在不同取样点之间的差异不大, 而同属于绿地的不同取样点, 差异较大.

(2) 雨水管道沉积物粒径分布范围较广, D10和D90可能相差数十倍; 同类下垫面的不同取样点粒径分布集中程度和分布范围往往差别较大; 多数沉积物样品粒径在13~628 μm之间; 建筑和道路沉积物粒径比绿地大.

(3) 每种下垫面的雨水管道沉积物中COD、TN和TP的平均质量分数, 基本上是沉速大于3.00 cm·s-1或小于0.025 cm·s-1的颗粒中污染物质量分数相对低, 其余沉速分组较高; 道路雨水管道沉积物的COD、TN和TP在0.025~0.10 cm·s-1的沉速区间中比较集中; 建筑、绿地中沉积物COD、TN和TP在0.025~1.00 cm·s-1的沉速区间中在沉积物中的质量比都比较高.污染物质量分数的变化范围较大, 且中位数一般都偏向最小值.

(4) 高沉速的沉积物中含有较多的污染物, 且这些颗粒的污染物含量在样品污染物总量中的占比相对稳定.根据测试结果, 雨水管道沉积物中的污染物能溶于水的量很少, 平均占比低于总量的3%.

(5) 各用地类型中COD含量从高到低依次为：绿地>道路>建筑; 道路雨水管道沉积物中氮含量较低, 其余两种用地中含量接近; 建筑区雨水管道沉积物中磷含量较高, 其余两种用地中含量接近; COD:TN在(51~89):1之间, COD:TP的值在(102~186):1之间.

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