城市污水管道沉积负荷计算与分析

俞欣

摘 要：管道沉积物会影响排水管道的排水容量，在溢流排放下会造成水体污染，是目前合流制排水区域河道黑臭的重要原因之一。该文采用管道沉积物沉积负荷模型，结合南京市主城区管网分布数据，计算了主城区三大污水处理系统管网沉积负荷，并对三大污水处理系统沉积负荷差异进行了分析。结果显示，主城区管道COD沉积负荷与COD实际处理量占比为6.72%，其中江心洲污水处理系统因管网结构差、管道密度大，管道COD沉积负荷占比达7.68%。

关键词：污水管网；管道沉积；模型计算

中图分类号 TU992 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）09-83-04

Calculation and Analysis of City Sewage Pipeline Sediment Loads

Yu Xin

（Nanjing Research Institute of Environmental Protection，Nanjing 210013，China）

Abstract：The pipe sediments will affect the drainage capacity of pipeline，and even cause water pollution under the overflow discharge conditions，which is one of the important reasons of black smelly river in the combined sewer area.This paper used the pipeline sediment load model，combined with the pipeline data of Nanjing urban area，calculated the pipeline sediment loads of three sewage treatment system，and then analyzed the differences between them. The results shows that，the ratio of COD pipeline sediment loads of Nanjing urban area to the actual treat capacity reaches 6.72%，while the ratio of Jiangxinzhou sewage treatment system reaches 7.68%，maybe reasons for the worse pipeline structures and higher densities.

Key words：Sewage pipeline；Pipeline sediments；Model calculation

在合流制排水系统中，管网负责城市生活污水、工业废水和雨水的收集及输送，管道沉积物的存在给城市排水系统的管理和运行带来很多问题。一方面管道沉积物的存在降低了排水管道的排水容量，增大了水流阻力；另一方面雨天排水系统溢流排放时，可能将沉积物中积累的大量污染物带入受纳水体。

Ahyerre等[1]的实地研究发现，暴雨事件中高达80%的污染负荷来源于溢流排放带来的管道沉积物。据估计[2]，美国的合流制排水系统中旱流产生的管道沉积物占每天进入管道的固体和污染物总量的5%～30%。在欧洲，排水管道沉积物的沉积速率达到30～50g/（m·d）。李茂英等[3]对北京城区部分排水管道的调研发现，60%的排水管道中存在沉积物，15%的管道中沉积物量较大（沉积物占排水管道容积的比例>15%）。因此，在考虑城市污水管网污染负荷过程中，管道沉积物的沉积和迁移负荷是必须考虑在内的。

目前，我国关于城市排水管道沉积物的研究刚刚起步，缺乏相关模型及实测数据。由于我国排水系统比发达国家情况更加复杂，径流水质更差，排水管道沉积负荷理论上要落后于发达国家。

1 管道沉积物来源及其污染物特性

1.1 沉积物来源 排水管道中沉积物的来源主要有两种途径，一是来自城市不同汇水面的固体颗粒物质随雨水径流的冲刷进入排水管道；二是污水管道中悬浮物质的沉降。

雨水径流中的颗粒物质主要来自屋顶、停车场、路面、绿地等汇水面的降雨冲刷及大气沉降等。Cotham、Bidleman和Hilts的研究[4-5]均发现，大气沉降是城市暴雨径流中有毒有害污染物质的重要来源，也是城市汇水面固体颗粒物质的主要来源。

污水中的固体颗粒物质来源于3个方面：首先是人体排泄物小粒径残渣和有机颗粒物，这是污水管道中沉积物的主要来源；其次是厨房、生活垃圾中的大粒径残渣和有机固体物质；此外还有一些纸、废弃衣物等物体，这类物体虽然不多，但危害极大，很容易造成管道堵塞。

1.2 管道沉积物的构成及性质 管道沉积物的性质受排水区域特征、排水系统类型与结构以及污水性质等因素的影响。合流制排水系统的流量在旱流和雨天时变化很大，沉积物在旱流时沉积，在雨天时被冲刷和迁移。沉积通常发生在旱流以及暴雨过后流量减小时，在管道的特定部位发生的沉积主要是由局部的剪切力、管道结构以及沉积床附近悬浮固体的浓度和性质决定。污水的流量和性质对管道沉积物有重要影响，沉积物因此可能分层或者混合，它们的结构也会因生化反应而变化，因而具有多样性和易变性的特征。

根据管道沉积物的物化性质，Ahyerre等[6]将它们分成底层粗颗粒沉积物（Gross Bed Sediment，GBS）、有机层（Organic Layer，OL）和生物膜（Biofilm）3类。

GBS也被称为Class A物质，位于排水管道的底部，表现出无机特性，呈黑灰色，颗粒物较粗，直径为mL级，在管道沉积物中所占比例最大。OL也被称作Class C物质或近底层固体（Near Bed Solids），覆盖于GBS的上方，由细小颗粒构成，呈棕色，表现出很强的生化特性，冲刷进入自然水体后具有潜在的污染危害。Biofilm通常形成于水面附近的管壁上，当一段时间内沉积床不被干扰时，也会在沉积物的表层形成，是由覆盖在有机质上的微生物层构成。

通过对管道沉积物的分析，不同国家和地区的沉积物表现出相似的性质：沉积量，GBS>OL>Biofilm；沉积物整体呈现出无机特性，GBS表现出无机性，而OL和Biofilm表现出有机性；大多数污染物存在于GBS中，OL和Biofilm中污染物含量很小，但雨天污染的主要来源是OL。

2 管道沉积物沉积负荷模型

排水管道内沉积物及其污染负荷直接决定其对城市水环境的影响和作用。合流制排水管道中沉积物及其污染负荷模型的研究已有一定积累，但由于分流制排水管道中沉积物来源广泛，汇水区域特性变化随机性较强，使分流制排水管道中沉积物污染负荷模型的研究较困难，目前已有来自单一汇水面的沉积物污染负荷的相关研究，尚未见就分流制排水管道中沉积物及其污染负荷模型的系统性研究报道。

合流制排水管道系统中，沉积物一部分来自雨水径流，另一部分来自污水管道，其中污水管道中固体悬浮物是沉积物的主要来源，因此，合流制排水管道沉积物负荷与城市类型、人口数量、自然地理条件、城市功能区构成与分布等因素有关[3]。Pisano和Queiroz在1977年和1984年分别提出Boston与Fitchburg市、Cleveland市的排水管道沉积物负荷模型[7]，见模型1-5。根据模型考虑的参数可分为简化模型和精确模型，简化模型只考虑管长、平均坡度和人均流量3个因素，而精确模型充分考虑管道的平均直径、汇水面积、有沉积物的管道坡度等影响。

Boston和Fitchburg沉积物负荷模型：

简化模型：

[TS=0.0011（L1.1）（S-0.44）（Q-0.51）][R2=0.85] （1）

中位模型：

[TS=0.0013（L1.2）（D0.61）（A-0.18）（S-0.42）（Q-0.51）][R2=0.85] （2）

精确模型：

[TS=0.00073（L0.81）（SPD-0.82）（SPD/4-0.11）（Q-0.51）][R2=0.95] （3）

Cleveland沉积物负荷模型：

简化模型：

[TS=0.0012（L1.1）（S-0.43）（Q-0.54）][R2=0.88] （4）

精确模型：

[TS=0.00017（L0.95）（S-0.32）（SPD-0.52）（SPD/4-0.15）（Q-0.52）][R2=0.94] （5）

式中：

A——排水系统服务面积，arce

D——平均管径，in

L——管道总长，ft

LPD——沉积物量占管道容积80%的管道长，ft

Q——人均流量，含下渗量，gal/人·d

S——管道平均坡度，m/m

SPD——沉积物占管道总容积80%的管道平均坡度，ft/ft

SPD/4——1/4沉积物的量占管道容积低于80%的管道的平均坡度，ft/ft

TS——污水管道沉积负荷，lb/d

以上所有模型的R2值均大于0.85，表明模型值与实测值有良好的拟合度，且两套模型之间的R2值差值小于5%（精确模型小于1%）。但是，考虑到模型中的诸多不确定因素后，精确模型与简化模型之间差距并不大。本研究采用简化模型估算管道沉积物TS负荷。

目前对于排水管道沉积物污染负荷的研究及相关模型较少，Pisano等在研究合流制排水管道沉积物负荷时发现，沉积物有机污染负荷与沉积物之间有着密切关系，他们通过研究最终将BOD5、COD、TKN、NH3、P和VSS等污染物负荷与沉积物负荷建立联系，得出了相应的污染负荷简化模型。其中，COD与TS之间计算模型如下：

[COD=0.875TS1.04][R2=0.74] （6）

3 南京市主城区污水管网沉积物负荷估算

南京市主城区污水管网建设始于解放前，老城区内大量排水管网为合流制，其后随着城市建设的逐步扩大，污水管网建设也逐步完善，目前基本形成了江心州、城东、城北三大污水收集系统。截至2009年底，南京市主城区目前共有各类污水管渠1 046.05km，其中，各类管道总长1 019.55km，管渠总长26.56km，基本覆盖主城区范围。

本文使用简化模型对管道沉积物污染物负荷进行估算，分别以三大污水处理系统收水范围为单独估算区域，以月为最小估算周期。管道长度按照2009年底统计数据，人均流量不考虑下渗量，根据污水处理厂进水量及服务人口进行估算。

污水处理厂收水范围内管道平均坡度数据目前无统计资料，可根据《室外排水设计规范》（GB50014-2006）“条文说明表7常用管径的最小设计坡度（钢筋混凝土管非满流）”中推荐的最小设计坡度值进行估算（表1）。

表1 常用管径的最小设计坡度（钢筋混凝土管非满流）

[管径（mm）＼&最小设计坡度（m/m）＼&400＼&0.0015＼&500＼&0.0012＼&600＼&0.0010＼&800＼&0.0008＼&1000＼&0.0006＼&1200＼&0.0006＼&1400＼&0.0005＼&1500＼&0.0005＼&]

根据不同管径的最小设计坡度值和管网统计数据，依据管道长度计算出加权平均最小设计坡度值，作为估算模型中的平均坡度值。南京市主城区三大污水处理系统各管道平均坡度计算如下（表2）。

表2 管道平均坡度

[污水处理系统＼&管道平均坡度（m/m）＼&江心洲＼&0.001445＼&城东＼&0.001550＼&城北＼&0.001286＼&]

对南京市主城区三大污水处理系统管网沉积物负荷进行估算（表3），结果如下。

表3 污水处理系统污水管道沉积物沉积负荷

[月份＼& 江心洲 ＼& 城东 ＼& 城北 ＼&Q（gpcd）＼&COD（t/m）＼&Q（gpcd）＼&COD（t/m）＼&Q（gpcd）＼&COD（t/m）＼&1＼&85.00＼&288.92＼&78.48＼&97.02＼&90.48 ＼&123.31 ＼&2＼&86.05＼&259.26＼&82.21＼&85.50＼&94.84 ＼&108.64 ＼&3＼&88.56＼&282.70＼&91.13＼&89.63＼&98.66 ＼&117.78 ＼&4＼&87.89＼&274.68＼&95.11＼&84.79＼&103.75 ＼&110.98 ＼&5＼&86.06＼&287.02＼&93.20＼&88.56＼&101.19 ＼&116.21 ＼&6＼&89.23＼&272.49＼&97.49＼&83.69＼&103.79 ＼&110.96 ＼&7＼&87.37＼&284.73＼&105.22＼&83.05＼&100.92 ＼&116.38 ＼&8＼&88.73＼&282.41＼&108.77＼&81.60＼&101.52 ＼&116.01 ＼&9＼&88.46＼&273.74＼&109.35＼&78.74＼&102.18 ＼&111.89 ＼&10＼&88.42＼&282.93＼&109.72＼&81.22＼&96.95 ＼&118.88 ＼&11＼&88.39＼&273.86＼&108.32＼&79.14＼&94.62 ＼&116.54 ＼&12＼&88.39＼&282.98＼&107.60＼&82.07＼&93.20 ＼&121.39 ＼&全年＼&＼&3345.73＼&＼&1015.00＼&＼&1388.98＼&]

由上表中估算结果可知，2009年度南京市主城区内管道COD沉积负荷为5749.71t，占全年主城区COD产生量的4.66%，占全年主城区COD实际处理量的6.72%（图1）。

[16

14

12

10

8

6

4

2

0][占比（%）][1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12][月份][江心洲][城东][城北]

图1 南京市主城区管网沉积负荷占比

从3个污水处理系统自身而看，城东污水处理系统管道COD沉积负荷与处理量的占比介于4.81%～7.64%之间，年均为5.71%；城北污水处理系统管道COD沉积负荷与处理量的占比介于5.28%～6.96%之间，年均为5.77%。城东与城北的管道COD沉积负荷占比基本相当，城东占比的波动略大。

江心洲污水处理系统管道COD沉积负荷与处理量的占比介于6.80%～13.65%之间，年均值为7.68%。江心洲的管道COD沉积负荷无论是波动幅度、绝对值均显著高于城北和城东。

美国的合流制排水系统中旱流产生的管道沉积物占每天进入管道的固体和污染物总量的5%～30%；欧洲管道沉积物的沉积速率达到30～50g/（m·d）。本次估算结果比美国及欧洲水平偏低，但无量级差异，总体上可信。

管道COD沉积负荷的差异主要体现在管网管径构成上，3个污水处理系统管网管径构成对比如下。

在估算结果的基础上，本文对南京市主城区三大污水处理系统管道沉积负荷分别进行了对比，并结合各自管网管径分布及管道密度分布进行了分析，江心洲污水处理系统污水管网管径分布相对不合理、管道密度最大，是造成其管道沉积负荷占比最大的原因。

在暴雨时，合流制管道内的管道沉积物会被大流量的混合污水带走，从而形成冲刷污染[8]。在目前主城区管道仍以合流制为主的情况下，管道沉积物冲刷负荷与河道黑臭污染有着密不可分的关系。目前关于此类模型研究一般都是与地表径流的冲刷负荷合并估算，没有引起足够重视，今后应该在完善管道沉积负荷研究的基础上进一步加强管道沉积物冲刷负荷的研究。

参考文献

[1]M.Ahyerre，G.Chebbo，B.Tassin，et.Storm water quality modelling，an ambitious objective[J].Water Science and Technology，1998，37（1）：205-213.

[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）：15-27.

[3] 李茂英，李海燕.城市排水管道中沉积物及其污染研究进展.给水排水，2008，34：87-92.

[4]Cotham W，Bidlenlan T.Polycyclic aromatic hydmcarbons and polychlorinated biphenyls in air at an urban and rural site near lake Michigan[J].Environ Sci&Technol，1995，29：2782-2789.

[5] HiltsP.Fine particles in air caused many deaths，study suggests.The NewYork Times，May 9，1996.

[6]Ahyerre M，Chebbo G，Saad M.Sources and erosion oforganic solids in a combined sewer[J].Urban Water，2000，2（4）：305-315.

[7]Pisano W C，Queioz C S.Procedures for estimating dry weather pollutant deposition in sewerage systems.EPA Report，600/2-84/020，NTIS PB84141480，US EPA，Municipal Environmental Research Laboratory，Cincinnati，OH，1977.

[8]王和意，刘敏，刘巧梅，等.城市暴雨径流初始冲刷效应和径流污染管理[J].水科学进展，2006，17（2）：181-185.

（责编：张长青）