（环境工程专业论文）城市雨水管道沉积物污染负荷及其冲刷规律研究.pdf

项目资助 国家“十一五”科技支撑计划课题“农村住宅污染物处置与排放标 准研究( 2 0 0 8 b a j 0 8 8 1 3 0 4 ) ” 水体污染控制与治理科技重大专项课题“廊坊市非常规水源城市景 观水系利用技术集成与综合示范( 2 0 0 8 z x 0 7 314 0 0 7 ) 北京建筑工程学院硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 学位论文作者签字： ， ( 乞釜j 妄夸 v 日期：加，1 年 月循 北京建筑工程学院硕士学位论文使用授权书 本人同意将所著硕士学位论文城市雨水管道沉积物污染负荷及其冲刷规律研 究著作权中的数字化制品复制权、信息网络传播权和汇编权授权北京建筑工程学 院研究生处行使。上述授权的范围包括：北京建筑工程学院自己使用或委托他人使 用。 本人保证为该论文作者，依法享有著作权，并愿承担因著作权问题引起的责任。 北京建筑工程学院须依照我国著作权法的有关规定，充分尊重本人享有的著作权权 利( 包括获酬权) 。 本授权有效期5 年。 作者联系方式： 地址： 电话： 手机： 做作者c 签靴辆p 年硐钼 邮编： 传真： 北京建筑工程学院硕士学位论文 摘要 当前世界各地的城市排水管道几乎都存在程度不一的泥沙沉积现象。淤积的沉积物 不仅会造成管道腐蚀、水流输送能力的降低，而且在雨水径流的冲刷作用下，其中赋存 的污染物会释放进入城市水体，对受纳水体的水环境构成威胁。随着点源污染治理程度 的提高，非点源污染对水体的污染负荷贡献比例逐年增加，排水管道是雨水径流进入水 体的主要途径，排水管道沉积物中污染物的径流冲刷释放是水体非点源污染负荷的重要 组成部分，因此，明确管道沉积物的冲刷释放规律，控制其中污染物的冲刷释放是改善 城市水体污染的重要方面。 本研究以北京城区典型排水管道( 雨水管道) 中的沉积物为研究对象，通过现场调 研雨水管道，明确雨水管道沉积物沉积状况；实测降雨时雨水管道径流水量水质，估算 次降雨条件下沉积物冲刷释放污染负荷；模型模拟管道沉积物在人工制作的模拟管道中 的冲刷释放情况；同时结合沉积物物理性质和沉积物颗粒传输原理，提出适合控制管道 沉积物的雨水管道设计的研究方法。 本研究得出主要结论见下： ( 1 ) 所研究雨水管道雨季径流中污染物的浓度远高于地表水环境质量标准 ( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中v 类水质标准，直接排放进入城市水体会造成严重的水体污染；采 用浓度法计算次降雨污染负荷8 4 m 雨水管道中沉积物在次降雨径流冲刷下( 降雨量 2 2 m m ) ，其管道沉积物污染负荷贡献率分别为：c o d e r1 2 3 5 ，s s0 9 2 ，t n1 5 ， t p1 5 ；2 9 5 m 雨水管道中沉积物在次降雨径流冲刷下( 降雨量2 6 m m ) ，其管道沉积 物污染负荷贡献率分别为：c o d 盯3 3 7 8 ，s s3 1 8 9 ，t n2 3 1 2 ，t p3 0 0 1 。 ( 2 ) 不同管道沉积物的物理性质( 含水率、密度、比重和有机质含量) 存在差异， 其原因主要与管道沉积物的来源和管道自身的腐蚀有关；沉积物床为混合粒径颗粒物组 成，小颗粒在低剪切力( 低水流速度) 下首先开始运动；随着表层小颗粒都被水流冲刷 悬浮随带走，之后，随着水流剪切力的增大( 流速增大) ，较大颗粒物也被冲刷悬浮带 走；进而又出现下层混合颗粒物，首先小颗粒在水流冲刷条件下，之后出现大颗粒被冲 刷，如此反复，直至沉积物床颗粒物全部都被水流冲刷带走。如果开始时水流速度过大， 则径流中将可能不出现峰值粒径。 ( 3 ) 沉积物颗粒在排水管道中运动可分三个阶段：挟带、传输和沉淀；沉积物颗 粒在排水管道内的运动形式分为以悬移质和推移质两种运动形式，同等条件下沉积物颗 粒以推移质运动所需的水流速度小于其以悬移质的运动所需的水流速度；沉积床表面颗 北京建筑工程学院硕士学位论文 粒的侵蚀与沉积物床的c o l e b r o o k - w h i t e 粗糙度、水流最小剪切力有关；c o l e b r o o k - w h i t e 粗糙度越大、剪切力越小，沉积物颗粒越容易发生侵蚀； ( 4 ) 实测北京市区雨水管道、廊坊市区雨水管道和合流制管道中沉积物传输浓度 ( 以s s 计) 、粒度分布和管道沉积物的比重，提出基于沉积物传输原理的排水管道设计。 由于降雨径流测试的困难，测定的降雨次数还比较少，如果推广基于沉积物传输原理的 排水管道设计方法还需大量的实测降雨条件下的排水管道径流等。从而，控制管道沉积 物的沉积和降低排水管道建设运行总费用。 关键词：管道沉积物；污染负荷；沉积物侵蚀传输；粒径；排水管道设计 i i 北京建筑= 程学院硕士学位论文 a b s t r a c t a c c u m u l a t i o no fs o l i d si ns t o r ms e w e r sr e s u l ti nal o s so ff l o w - c a r r y i n gc a p a c i t yt h a t m a yr e s t r i c t b l o c kf l o wa n dc a u s ea nu p s t r e a ms u r c h a r g e ，l o c a lf l o o d i n g ，a n de n h a n c e ds o l i d s d e p o s i t i o n s e w e r - s o l i da c c u m u l a t i o ni nu r b a nd r a i n a g es y s t e m sa l s oc r e a t e ss e p t i cc o n d i t i o n s t h a tp o s eo d o r , h e a l t hh a z a r d s ，a n dc o r r o s i o np r o b l e m s s e w e rs e d i m e n td e p o s i t e df r o mp r i o r s t o r m sc o n t r i b u t e das i g n i f i c a n ta m o u n to fp o l l u t a n t si n t or e c e i v i n gw a t e r s t h e r e f o r e ，t h ec l e a re r o s i o no fs e d i m e n t sr e l e a s e so fp i p e s ，c o n t r o lo fw h i c hi s t o i m p r o v et h er e l e a s eo fp o l l u t a n t si nt h ec i t ya ni m p o r t a n ta s p e c to fw a t e rp o l l u t i o n i nt h i ss t u d y , b e i j i n gs e w e rm a i np o l l u t a n t si ns e d i m e n t so ft h es t u d y , t h r o u g hf i e l d r e s e a r c hr a i n w a t e rp i p e s ，r a i n w a t e rp i p e sc l e a rd e p o s i t i o no fs e d i m e n t s m e a s u r e dr a i n f a l lr u n o f fq u a n t i t ya n dq u a l i t yo fs t o r m w a t e rp i p e st oe s t i m a t es e d i m e n t e r o s i o nu n d e rr a i n f a l lc o n d i t i o n s ，t h er e l e a s eo fp o l l u t i o nl o a dt os i m u l a t et h er e l e a s eo f s e d i m e n te r o s i o ni nt h es i m u l a t i o np i p e l i n e ；c o m b i n a t i o no fp h y s i c a lp r o p e r t i e so fs e d i m e n t c h a r a c t e r i s t i c sa n ds e d i m e n tt r a n s p o r tf o r m u l a , p u tf o r w a r df o rs e w e rd e s i g nf l o wr a t e r e c o m m e n d e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r eb e l o w ： ( 1 ) m r u n o f f o fr a i nw a t e rp i p e si sm u c hh i g h e rt h a nt h ec o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t si n s u r f a c ew a t e rq u a l i t ys t a n d a r d ( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) i nt h evw a t e rq u a l i t ys t a n d a r d ，t h ed i r e c t d i s c h a r g e i n t ot h ec i t yc a u s e ds e r i o u sp o l l u t i o nt ow a t e rb o d i e s c a l c u l a t e du s i n gt h e c o n c e n t r a t i o no fr a i n f a l li nt h es t o r ms e w e rp o l l u t i o nl o a d s8 4 mr u n o f fs e d i m e n te r o s i o ni n t h es u b ，i t sc o n t r i b u t i o nr a t eo f p o l l u t a n t sa r e ：t n1 5 ，t p1 5 ，s s0 9 2 ，c o d e r1 2 3 5 ； 2 9 5 mw a t e rp i p e l i n es e d i m e n te r o s i o nw e r er e l e a s e dc o n t r i b u t i o n s ：c o d e r 3 3 7 8 ，s s 3 1 8 9 ，口3 0 0 1 ，t n2 3 1 2 。 ( 2 ) t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fd i f f e r e n tc h a n n e l ss e d i m e n t ( m o i s t u r ec o n t e n t ，d e n s i t y , s p e c i f i cg r a v i t y , a n do r g a n i cm a t t e rc o n t e n t ) t h e r ea r ed i f f e r e n c e s ，m a i n l yd u et op i p e sa n d p i p es e d i m e n ts o u r c e sr e l a t e dt ot h e i ro w n c o n d i t i o n s m i x e d s i z es e d i m e n tb e dc o m p o s e do f p a r t i c u l a t em a t t e r , f r e ep a r t i c l e si nt h el o ws h e a r ( 1 0 wf l o wv e l o c i t y ) ，t h em o v e m e n tf i r s t b e g a n ；a st h es u r f a c eo ff i n ep a r t i c l e sa r es u s p e n d e di nf l o w 、析t ht h ea w a y , a n dw i t ht h e i n c r e a s eo fs h e a rf l o w , t h el a r g e rs u s p e n d e dp a r t i c l e sa r ea l s ow a s h e da w a y ；i nt u r n , l o w e r h y b r i dp a r t i c l e sa p p e a r , t h ef i r s te r o s i o no ff m ep a r t i c l e si nt h ef l o wc o n d i t i o n s ，a f t e rt h eb i g p a r t i c l e sa r ew a s h e d ，s e d i m e n te r o s i o nr e p e a t i n gt h ea b o v ep r o c e s s ，u n t i lt h ed e p o s i t i o no f b e d sh a v eb e e nw a s h e d i ft h ew a t e rv e l o c i t yi st o ol a r g e ，a n ds e d i m e n tp a r t i c l es i z ei sn o t l a r g e ，t h es i z eo ft h ep e a kr u n o f fw i l ln o to c c u r ( 3 ) s e w e rs e d i m e n tp a r t i c l e sm o v i n gi nt h ef o r mo ft h r e es t a g e s ：s m u g g l e ，t r a n s p o r ta n d p r e c i p i t a t i o n d r a i n a g ec h a n n e ls e d i m e n t si nt h ef o r mo fe x e r c i s ei n t ot h es u s p e n d e dl o a da n d b e dl o a dm o v e m e n ti nt h ef o r mo ft w ou n d e rt h es a m ec o n d i t i o n so fb e ds e d i m e n tp a r t i c l e st o t h e r e q u i r e ds p e e di s l e s st h a nt h em o v e m e n tt om o v e m e n ti nt h ef o r mo fs u s p e n d e d i l l 北京建筑工程学院硕士学位论文 i 皇皇暑i i | 置i i i 宣置嗣暑审| i i i i 叠i i i ；宣暑暑暑i 暑| 置i i i i i ；暑暑暑昌i 置暑暑置暑暑宣i 宣一 l o a d e r o s i o no fb e ds u r f a c es e d i m e n td e p o s i t i o na n ds e d i m e n t - b e ds e d i m e n t so ft h e c o l e b r o o k w h i t er o u g h n e s sa n dt h em i n i m u ms h e a rs t r e s sr e l a t e d 。c o l e b r o o k o w l l i t e r o u g h n e s sa n ds h e a rt h eg r e a t e rt h es m a l l e r , m o l ev u l n e r a b l et oe r o s i o no fs e d i m e n t a r y p a r t i c l e s ( 4 ) m e a s u r e m e n to fr a i n w a t e rp i p e s ，b e i j i n g ，l a n g f a n gc i t yw a t e rp i p e sa n dt h eo v e r f l o w o fs e d i m e n tt r a n s p o r tc o m b i n e dc o n c e n t r a t i o n ( s s ) ，s e d i m e n tp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o na n d t h ep r o p o r t i o no fc h a n n e l s ，s e d i m e n tt r a n s p o r tb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fp r o p o s e ds e w e r d e s i g n d i m c u l tt o t e s tb e c a u s eo fr a i n f a l lr u n o f f , r a i n f a l lm e a s u r e dt h en u m b e ri ss t i l l r e l a t i v e l ys m a l l ，i ft h ep r o m o t i o no fs e d i m e n tt r a n s p o r tb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fd e s i g n m e t h o d sn e e dt od r a i nal a r g en u m b e ro fm e a s u r e dr a i n f a l lr u n o f fd r a i n s t h u so b t a i n e dc a l l a l s or e d u c es e d i m e n tc o n t r o lp i p ed r a i n st h et o t a lc o s to fc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n k e yw o r d s ：s e w e rs e d i m e n t ；p o l l u t i o nl o a d ；s e d i m e n te r o s i o n t r a n s p o r t ；s i z e ；s e w e r s d e s i g n i v 北京建筑工程学院硕士学位论文 目录 北京建筑工程学院硕士学位论文原创性声明 北京建筑工程学院硕士学位论文使用授权书 摘要i 第l 章绪论l 1 1j ；ii 言，。1 1 2 管道沉积物的危害及影响2 1 3 国内外排水管道沉积物冲刷释放规律研究现状_ 3 1 3 1 管道沉积物冲刷释放规律模型3 1 3 2 数学模型3 1 3 3 实验室模型6 1 3 4 经验模型一7 1 4 本文的研究内容与方法9 第2 章北京城区某雨水管道沉积物污染负荷研究1 0 2 1 研究区域和方法1 0 2 1 1 研究区域概况1 0 2 1 2 研究方法1 1 2 2 结果与讨论1 2 2 2 1 降雨特征一1 2 2 2 2 雨水管道径流污染特性1 2 2 2 3 径流污染负荷的计算1 4 2 2 4 管道沉积物冲刷释放污染负荷计算19 2 3 本章小结2 0 第3 章模拟水流冲刷条件下管道沉积物的释放特性2 1 3 1 材料与方法2 1 3 1 1 样品采集和实验装置2 1 3 1 2 分析方法2 3 3 1 3 管道沉积物冲刷释放模拟实验2 4 3 2 结果与讨论。2 4 3 2 1 沉积物物理性质2 4 3 2 2 管道沉积物冲刷释放规律研究r 2 5 3 3 本章小结3 2 第4 章基于沉积物传输原理的排水管道设计方法研究3 3 4 1 管道中沉积物的运动3 3 4 1 1 沉积物的挟带运动3 3 4 1 2 沉积物的传输运动3 3 4 1 3 沉积物的沉淀3 4 4 1 4 小结3 4 4 2 基于沉积物传输原理的排水管道设计方法研究3 5 4 2 1 建议设计流程3 6 4 2 2 沉积物颗粒运动状态的判别3 8 v 北京建筑工程学院硕士学位论文 4 2 3 设计示例3 9 4 3 北京和廊坊地区基于沉积物传输原理的排水管道设计示例4 5 4 3 1 北京基于沉积物传输原理的雨水管道设计4 5 4 3 2 廊坊基于沉积物传输原理的雨水管道设计4 8 4 3 3 廊坊基于沉积物传输原理的合流制排水管道设计5 1 4 4 本章小结。5 5 第5 章结论与展望5 6 5 1 结论5 6 5 2 不足与展望5 7 参考文献5 8 致谢6 ：； v i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 城市湖泊、河流、沟渠等城市水体是城市的重要组成部分，其具有的排泄雨涝、旅 游航运和风景观赏等综合功能对城市经济社会发展起着重要的促进作用【l 】。随着经济的 飞速发展和城市化的推进，大量的工业废水和地表径流排入城市水体，造成城市水体受 到污染，其水质达不到国家规定的地表水级标准，大部分河流湖泊水体处于富营养状 态，面临着水体生态环境日益恶化的严峻挑战。遏制城市水体进一步恶化、保证城市水 环境的可持续发展已是城市水污染治理的重要任务。在我国，当前已将污染物总量控制 纳入到保护和改善流域环境、强化流域水环境管理体系中，污染物总量控制也是防治城 市水体水质污染的重要措施之一，同时也是我国社会、经济可持续发展的一项重要环保 政策【2 】。大力实施生活污水截流、实现工业废水的减排、加强农业污染控制、引水清淤 修复等重要措施在控制水体水质污染控制中起到一定的作用，但是其没有考虑城市地表 径流对城市水体的污染，城市水体受到污染的现状依然没有得到改善【3 】。 城市水体污染很大程度上是由于排水体制不合理、对排水系统的管理、维护不当和 忽视城市面源径流污染造成的。排水管道系统是城市排水系统中的重要组成部分，城市 排水系统主要分为合流制排水系统和分流制排水系统。合流制排水系统以截流式合流制 为主，通过截流旱季污水与雨季时几倍于旱季流量的污水至污水处理厂来控制进入水体 的污染；分流制则通过雨、污分流来处理污水，雨水通过雨水管道排入城市水体，污水 通过污水管道输送至污水处理厂处理达标排放。在我国，城市排水方面一直偏重于污水 处理技术的研究，侧重对点源污染的治理，对城市排水体制和城市径流污染关注较少， 从而造成许多城市出现污水处理率不断提高的同时城市水环境却依然日益恶化【4 】。 另外，排水管道系统的功能已经从传统概念的防止城市内涝、排除和处理污水、保 护城市水体得到新的定位：污水的资源化、回收城市污水和再生回用、促进城市水循环 等。随着排水管道的普及，排水系统存在的问题日益突出并逐步受到关注，如溢流、初 期雨水径流、雨污管道混接、污水收集率低及管道腐蚀老化等问题。除了管道设计不当 等原因，管道内沉积物的沉积对溢流、腐蚀等的贡献逐步显示出来。管道内沉积物赋存 的污染物主要源于流域地表、以及雨水口进入的垃圾，在正常情况下，周期性的清扫管 理可以去除地面和雨水入口处的垃圾等污染物质，进入管道系统的主要是能够被地表汇 流所携带的悬移质污染物和重量较大的不均匀固体类推移质及低降雨强度下地表径流 北京建筑工程学院硕士学位论文 携带的颗粒物，但雨水口被作为垃圾储存室的现象普遍存在，大量的垃圾堆积在雨水口， 路面喷洒或降雨将部分垃圾冲刷进入排水管道中，从而在排水管道内滞留沉积，在雨水 径流的冲刷作用下又重新释放进入城市水体而造成污染。 1 2 管道沉积物的危害及影响 雨水径流及污水中的固体污染物进入排水管道会在管道内产生沉积【5 l 。目前世界各 地的城市排水管道几乎都存在程度不一的沉积现象 6 1 。在美国，合流制管道中5 - - - 3 0 旱季流量中颗粒物会发生沉积【7 1 ；在欧洲，管道沉积物的平均沉积速率为3 0 5 0 0 9 m d 【8 】。 c h e b b o 等在m a r s e i l l e s 对管径在1 2 5 m 以上的排水管道系统进行研究，其中泥沙淤积 厚度超过3 0 c m 的管段就有8 k m 以上【9 】。北京建筑工程学院调研了北京市西城区部分排 水管道，在调研的7 2 个检查井连接排水管道中，沉积厚度大的管道较少，除沉积量极 少的管道外，4 1 6 7 的管道内沉积物厚度占管径的2 0 n 3 0 ：沉积物厚度与管道管径 之比小于1 0 的占总数的一半，在1 0 - 5 0 之间的占4 5 8 4 ，大于5 0 的占4 1 6 【l 们。 淤积的沉积物不仅会造成管道腐蚀、水流输送能力的降低，而且在雨水径流的冲刷作用 下，其中赋存的污染物会释放进入城市水体，对受纳水体的水环境构成威胁 i m 2 j 。a s h l e y 对d u n d e e 市排水管道的研究表明，没有沉积物的排水管道中水流阻力为1 n m 2 ，沉积 物会使排水管道中的水流阻力至少增加2 - - - 3 n m 20 3 1 ，而n a l l u r i 和a l v a r e z 的研究则表 明沉积物对水流阻力增加幅度约为6 补m 2 【1 4 1 。k r e j c i z 研究认为排水系统中沉积污染 物再悬浮对s s 和c o d 的贡献均为6 0 【1 5 】。r o b e r t 研究表明，在合流制溢流产生的污 染物总量中约8 0 污染负荷来自排水管道内沉积物【1 6 1 。c h c b b o 对法国l em a r a i s 地区 合流制排水系统的研究发现，在合流制溢流污染中6 0 - 9 5 的有机污染物、6 5 9 9 的锌、9 0 - - ，1 0 0 镉、铜、铅等来自于管道中的沉积物0 7 1 。李海燕研究了北京 市西城区雨水管道沉积物发现沉积物中赋存重金属含量远高于土地背景值，其中可交换 态重金属含量较高 i s , 1 9 。 随着点源污染治理程度的提高，非点源污染对水体的污染负荷贡献比例逐年增加， 排水管道是雨水径流进入水体的主要途径，排水管道沉积物中径流冲刷释放是水体非点 源污染负荷的重要组成部分。因此，要有效的控制城市水体污染就必须明确水体污染负 荷来源，控制源于城市排水系统的污染，从而有效进行水体污染物总量控制，使得城市 水体污染控制真正由末端治理转变到从源头到末端的多层控制上。明确管道沉积物的冲 刷释放污染负荷和规律，进一步提出控制城市水体污染的措施和建议。 2 第1 苹绪论 1 3 国内外排水管道沉积物冲刷释放规律研究现状 由于城市排水管道沉积物中污染物种类较多、随机性大、取样及在线监测难度大等 问题，一般采用模型模拟的方法对污染物的累积、冲刷释放进行研究。目前沉积物运动 模型主要有启动速度模型、临界不淤速度模型和悬浮运动模型等【1 1 】；以及利用过剪切力 和水流功率概念方程对沉积物冲刷释放进行预测的模型【1 2 1 ，多数主要通过模拟提出管道 沉积物发生沉积和冲刷的条件，少数研究涉及到沉积物冲刷释放对受纳水体水质的影响 预测。 1 3 1 管道沉积物冲刷释放规律模型 管道沉积物的冲刷释放模型主要分为数学模型、实验室模型和经验模型三类。 m i g l i o 和g a n d i o 将管道中的径流作为一维函数来考虑，提出用一维圣维南方程组 和沉积物冲刷释放连续性方程来表达径流中颗粒物的沉积和管道中沉积物床的冲刷( 概 念模型) 2 0 l 。由于其方程组的边际条件难以确定、解析解难以得到，从而限制了其推广 应用。从而有一些研究者引进泥沙运动力学的结论来简化该方程组( 如：d o r a 模型等) 2 3 , 2 4 1 。另外，也有研究直接借鉴河流泥沙运动力学中v e l i k a n o v 模型来判断管道径流中 颗粒物的沉积或通过实验室模拟不同水流情况下对实验沉积物的冲刷，计算沉积物冲刷 释放率【2 3 1 和沉积床的变化 2 4 1 。同时，n a l l u r i 结合实验提出了临界速度模型，即避免管 道发生沉积的水流最小速度方程【2 5 】； b r i a n 等 2 6 1 和c o g h l a n 等t 2 n 贝j 结合实地监测的水 流参数和管道出水t s s ，拟合得出了管道出水t s s 浓度方程，用于估算管道出水水质。 1 3 2 数学模型 1 3 2 1 概念模型 m i g l i o 等从数学角度，将实验水槽( 管道) 内发生的沉积和冲刷现象用g r a f 等提 出的一维圣维南方程组( 1 1 ) 表示【2 0 】。 i 塑+ 丝：0 10 x 研 忙署+ 圭昙( 等) + 彳警+ 彳象= 一彳9 降- & - + ( i - p ) w bc g 讲z b _ 0 9 一流量， m 3 s ；卜沿水流方向管道的长度， 1 1 1 ；彳过水断面面积， 北京建筑工程学院硕士学位论文 m 2 ；卜时间，s ； g 一重力加速度，m s 2 ；g 一流量，m 3 s ； b 水深，m ； z 矿_ 沉积床高程，m ；s 广一阻力坡度；矿- _ 沉积物的孔隙率；既沉积床湿周， 方程组( 1 - 1 ) 中的前两个方程分别为一维流体连续性方程和动量守恒方程，第三 个方程表示水流中的颗粒物及沉积物冲刷释放率的连续性方程( 假定沉积物在非稳定流 中的冲刷释放率等于其在稳定流下的冲刷释放率) 。当水流中的沉积物含量很高、流量 减少或者水流沿水流方向抬升时，都会造成水流挟沙能力的下降，从而发生沉积物的沉 积，即铭加f o 叶a 9 伽 o ；反之，当水流中沉积物浓度很低、流量很大或者水流沿水 流方向下降时，水流挟沙能力超过了实际水流中所含颗粒物总量时，沉积物会被冲刷释 放进入水流( 在有沉积床存在的情况下) ，即钇咖f o 。 方程组( 1 1 ) 通常是没有解析解的，从而限制了该方程组的推广和应用，但常可 对其进行简化或采用数值解 3 0 - 3 6 1 。 1 3 2 2d o r a 模型 p a l e r m o 大学的t u c c i a r e l l i l 2 1 】和n o t o 2 2 1 在方程组( 1 - 1 ) 的基础上提出了d o r a ( t h e d o u b l eo r d e ra p p r o x i m a t i o n ) 模型，以解决一维流体连续性方程在非稳定流情况下水流 ” 对沉积床的冲刷释放。 7 将扩散假设理论应用于动量守恒方程，当沉积厚度远小于水流深度时，沉积物的厚 度可忽略不计。对于菱形管道，在存在沉积床的情况下，方程组( 1 1 ) 可改写为： 一鼢署= 。 陪川刊鲁一- - 2 ) z c h e 巧系数，m 1 勺s 。 a r i c o c h 等发展了d o r a 模型，在推移质运动下，应用经验公式表示水流挟沙力( 水 流挟沙力为水流平均流度和水深的函数) 3 5 1 ；同时，采用a c k e r s 公式【3 6 】计算管道和明 渠中的总输沙率( 包括悬移质和推移质) ，其公式如下【3 7 】： g = c 4 【， ( 1 3 ) 式中：【，- 一水流平均流速，m s ；a 过水断面面积，m 2 ；c 广沉积物的体积 浓度，可通过公式( 1 - 4 ) 计算得到： 4 弟i 覃蒴睨 印一 ， 式中：卜水力半径，m ；西广中值粒径，m ；“瑚切速度，m s ：q 广 参数； 玎g 广指数，可由方程( 1 - 5 ) 一( 1 - 1 1 ) 计算得出。 q = d 警厂5 ) h ：10 2 铂1 0 8 0 , , + ( i 鲣灿5 3 ( 1 6 ) 喃挣 ( 1 - 7 ) 名舌 ( 1 - 8 ) 如- o 1 4 + 万0 2 3 ( 1 9 ) 21 0 0 0 5 6 1 0 9 ( 1 1 0 ) 2 t 3 4 一瓦9 6 6 ( 。，) 式中：d 广无量纲颗粒粒径；一沉积物的相对粒径密度；卜水的粘滞系 数，m 2 i s ；其中，l 盟 6 0 时，参数h = 0 0 2 5 ，a 伊- - - 0 1 7 ，驴0 ，m g 产1 5 。 m i g l i 0 1 3 8 】在d o r a 模型的基础上，借鉴经验公式( 1 - 1 2 ) 3 1 1 ( 1 - 1 3 ) ( m e y e r - p e t e r 公式) 和( 1 1 4 ) ( m u l l e r 公式) 【3 9 1 来计算推移质输沙率： s = f 6 丽 f = 厂( 等了n 民瓯= 。4 7 矿吒+ 。2 5 p “3 ( 甓) 2 胆c 以，拍 5 ( 1 - 1 2 ) ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) 北京建筑i 一程学院硕士学位论文 式中：p 水的密度，k g m 3 ；卜水的重度，n m 3 ；儿沉积物的重度，n m 3 ； b - s t r i c k e r 床速度参数，m u a s ；气- s t r i c l 【l e r 床速度参数( 能整除表面摩擦力) ， m m s ； r 扩一水力半径，m ；q r 流量，m 3 s ；品一管道底坡；而一等效颗 粒物粒径( 等于西口) 。 d o r a 模型及在此基础上改进的模型均为泥沙运动力学和流体力学结合的结果。泥 沙运动力学研究的是沙粒在河流中的运动规律，由于沙粒( 也称自然沙) 的性质和管道 沉积物的物理性质相差很大( 管道沉积物含有较高的有机质，而自然沙基本上不含有机 质) ，同时河流中水流比较稳定，管道中的水流则相对不稳定，将泥沙运动力学的规律 和理论用于管道沉积物时，会使模拟结果与实际管道中沉积物的沉积冲刷之间存在一定 差异。 1 3 3 实验室模型 1 3 3 1 临界速度模型 n a l l u r i 等根据矩形水槽( 管道) 实验结果，提出避免发生沉积的临界速度方程f 2 卯， 如公式( 1 1 7 ) 所示。 赤乩9 4 ( 圹( 圹掣 式中：卜自净速度，州s ：r 重力加速度，m s 2s 仰砌卜沉积物的相 对密度；p 水的密度，k g m 3 , p 广一沉积物的密度，k g m 3 ：g 一沉积物的体积 浓度，m g l ；扣- 沉积床宽，m ；) ，矿一水深，m ；以矿一中值粒径， m ：参一管径， m ；五，6 _ i i 冗积床摩擦力。 n a l l u r i 等同时发现在管道内存在沉积物和不存在沉积物两种条件下，水流摩擦力 有如下关系： x s b = 6 6 k 1 4 5 ( 1 1 6 ) k = o 8 8 c o 0 1 ( b y o ) o 0 3 妒9 4 ( 1 1 7 ) 彳广含有颗粒物的水流中的d a r c y w e i s b a c h 摩擦系数；五一清水流中的 d a r c y w e i s b a c h 摩擦系数。 因此，他们提出在没有沉积物存在的管道( 渠) 中，临界速度方程和摩擦系数计算 时需要进行修正。对于圆形管径，以0 5 d ( d 为管径) 代替沉积床宽b ；对于矩形渠， 以1 3 5 b ( b 为沉积床宽或渠宽) 代替管径d 。c h a r t 通过分析沉积物的粒径大小和管道 粗糙度对摩擦力的影响，在m a y e r l e 的实验数据基础上，提出采用1 5 3 b 代替d 【1 0 1 。 a r o r a 等将凶次分析方法用于其之前得出的悬浮沉积物传输限制浓度，得到限制沉 积物沉积的临界浓度，如式( 1 1 8 ) 所示 4 0 1 。 州嘲( 玎鲫 m 式中：g 产鲫卜单位流量，m 3 ( s m ) ；9 一总流量，m 3 s ；弘一水面宽度，m ； s c ( = s o ( s 1 力坡度参数；卜管道底坡；卜水的粘滞系数；卜沉积物的 沉降速度，m s ；d h 仁4 但户一水力深度，m ； 彳水流断面面积，m 2 。 m a c k e 则通过实验来考虑沉积物的传输( 包括推移质和悬移质) ，提出沉积物释放 的表达式，见式( 1 1 9 ) 【4 1 1 。 g = 9 6 0 , - a ) g w 7 一= 1 6 4 x 1 0 。4 ( 1 1 9 ) 式中：g 一- 沉积物传输率；9 一沉积物传输流量，m 3 i s , 功= 触蜱黝平均 剪切力；卜水力半径。 1 3 4 经验模型 1 3 4 1v e l i k a n o v 模型 v e l i k a n o v 模型是v e l i k a n o v 在1 9 5 4 年提出的，用于计算河流中的悬移质传输【4 2 1 。 后来被应用于模拟降雨时排水管道中的悬浮物传输 4 7 , 4 8 4 9 1 。该模型以径流中沉积物体积 浓度c v 5 2 p m ，w 。= 5 4 m h ， s = 2 0 0 ) 和小粒径颗粒( d 5 2 t m ，