占斯寧，袁棟棟，林永鋼，張儀萍，周永潮，張土喬

(1.浙江大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310058；2.中國電建集團環(huán)境工程有限公司，浙江 杭州 310058；3.中電建路橋集團有限公司，浙江 杭州 310058)

排水管道的沉積現象是管道主要功能性病害之一.管道淤積可能導致管道過流斷面減小，降低管道過流能力[1-2]，甚至可能造成上游窨井漫溢，進而引發(fā)城市內澇，影響城市的正常生產、生活.目前控制管道沉積物淤積的方法主要包括離線和在線的水力沖刷、機械清淤以及管道自清淤設計等[3-5].為了更好地控制管道沉積物淤積，以及給清淤技術設計提供理論性支持，因此開展管道沉積物的起動沖蝕特性研究具有十分重要的意義.

沉積物起動研究是學者關注的熱點.早期的研究主要針對無黏性沙或黏性細顆粒沙.Shields等[6]對無黏性沙展開研究，得到臨界起動剪切應力與沙顆粒粒徑的關系，發(fā)現粗顆粒臨界起動剪切應力和平均粒徑在雙對數坐標下呈線性關系.Tait 等[7]通過研究下水道沉積物的特征，發(fā)現沉積物表現出明顯的內聚力，揭示沉積物起動過程中黏性作用的存在.Banasiak 等[2]通過試驗發(fā)現沉積物的起動還受到微生物的影響，管道沉積物在沉積過程中發(fā)生生化反應，這種生物黏性作用會對沉積物堆積密度、含水率、沉積結構產生影響.方紅衛(wèi)等[8-9]通過水槽試驗研究微生物作用下無機質沉積物的起動規(guī)律，發(fā)現生物黏性作用可以增強沉積物的抗侵蝕性能，在此基礎上將微生物作用?；癁樯锬ぎa生的表面黏力，推導出沉積物在微生物作用下的起動公式.

排水管道內沉積物還有較多有機質，研究發(fā)現，含有機質沉積物在微生物作用下的起動規(guī)律表現出了與無機沉積物不同的特征[10].沉積物中的有機質會對微生物作用產生影響，導致沉積物的內部結構發(fā)生變化，進而影響抗侵蝕能力[11].馬妍等[12]對不同有機物含量的管道沉積物在微生物作用下的起動規(guī)律進行研究，發(fā)現有機質含量對沉積物的抗侵蝕性能影響重大.目前針對含有機質沉積物在微生物作用下的起動規(guī)律和生物黏性作用仍缺乏定量的研究.

本研究擬開展在不同有機質含量和不同微生物作用時間下沉積物的起動規(guī)律試驗，研究有機質含量與微生物作用時間對沉積物起動的影響.引入絮體強度常數γ，對含有機質沉積物在起動過程中受到的生物黏性作用進行定量分析和表征，在此基礎上建立生物作用下沉積物臨界起動剪切應力的經驗公式，為排水管道沉積物管理提供一定的理論支撐.

1 試驗裝置及試驗方案

1.1 小型明渠沖刷試驗裝置與方法

本研究試驗裝置包括小型明渠裝置與圓桶攪拌裝置.小型明渠試驗裝置由水箱、水泵、閥門、電磁流量計、明渠、整流板、采樣盒等部分組成，如圖1 所示.明渠尺寸為70 cm×5 cm×16 cm，水流由水泵注入明渠，通過閥門和電磁流量計對流量進行調整和檢測，前端設置的整流板用以穩(wěn)定明渠流.在明渠中段放置不同培養(yǎng)時間后的沉積物（與培養(yǎng)盒同步放置），在沉積物下游段設置3 層采沙盒，尺寸為30.0 cm×5.0 cm×0.6 cm，用于收集不同沖刷工況下的推移質.

圖1 小型明渠沖刷試驗的裝置圖Fig.1 Scheme of experimental open channel flume

試驗開始前先將培養(yǎng)好的沉積物試樣與培養(yǎng)盒整體放入水槽，開啟閥門逐級提高流速.待每級流速穩(wěn)定后，每隔30 s 放置1 塊采沙盒以采集不同時間段內的推移質，同步在明渠末端采集水樣以測定懸移質.每級沖刷結束后依次收集推移質和懸移質，將收集到的懸移質和推移質依次進行抽濾、烘干和稱重.根據沉積物沖蝕重量計算沉積物沖蝕率（E），沉積物沖蝕率計算為

式中：M為沖蝕量，m1為推移質重量，m2為明渠出水中懸移質的濃度，Q為流量，t為沖刷的時間.

水流剪切應力計算式為

實驗以沉積物試樣的沖蝕率作為起動的判斷標準[14]，當沖蝕率達到0.007 8 g/s 時，沉積物受到的水流剪切應力為該沉積物試樣的臨界起動剪切應力.

1.2 圓筒攪拌試驗裝置與方法

圓筒攪拌試驗裝置示意圖如圖2 所示.試驗開始前，將培養(yǎng)結束的含有機質沉積物轉移至1 L 燒杯中.選用攪拌機（RWD50）對沉積物試樣進行攪拌，使得在微生物作用下含有機質沉積物試樣以絮體形式懸浮在溶液中.待絮體尺寸穩(wěn)定后，采集懸浮液放入比色皿，用相機（Baumer VCXG–13M）對沉積物絮體樣本進行圖像采集，利用Image Pro Plus 軟件對絮體的直徑進行計算和分析.

圖2 圓筒攪拌試驗裝置的示意圖Fig.2 Scheme of cylinder stirring experiment

圓筒攪拌試驗選取5 級攪拌轉速，分別為160、175、190、205 及220 r/min.本試驗選用速度梯度（G）表征不同轉速下的水流剪切力，計算式[15]為

式中：v為水的動力黏度； ? 為平均湍流能量耗散率.平均湍流能量耗散率的表達式為

式中：Np為功率準數，N為攪拌槳轉速，D為攪拌槳直徑，V為水體的體積.不同轉速下的G值如表1 所示.

表1 圓筒攪拌試驗的攪拌轉速及速度梯度Tab.1 Stirring speed and velocity gradient of cylinder stirring experiment

1.3 試驗材料及工況

為了研究微生物作用下不同有機質含量（organic matter content, OMC）沉積物的抗沖蝕性能，本試驗選用與部分雨污混接的分流制雨水管道沉積物相近的塑料沙作為沉積物主體.選用成分與分流制雨水管道沉積物所含有機物相近的面粉作為有機質，將兩者以一定比例混合后得到不同有機質含量的沉積物試樣.使用馬爾文激光粒度儀（Malvern-MS2000）和真密度儀（TD-1200）對模型沙粒徑和密度進行分析，其物理參數如表2 所示.表中ρ 為真密度，d50為中值粒徑，Cu 為不均勻系數.為了研究不同有機質含量和微生物作用時間對沉積物抗侵蝕性能的影響，配置了有機質含量為2%、3.5%、5%、6.5%、8%的含有機質沉積物.每種有機質含量沉積物設置7 組不同的培養(yǎng)時間，每種工況設置3 個平行樣.具體工況如表3 所示，表中T為培養(yǎng)時間.

表2 塑料沙的物理參數Tab.2 Physical parameters of plastic sand

表3 沉積物試樣的培養(yǎng)時間及有機質含量Tab.3 Incubation time and organic matter content of sediments

沉積物試樣在相同環(huán)境下進行微生物培養(yǎng)，在培養(yǎng)箱中注入污水進行微生物接種與培養(yǎng).箱內水位保持恒定，水力停留時間為48 h，并進行曝氣以形成適宜的微生物生長條件.將含有機質沉積物裝填入內徑尺寸為10 cm×5 cm×2 cm 的培養(yǎng)盒中，鋪設高度為2 cm，浸沒于培養(yǎng)箱中進行微生物培養(yǎng).

2 結果與討論

2.1 微生物作用對沉積物臨界起動剪切應力的影響規(guī)律

不同微生物作用時間、有機質含量沉積物的臨界起動剪切應力的變化情況如圖3 所示.由圖3可知，含有機質沉積物起動規(guī)律與微生物作用時間、沉積物有機質含量有關.當有機質含量一定時，沉積物試樣的臨界起動剪切應力隨著微生物作用時間的增長呈現先增大后減小的變化規(guī)律.當初始時刻沉積物起動并未受到微生物作用的影響時，其臨界起動剪切應力在0.036～0.048 N/m2內.當沉積物試樣培養(yǎng)5 d 后，沉積物的臨界起動剪切應力出現大幅上升，幾乎達到初始時刻的兩倍.臨界起動剪切應力峰值分別出現在第10 或15 d.Fang[9]等在研究微生物作用下無機沉積物的抗侵蝕性能變化規(guī)律時也得到了相同的變化趨勢.這種先增后減的現象產生原因主要是在培養(yǎng)前期，沉積物試樣中有機質含量充足，微生物活動劇烈，分泌出大量胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）.EPS 將沉積物顆粒緊密黏結，形成穩(wěn)定的三維網狀結構[16]，使得沉積物顆粒的結合力逐漸增強，臨界起動剪切應力隨之增大.當培養(yǎng)進行至中后期時，微生物活動進入主動分散階段，這個階段中微生物將產生特定酶對部分生物膜進行降解和重構[16]，因此生物膜強度降低，臨界起動剪切應力隨之減小.

圖3 不同工況下的臨界起動剪切應力圖Fig.3 Change of critical shear stress at different experiment conditions

相同微生物作用時間下沉積物試樣的臨界起動剪切應力還與其有機質含量呈負相關（R=-0.939，p<0.01）.在OMC 為2%時，臨界起動剪切應力在0.10 N/m2左右.而隨著OMC 逐漸提高，臨界起動剪切應力不斷下降.當OMC 提高到8%時，臨界起動剪切應力下降到0.065 N/m2左右.這種現象與文獻[12]的研究結論一致.過量的有機質含量使得微生物活動更加劇烈，這些微生物會產生大量的EPS 并在沉積物內部形成氣泡，氣泡的逸出和過量的EPS 導致沉積物試樣發(fā)生膨脹，從而造成沉積物試樣堆積變得松散，堆積密度減小[11,17].過量的EPS 還會降低無機顆粒黏結力，阻礙沉積物絮體的形成[18-19].

2.2 微生物作用對沉積物起動影響的定量表征

為了表征微生物作用對沉積物起動的影響，將進一步對生物黏性作用進行分析.研究表明生物黏性作用會使沉積物顆粒聚集形成生物絮體顆粒，從而導致沉積物絮體的粒徑發(fā)生變化[20]，而絮體粒徑大小與生物黏性作用大小有關[20-21].本研究引入絮體強度試驗方法，通過探究不同速度梯度下沉積物產生的絮體粒徑大小對生物黏性作用強度進行分析.不同G值下沉積物試樣懸浮后的絮體平均直徑如圖4 所示.圖中d為絮體的平均直徑.

圖4 不同G 值下沉積物試樣的絮體平均直徑Fig.4 Average floc diameter of sediments at different G

由圖4 可知，沉積物絮體的平均直徑受速度梯度、有機質含量的影響顯著.由于G值越高，水流剪切力越大，對沉積物絮體造成的剪切破壞作用越強，相同有機質含量下沉積物絮體平均直徑隨著G值的增加而減小；相同G值下沉積物試樣的絮體平均直徑隨著有機質含量的增高而降低.在相同的工況下，沉積物試樣的有機質含量越高，其形成的絮體結合強度越弱，這與臨界起動剪切應力隨有機質含量增高而下降的變化規(guī)律一致.Leentvaar 等[22-23]提出絮體結合強度可以用絮體強度常數γ 進行表征，因此進一步引入絮體強度常數γ 對生物黏性作用進行定量表征，絮體強度常數計算式[23]為

式中：C為絮體強度系數.

由式（7）計算得到絮體強度常數結果如圖5所示.由圖5 可知，對于OMC 為2.0%、3.5%的沉積物試樣，在沉積物培養(yǎng)前10 d 時，γ 值隨微生物作用時間的增加而減?。辉诘?0 d 達到最小值，隨后逐漸增大.這表明沉積物試樣的絮體結合強度隨著微生物作用時間先增后減，并在第10 d 時達到峰值.對于OMC 為5.0%、6.5%、8.0%的沉積物，γ 值也呈現出類似變化規(guī)律，不同的是最低值出現在第15 d.

圖5 沉積物試樣絮體強度常數隨時間變化的示意圖Fig.5 Change of stable floc size constant with microbial activity time for different sediments

由圖5 還可知絮體強度常數隨著有機質含量的增大而增大（R=0.709，p<0.01），即高有機質含量沉積物形成的絮體在受到水流剪切應力時更容易發(fā)生破碎，這表明沉積物絮體的抗侵蝕能力與沉積物的有機質含量呈負相關，與臨界起動剪切應力隨有機質含量增高而減小的變化規(guī)律相同（圖3）.γ 值是有機質含量與微生物作用時間的函數，通過擬合可得γ 值計算式，擬合結果見圖6.圖中γc為γ 值的計算值，γe為γ 值的實驗所得值.由圖6 所示，式（8）的擬合效果較好，R2=0.91.

圖6 絮體強度常數計算值與實驗值的對比結果Fig.6 Comparison of calculated and experimental values of stable floc size constant

2.3 微生物作用下含有機質沉積物起動經驗公式推求

微生物作用下的臨界起動剪切應力可以分成無黏性項、黏性項以及生物黏性作用項3 個部分組成[9,24].本試驗研究的模型沙粒徑為0.183 mm，黏性特征并不顯著，黏性項在泥沙起動過程中的作用可以忽略不計[13].因此，微生物作用下的沉積物臨界起動剪切應力為

式中： τa為生物的黏性作用， τ0為無黏性沙的臨界起動剪切應力.當沙粒以滾動作為起動的模式時， τ0可以通過受力平衡計算[24]得

式中：ρs和ρ 分別為沙顆粒和水的真密度；g為重力加速度，g=9.8 N/kg； α 為形狀系數；αd為拖曳力系數；η 為拖曳力和上舉力的聯系系數，拖曳力系數、拖曳力和上舉力的聯系系數均是粒子雷諾數Re*的函數；a為顆粒水下重力和上舉力的力臂；b為拖曳力的力臂.

對比圖3、5 發(fā)現，γ 值變化規(guī)律與臨界起動剪切應力變化較為一致.通過對比生物黏性作用與絮體強度常數的變化規(guī)律發(fā)現二者具有很好的相關性（R=-0.767，p<0.01），如圖7 所示.由此可知，生物黏性作用可以用γ 值進行表征.

圖7 生物黏性作用與絮體強度常數的關系Fig.7 Relationship between bio-adhesive effect and stable floc size constant

生物黏性作用的計算式如下，此時公式的擬合效果最佳，R2=0.9.

微生物作用下的含有機質沉積物臨界起動剪切應力為

通過式（12）計算的臨界起動剪切應力與實際剪切應力的效果如圖8 所示.圖中 τc為臨界起動剪切應力計算值， τe為臨界起動剪切應力實驗值.由圖8 可知，式（12）可以較為準確地計算在微生物作用下含有機質沉積物的臨界起動剪切應力.

圖8 臨界剪切應力計算值與實驗值的對比結果Fig.8 Comparison of calculated and experimental values of critical shear stress

3 結 論

在微生物作用下，針對不同微生物的作用時間、有機質含量沉積物的臨界起動剪切應力，展開試驗研究.結合在微生物作用下絮體強度常數的變化規(guī)律，對起動過程中的生物黏性作用進行量化與表征，主要研究結論如下.

（1）在微生物的作用下，含有機質沉積物的臨界起動剪切應力顯著增大.微生物作用下含有機質沉積物的臨界起動剪切應力變化情況與微生物的作用時間、沉積物的有機質含量有關，沉積物的臨界起動剪切應力隨著微生物作用時間的增大呈現出先增大后減小的趨勢，與有機質含量呈現顯著的負相關關系.

（2）在沉積物起動過程中，生物黏性作用可以用絮體強度常數進行表征.絮體強度常數的大小受到微生物的作用時間以及有機質含量的影響.絮體強度常數與沉積物的臨界起動剪切應力呈現類似變化規(guī)律，與生物黏性作用呈現較強的負相關.

（3）通過引入生物黏性作用項，可得到在微生物作用下含有機質沉積物的臨界起動公式.公式計算值與實驗值的對照結果表明，該公式可以較準確地計算微生物作用下含有機質沉積物的臨界起動剪切應力大小.