含杂质挟沙水流对城市排水管道淤堵的作用机理

In China , urban waterlogging disasters occur frequently which is caused by the pipes siltation, therefore the urban flood control situation is extremely critical. The sediment-laden flow that contains a lot of impurities such as broken leaves is one of the reasons for the drainage pipeline siltation. The projects may provide important science and technology support for city flood prevention and disaster reduction and environmental protection and urban drainage planning and management. This project will take the city in arid and semi-arid areas of China as the reference object ,on the basis of investigation and data collection and analysis of siltation in the drainage pipe, focus to research the influencing mechanism of broken leaves on the capacity of flow and sediment transport in the drainage pipe by fine pipe generalized experiment, built the sediment-carrying capacity formula including impurities in the drainage pipe and the critical non-silting velocity formula of suspended solids and the initial velocity formula of deposit sediment, etc. Reveal the mechanism that the effect of impurities and sediment on the transport and deposition of suspended solids and on the starting with the flushing of deposit sediment, and water and sediment dynamics mechanism in the process of silting and scouring in the pipe.

我国城市排水管道因淤堵问题造成的城市内涝灾害频发，城市防洪形势十分严峻。含大量碎树叶等杂质的挟沙水流是加剧排水管道淤堵的原因之一。项目研究可为城市防洪减灾与环境保护、城市排水管道规划与管理等提供重要的科技支持。本项目拟以我国干旱半干旱地区城市为参照对象，在对排水管道淤堵状况调研与资料收集分析基础上，通过精细的管道概化试验，重点研究碎树叶对排水管道输水输沙的影响机制，建立含杂质排水管道挟沙水流挟沙力公式、悬浮物临界不淤流速公式、沉积物起动流速公式等。揭示杂质和泥沙共同作用对管道悬浮物输移与淤积机理、沉积物起动与冲刷机理，以及管道淤积和冲刷过程的水沙动力机理。

城市排水管渠内沉积物淤积，是导致城市内涝、合流制排水的溢流污染等事件的重要原因之一，沉积物问题已被列为我国城市排水系统三个重大问题之一。现有的研究对管道沉积物的组成以及沉积床的形成、发育规律缺乏全面、深刻的认识。本次研究选择郑州市四类典型的商务区、商业区、生活区和施工区为研究对象，通过对现场调研和采样分析得出：区域内近75%的管道都存在不同程度的沉积物沉积现象，且大多数检查井中，汛前管道沉积物厚度均大于汛后；沉积物厚度上，商务区>商业区>生活区>施工区；不同区域内管道沉积物中均含有一定比例的树叶，树叶含量的与汇水区内植被情况和管道沉积物含量有关；通过对沉积物进行水洗、粒径分析，发现泥沙多为中沙，粒径在0.01~0.05mm之间，树叶与泥沙重量比在0.5%~15%之间。选取长10m的有机玻璃管，中值粒径为0.045mm的均匀沙进行物理模型试验，含沙量范围在0~150kg/m³，树叶重量百分比为0、2%、8%、15%，试验表明：①当含沙量低于60kg/m³时，含树叶的挟沙水流较纯沙水流临界落淤流速较大，容易落淤；当含沙量高于100 kg/m³时，含树叶的挟沙水流较纯沙水流临界落淤流速偏小，不易落淤；当含沙量介于60 kg/m³到100 kg/m³之间时，含树叶的挟沙水流与纯沙水流落淤流速接近。②对于含树叶挟沙水流而言，树叶含量越高，泥沙越容易淤积。③无论含杂质与否，随着含沙量的增大，水体中泥沙的临界落淤流速均增加，越容易落淤。④无论树叶含量多少，当含沙量越大，沉积床初现和发育越容易；⑤相同含沙量情况下，含树叶挟沙水流的沉积床初现和发育所需流速较纯沙较低，说明纯沙水流较含树叶挟沙水流易于沉积床初现和发育；⑥相同含沙量时，树叶含量越大，沉积床初现和发育所需流速越低，说明树叶的含量越多，沉积床越不容易产生。研究成果从理论上加深了对城市排水管道沉积物形成机理的认识，从微观角度揭示沉积物与水和树叶的相互作用关系，从宏观角度分析，模拟了管道系统中沉积床的时空发育变化过程。