城市箱涵作为黑臭水体治理的一项源头控制手段，以其见效快，成果显著被广泛使用。但箱涵在实际运行中问题频出，泥沙淤积尤为突出。沉积问题加剧了箱涵功能的丧失，同时也带来了更多的安全隐患。基于此，本文以深圳市某截污箱涵为研究对象，通过旱季和雨季的采样，分析箱涵内的沉积问题，总结沉积物的污染规律。

此干流截污箱涵全长12.26km，设计截污总量76万m³/d，承接沿岸13条支流、261个排污口的生活污水及雨水。箱涵的截面尺寸为2.5 m×2m,4m×3 m,5 m×3 m,5 m×4 m；坡度为1.5‰，1.8‰，1‰（从上游到下游）。清淤标准为淤积深度超过设计过流断面的10%。采样点位分布见图1。

采样时间为2018年10月21日（旱季初期，闭闸运行）及2019年3月16日（雨季初期后的稳定期，开闸运行）。采集箱涵沿线及垂直方向上的样品，并检测含水率、密度、pH、COD、TP、氨氮、重金属（Cu、Ni、Zn、Cr）等指标。

沉积物高度、水面高度及箱涵设计高度见图2，沉积现象主要发生在箱涵的末端，沉积高度沿水流方向略有波动，整体增大。旱季初期沉积高度从0.2m沿程增大到1.4m，水面高度相应从0.7m抬升到3.8m，末端几近满流；雨季初期开闸运行后，沉积高度及水面高度均有所下降，且下降幅度沿程增大，沉积高度最大可下降约0.8m，箱涵恢复重力流状态，但中部雍水情况无明显改善。

进一步分析沉积对此干流截污箱涵输水能力的影响（由于采样限制，此次计算忽略了沉积对输水坡度及水流速度的改变），计算结果见图3。理想状态下沉积高度与输水能力的下降率成正比，沉积高度在1.0m左右时，箱涵丧失约28%的潜在输水空间，此干流截污箱涵的输水能力最大可降低约40%。

一般认为速度是影响沉积的直接因素。此干流截污箱涵内沉积物粒径主要有2.472 mm、1.236mm、0.494 4mm及0.296 6mm，根据黄德法等^[1]总结的泥沙启动经验可计算出不同点位不同粒径颗粒物的临界不淤积流速为：对2.472mm的颗粒，临界不淤流速在0.6～0.7 m/s；对1.236 mm的颗粒，临界不淤流速在0.5～0.6m/s；对0.494 4mm的颗粒，临界不淤流速在0.3～0.4m/s；对0.296 6mm的颗粒，临界不淤流速在0.2～0.3m/s，考虑含沙量的影响，当含沙量在0.2～0.4L/m³（降雨时的进水体积含沙量）时，对应的临界不淤流速为0.8～0.9m/s。

对箱涵内的水流流速及流量分布的情况进行检测，检测结果见图4和图5。从图4和图5中不难看出，旱季初期时，箱涵内水流流量较小，发生淤积的地方流速急速降到了0.8m/s以下，末端甚至处于静止状态，此时0.296 6～2.472mm的颗粒物均发生沉降的可能性非常大，易造成严重淤积，沉积高度沿线增加；雨季初期，流量有所增加，中游流速变化不大，下游流速大幅度升高，此时0.494 4mm以下的颗粒易被冲起，而1.236～2.472mm的颗粒将被水流推移前进，沉积高度表现为下降。

流速会急剧下降主要有3方面原因：(1)截污箱涵下游坡度从1.8‰降至1.0‰，逆坡易形成雍水，导致流速减小；(2)沉积导致箱涵的水力条件发生改变，致使流速减小；(3)旱季初期闭闸运行，末端水流在不断与闸门碰撞的过程中，动能减小，水面抬升并向上游传播。雨季初期虽然开闸运行，下游流速增大，但是在流量不大的情况下，受淤积的限制，沉积的前段流速难以在短时间内显著升高。

沉积物整体呈黑色，有恶臭，表现为砂质（砂重量占比可达99%以上），粒径在50目（0.296 mm）以上的沉积物占比超过90%，而城市合流制管道中的沉积物粒径大致在几十到几百微米^[2]，此箱涵沉积物粒径较大。含水率在4%～18%波动，持水性能较差，密度2g/mL。

(1）氨氮、总磷及COD。有研究表明^[3,4]，合流制排水系统溢流污水中的污染物主要来自于旱天管道的沉积物。因此非常有必要对管涵沉积物本身的污染性质进行分析，以便提前作出清淤决策。纵断面方向上，上层污水及沉积物中氨氮、总磷及COD的浓度变化如图6。

从图6可以看到，此箱涵上层污水中氨氮、总磷及COD浓度基本处于生活污水浓度范围内，沉积物中的氨氮、总磷及COD的含量则较城市排水管道沉积物低^[5]，这可能是因为箱涵沉积物的粒径较大，不易贮存污染物。上层覆水中SS、COD、总磷及氨氮的含量与沉积物中污染物浓度的变化呈负相关，有理由相信沉积物中的污染物主要是来自于上层水中的颗粒物及悬浮物。

氨氮、总磷及COD在污水及沉积物中都表现出相近的变化规律。旱季初期沉积物中污染物浓度较低，在沉积发生的前段及后段存在两个较小的浓度峰值，总体波动较小。雨季初期，由于旱季的沉降累积及雨季初期的雨水径流作用，箱涵内沉积物的污染物浓度较旱季初期大幅度增高，且波动较大，在沉积发生的中间段出现浓度的峰值，且在水流的作用下，较旱季有向下游移动的趋势。而上层污水中污染物的含量在未出现沉积或沉积较少的前段，整体变化较小，在出现沉积的地方下降随后小范围地升高，相较于旱季初期，雨季初期的污水污染物浓度略高。

进一步分析沉积物中污染物浓度与上层污水中污染物浓度的关系，可以看到，在发生沉积的前中段，流速较低，对于颗粒物来说，沉降作用明显，SS有所下降，致使上层污水中污染物不断降低至较低值，沉积物中的污染物则不断累积达到较大值，而在下游，旱季初期时由于流速较小，几乎处于静止状态，沉积物中的污染物向上释放，污染物浓度在上层污水中有所上升，在沉积物中有所下降，雨季初期时，由于开闸运行，下游流速变大，此时沉积物中的小粒径颗粒物易被冲起，从而导致污水中污染物浓度有所上升。

(2）重金属污染情况。对含泥量相对较多的5个点进行了重金属检测，检测结果见图7。旱季初期沉积物中除锌以外，其他重金属含量沿程变化较小，相对比较稳定；而雨季初期沉积物中重金属浓度波动较大，在上游及末端均较旱季有所下降。这是因为上游雨季初期冲刷作用明显，颗粒粒径整体较旱季大，在冲刷作用下污染物集中在中游，而在末端，速度较大，颗粒物不易沉降，因此出现了上游及末端较低，中游浓度最大的情况。另外为了评估重金属对上层覆水的影响，试验检测了可溶态重金属的含量，约占重金属总含量的1%，说明重金属的迁移性较差，对上层覆水的影响不大。

为了探究在垂直方向上沉积物中污染物的变化，采集了4个点的表层及下层沉积样品进行分析，分析结果见图8及图9。

底层较上层小粒径颗粒物占比更大，污染物浓度总体来说更高。尤其是18号，由于小粒径的增多，COD及总磷的浓度几乎可以达到上层的10倍，COD及总磷易附着在小粒径颗粒物中且不易释放，性质较为相似，表现出相近的分布规律，而氨氮主要以溶解态形式存在，易于扩散，因此会出现下层较上层低的情况。同时实验也说明在旱季相对静止的环境下，砂质沉积物中的污染物易随小粒径颗粒物向下移动累积。雨季初期同旱季初期相似，都表现为下层小粒径颗粒物的占比更大，污染物浓度更高，可见随着雨季的到来，下层污染物的浓度会相应降低，上下层的浓度差距不断增大。

(1）此箱涵淤积主要发生在中下游且淤积严重。旱季闭闸运行、坡度降低是导致旱季流速减小，水位升高，淤积严重的主要原因。在实际运行中，应当合理控制旱季闸门的启闭时间。而在雨季初期，在开闸运行的条件下，箱涵末端淤积高度和水面高度均有所下降，但是由于旱季淤积过于严重，且雨季污水含沙量较高，因此箱涵的淤积状况并未得到太大改善。箱涵沉积物的形成将降低箱涵的输水能力，理想状态下，箱涵高度每增加0.1 m时，输水能力下降约2.8%。

(2）箱涵内沉积物表现为黑臭，密度和粒径较大，含水率较低。

(3）沿线方向上，在沉积高度较大的地方处于箱涵的中下段，表层沉积物中污染物的最大值出现在发生沉积的中间段，下层沉积物中污染物的较大值出现在中下段。在时间上，沉积高度在旱季初期较大，沉积物中污染物的较大值发生在雨季初期。旱季初期沉积物中污染物浓度相对较低且波动较小；而雨季初期箱涵内沉积物的污染物浓度较旱季初期有大幅度增长，且波动较大，污染物的峰值有向下游移动的趋势。对于重金属而言，旱季除锌以外，其他重金属含量变化较小，雨季初期，沉积的上游及末端较旱季均有所降低，中部有所增高，但是重金属对上层污水的影响较小。

(4）垂直方向上，旱季与雨季表现出相近的规律，底层沉积物粒径较上层小，更易聚集污染物，随着雨季的进行，上下层沉积物中污染物含量的差距逐渐增大。重金属除锌以外，其他未表现出明显分层。

箱涵沉积物的形成一方面降低了箱涵实际的输水能力，另一方面在雨季雨量较大时，可能会增大溢流污染。针对箱涵沉积物的管控，本文提出以下几点建议：

(1）后续应对目前已建成的截污箱涵开展普查，完善对箱涵泥沙沉积问题的专题研究，查找不同条件下的箱涵沉积的具体原因。

(2）为了保证箱涵正常的输水能力，减少沉积物对雨天溢流污染的影响，日常清淤工作应当集中在沉积发生的中下段，且宜在雨季到来之前对箱涵内的沉积物进行较为彻底的清淤。另外由于污染物在时间上的累积作用，为了削弱沉积物中污染物加剧溢流污染的潜力，建议在旱季时仍进行一定的清淤，同时合理调控末端闸门的启闭以确保箱涵内流速正常。

(3）对于新建项目，箱涵沉积物的控制应以预防为主。预处理设施的使用是一种行之有效的预防措施。预处理设施主要设置在入流竖井及泵房上游或管涵系统的前端。预处理设施可以对雨污水进行简单的物理处理，以减少雨污水中夹带的垃圾、树叶和泥沙等杂质。目前使用较多的预处理设施有水力旋流分离装置、平流式在线分离设施、普通格栅及沉砂池。

(4）在后续同类工程中，还可考虑对箱涵断面形式进行优化，确保在水量波动范围内（尤其旱季），保持流速不低于不淤流速，尽量采用自冲洗设计，减少后期的清淤维护的成本和工作量。