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分层沉淀再悬浮机理及溢流污染预测模型研究，通过构建分层的沉淀管路试验系统，揭示表层沉淀层在强降雨下快速悬浮（3000 mg/s）释放高浓度污染物（COD、TN、TP），中层至底层因微生物活动形成的生物粘弹性结构（EPS增强吸附）显著降低悬浮物通量（450/80 mg/s）。建立耦合水动力-生物化学-分层侵蚀的动力学模型，可量化降雨强度与分层侵蚀速率的关联性，为CSO污染负荷预测提供新方法。
Xuan Shi|Li Luo|Jiahao Tan|Yulei Chi|Xin Jin|Pengkang Jin
西安交通大学人居与土木工程学院，中国陕西省西安市，710049
摘要
沉积物再悬浮是合流制排水系统溢流污染的主要来源。基于沉积物分层理论，本研究构建了一个试点规模的污水管道系统，并提出了一种精确预测沉积物冲刷起始和溢流污染的方法。沉积物分层控制着“冲刷-释放-输送”循环中的污染物行为：松散的表层容易被冲刷，细颗粒和高浓度污染物会迅速被水流释放并广泛扩散；而中间至底部的致密层则具有很强的抗冲刷能力，污染物背景浓度较低，导致释放的颗粒容易沉淀，扩散能力有限。在模拟的强降雨条件下（剪切应力为5.42 N/m2），表层沉积物的平均侵蚀速率达到3000 mg/s，同时伴随着高化学需氧量、总氮和总磷的释放通量，成为溢流污染的主要风险源。相比之下，中间层和底部层的侵蚀速率分别为450 mg/s和80 mg/s，表明污染贡献显著降低。基于这些机制，开发了一个用于分层冲刷和输送污水沉积物的耦合动力学模型。通过整合水动力学、冲刷和输送模块，该模型可以计算水力条件、分层侵蚀、污染物释放和污染物迁移过程。本研究系统地揭示了不同降雨条件下沉积物输送对水质的影响机制，为准确预测排水管道溢流污染提供了可靠的模型和定量方法。
引言
合流制污水中的沉积物（CSS）是溢流污染物的主要来源[1]，[2]。在强降雨事件中，CSS贡献了超过50%的污染负荷[3]，[4]。径流侵蚀引起的沉积物再悬浮直接增加了接收水体中的悬浮固体（SS）浓度，并释放了有机物、营养物质和重金属等污染物[5]，[6]。这严重影响了水质和生态健康，可能威胁城市供水安全和公众健康。因此，研究沉积物污染物的内在特性及其在冲刷条件下的再悬浮效应对于控制和调节合流制污水溢流污染至关重要。
污水沉积物的冲刷和再悬浮受到水动力条件、沉积物物理性质和微生物代谢活动等因素的影响。大多数研究主要关注物理因素对沉积物冲刷的影响[7]，[8]，[9]。刘等人对不同大小的沉积物颗粒进行了冲刷测试，发现较大颗粒的迁移能力较弱，倾向于在污水前端沉淀；而较小颗粒则表现出更强的迁移能力，并在靠近后端处积累[10]。吴等人进行了降雨冲洗测试，确定了颗粒的两种迁移模式：悬浮和输送。悬浮和输送颗粒的直径通常分别小于0.1 mm和0.5至2 mm[11]。一般来说，由于质量较大，较大颗粒（如砾石）更难被冲刷移动，倾向于在污水底部形成相对稳定的床层。然而，较小颗粒（如细沙和淤泥）由于体积较小，容易被水流移动[12]，[13]。
然而，沉积物内的微生物活动显著影响其悬浮和冲刷[8]，[14]，[15]。首先，不同沉积物层中的优势微生物种群存在显著差异，导致细胞外聚合物物质（EPSs）的分泌能力不同。因此，每个沉积物层表现出不同的生物粘度[16]，这影响了其抗冲刷能力[17]。其次，微生物代谢活动会产生气体（H?S和CH?）[18]，[19]。由于微生物群落的分层生长特性，气体产生率和总体积表现出明显的垂直梯度[20]。这种梯度气体生成效应导致沉积物层间的空化松动程度不同。在降雨引发的水流冲击下，沉积物内的气体产物增加了沉积物颗粒的孔隙率和体积膨胀，使沉积物更容易发生冲刷[12]。此外，现有研究往往将沉积物视为均质质量，忽略了其分层结构及其生理生物耦合效应对冲刷行为的影响。这阻碍了对不同降雨强度下沉积物逐层侵蚀特性的全面理解[18]。沉积物的分层性质决定了冲刷行为，并对污染物的释放过程和速率产生关键影响。例如，表层沉积物中的污染物释放更快，而底部沉积物则更受剪切力和溶解-扩散过程的影响。在强降雨下，污染物通过水流进行对流输送，伴随着扩散、吸附和脱附等过程，进一步改变了污水中的水质变化特征[21]。
城市污水系统由于污染物种类多样、随机性高、采样困难以及在线监测能力有限而面临挑战。因此，主要使用数学模型、模拟模型和经验模型来研究污水沉积物的侵蚀和输送。在这些模型中，由于简化性和局限性，经验模型难以准确预测复杂降雨条件下的沉积物冲刷和再悬浮过程[22]，[23]，[24]。模拟模型可以高分辨率地表示整个过程，包括流场特征（速度和压力分布）、沉积物形态变化以及污水中的输送轨迹。然而，它们需要大量的计算资源，目前主要用于局部冲刷和沉积机制的详细分析[25]，[26]，[27]。关于数学模型，一些研究使用SWMM和聚类分析对雨水管道进行了分类，建立了沉积物特性（厚度和颗粒大小分布）与污水段之间的关系。张等人基于SWMM开发了污染物积累和沉积物冲刷模块，有效模拟了集水区污染的变化。污水沉积物的冲刷模式通常符合指数模型，可用于计算沉积物污染负荷[28]。然而，这些研究通常忽略了生物耦合效应和沉积物分层在沉积物冲刷模块计算中的影响，难以准确预测复杂降雨条件下的污染物浓度变化。为了阐明不同降雨强度下CSSs的冲刷输送和水质变化模式，本研究提出了一个用于污水中分层沉积物冲刷输送的耦合动力学模型。该模型全面考虑了降雨强度对分层沉积物冲刷行为的影响。通过结合物理和生物耦合影响下的对流、扩散和化学反应机制，它准确模拟了污染物浓度动态，解决了现有模型在生物耦合过程和分层冲刷模拟方面的不足。
本研究通过实验和基于合流制污水网络中沉积物分层特性及耦合物理-生物效应的模型模拟，系统地研究了不同降雨强度下不同沉积物层的冲刷模式和污染物释放特性。通过构建和验证一个基于降雨强度变化的分层冲刷和输送的耦合动态模型，本研究揭示了沉积物逐层侵蚀模式的时间演变。这些预期成果有望提高污水网络的操作效率，降低溢流污染的风险，并为水质保护和环境管理策略提供定量支持。
部分摘录
样品采集与处理
本研究使用的沉积物样本来自西安渭阳区的合流制污水系统。沉积物被均匀分成三层进行分层采样。每层的样本被放置在密封的塑料桶中保存，并立即运输到实验室进行简单预处理。然后将样本放置在实验装置中，底部和中间沉积层的厚度分别为2 cm
不同沉积物层中污染物的静态特性
沉积物的分层结构主要是由于颗粒因其物理性质和微生物活动而以不同速率沉淀的共同作用结果。较大颗粒由于重力作用优先在底部沉淀，从而形成稳定的床层。较细的颗粒（如粘土）较轻，比表面积较大，在上层缓慢沉淀。微生物分泌的EPS增强了细颗粒之间的粘附和聚集
关于结合分层和生物效应的污水沉积物输送模型
基于对合流制污水系统中沉积物分层特性和冲刷行为的实验分析，本研究开发了一个耦合的物理-生物分层冲刷动力学模型。通过整合水动力条件和沉积物分层特征，该模型能够动态模拟冲刷过程中的污染物释放和输送。然而，这里提出的模型存在某些局限性。试点实验系统涉及
结论
本研究通过在试点规模管道系统中进行的实验，揭示了不同剪切强度下沉积物的分层污染特性及其侵蚀和释放行为，同时验证了所建立模型的预测能力。主要结论如下：
(1)随着冲刷强度的增加，所有沉积物层中的悬浮颗粒大小（D50）增大，增强了COD的释放。然而，TN和TP的释放表现出阈值
环境影响
合流制污水溢流（CSOs）对接收水体的水质造成严重破坏。本研究揭示了分层沉积物是主要的污染源，其中高度可侵蚀的表层在冲刷过程中主导了污染物的释放。我们开发的耦合模型将水动力学与沉积物分层过程相结合，能够准确预测CSO污染负荷。这种机制理解有助于制定有针对性的管理策略，例如
CRediT作者贡献声明
Jiahao Tan：撰写——初稿。Li Luo：撰写——审阅与编辑。Xuan Shi：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。Pengkang Jin：方法学，概念化。Xin Jin：调查，形式分析。Yulei Chi：数据整理，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52400057）、中国国家自然科学基金（52200117）、中国博士后科学基金（2022M722527）、中央高校基本科研业务费（xzy012022079）、陕西省教育厅专项科研项目（20JK0730）以及国家水污染控制与管理重点项目（2012ZX07313001）的支持。
