《Journal of Environmental Management》：Hydrodynamic characterization and interception-entrainment rates of the DSM-flux – a new technology to monitor CSOs
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合流制污水溢流结构(CSOs)是受纳水体的重要污染来源。大量污染物附着于悬浮固体物质。DSM-flux是一种创新技术，旨在改进CSO（合流制污水溢流）的水量和水质监测，并利用其独特几何结构拦截附着于悬浮物的污染物。本研究旨在受控实验室条件下，在小尺度上评估DS
合流制污水溢流结构(CSOs)是受纳水体的重要污染来源。大量污染物附着于悬浮固体物质。DSM-flux是一种创新技术，旨在改进CSO（合流制污水溢流）的水量和水质监测，并利用其独特几何结构拦截附着于悬浮物的污染物。本研究旨在受控实验室条件下，在小尺度上评估DSM-flux的水动力学行为及颗粒拦截-卷吸性能。研究人员精确测量了整个装置上的流态和湍流参数，并通过实验颗粒输运试验研究了固体物质的颗粒拦截和卷吸。结果表明拦截效率与入流率之间存在明显依赖关系，在低流量条件下该效率最高可达53.6%。此外，研究人员观察到DSM-flux中的沉积区域与近底部湍动能(TKE)值较低的区域之间存在相关性，从而支持了湍动能(TKE)与卷吸/沉积现象之间存在关系的假设。在暴雨事件期间对全尺寸DSM-flux装置的现场观测证实了实验室观测结果，并确认了该设施拦截颗粒的能力。
**论文解读：DSM-flux的水动力学特征及颗粒拦截-卷吸性能研究**
**研究背景与问题**
合流制污水溢流(CSOs)是城市排水系统在强降雨时的重要泄洪设施，但溢流水携带大量污染物（如悬浮固体、有机物、微塑料等）排入受纳水体，导致富营养化、微生物污染和水质恶化。快速城市化、基础设施老化和气候变化加剧了溢流频率和污染负荷。现有监测技术难以同时精确测量溢流水量和污染物浓度，而传统拦截设施（如沉淀池）缺乏对水动力学与颗粒沉降关系的深入理解。因此，需开发一种集成监测与拦截功能的新型技术。DSM-flux（暴雨与合流制污水流量监测及污染物通量控制装置）通过其独特几何结构（上游稳定池与双堰溢流室组合）实现流量测量和颗粒污染物拦截，但对其水动力学行为及拦截效率的实验验证尚属空白。本研究旨在小尺度下系统评估DSM-flux的拦截-卷吸性能，并揭示水动力学参数对沉积/再悬浮的调控机制。论文发表在《Journal of Environmental Management》。
**关键技术与方法**
研究人员构建了1:2几何比尺的DSM-flux小尺度物理模型（材料为聚氯乙烯(PVC)和不锈钢），基于Froude相似性设计。主要技术方法包括：（1）使用三维声学多普勒测速仪(ADV)（Nortek Vectrino，精度±0.5%）在稳定区和溢流区两个深度（近底部和近表面）测量时均流速和Reynolds应力，采样频率50 Hz，采用Phase-Space Threshold去噪和12点三阶多项式插值处理尖峰；（2）通过颗粒注入实验（Poraver玻璃珠，粒径100–300 μm，密度1240 kg/m
3）模拟悬浮物，在恒定流量（2 l/s和5 l/s）下分两阶段测试拦截效率（阶段1：颗粒注入后沉积；阶段2：清水冲刷卷吸），用筛网收集溢出颗粒并称重（OHAUS天平，精度±0.01 g）计算质量平衡；（3）全尺寸现场验证：DSM-flux装置安装于法国Sathonay-Camp的OTHU（城市水文学野外观测站）站点，通过视频记录暴雨事件中的沉积演变。
**研究结果**
**3.1 主要流态（Main flow patterns）**
通过ADV测量三个入流流量（2、5、9 l/s）下的时均速度场，发现在稳定区和溢流区，近底部流速降低至入流管平均流速的1/9–1/28，近表面流速为1/4–1/10，表明DSM-flux具有显著的能量耗散作用。流场呈双主流束分布（对称轴两侧速度略低），近底部横向流指向中心，近表面横向流指向壁面，形成大尺度涡旋。高流量（9 l/s）时，横向流减弱，壁面附近近底部流速高于中心。竖直速度分量无明显规律。
**3.2 拦截率与卷吸率（Interception and entrainment rates）**
颗粒注入实验表明：低流量（2 l/s）下拦截率最高达53.6%，高流量（5 l/s）下降至25.8%；相同流量下，颗粒浓度（130 mg/l vs. 560 mg/l）不影响拦截率（均约50%）。卷吸阶段（清水冲刷）中，在相同流量下，绝对卷吸质量恒定（约10 g），与初始沉积量无关，表明卷吸能力受水动力学限制而非可用颗粒质量。沉积图显示，低流量时沉积均匀分布在稳定区下游2/3区域至近端墙，高流量时沉积仅局限在更小区域，且壁面附近和端墙前出现无颗粒带。
**3.3 近底部湍动能(TKE)分布与沉积/卷吸的关系（Relationship between near-base TKE distribution and settling/entrainment）**
将沉积图与近底部TKE（计算为0.5*(
vx2>+vy2>+vz2>)）分布叠加，发现沉积优先发生在低TKE区域：2 l/s时TKE < 7.5×10-4 m2/s2，5 l/s时TKE < 1.2×10-3 m2/s2。高TKE区域（如消能区下游、双主流束对应处）抑制沉积或促进再悬浮。低流量下沉积层呈抛物线形，高流量下高TKE区域扩展，沉积范围缩小。卷吸（阶段2）从壁面附近和抛物线后缘开始，形成冲沟。
**讨论与结论**
讨论部分指出，近底部TKE是控制沉积/再悬浮的可靠判据，验证了前人数值研究中TKE阈值的适用性。现场视频（Sathonay-Camp站点）证实全尺寸DSM-flux在暴雨事件中（峰值流量60 l/s）仍能保持沉积物，与实验室1:2模型观察一致，但真实CSO水中含有多种颗粒（砂、细砾、有机物）和生物膜，可能增强颗粒间粘聚力并改变沉积形态，导致现场沉积量高于实验室。未来需在含有机质和多样颗粒的条件下测试。
**研究结论**：本研究在小尺度上实验评估了DSM-flux水力结构的颗粒拦截和卷吸能力。近底部湍动能(TKE)强烈控制沉降和再悬浮，沉积优先发生在低归一化TKE区域（2 l/s时<7.5×10-4 m2/s2，5 l/s时<1.2×10-3 m2/s2），确认TKE是预测此类过程的可靠判据。沉积模式和TKE分布受流量影响：低流量导致更均匀的沉积，高流量扩展高TKE区域，减少颗粒沉降并增加再悬浮。DSM-flux在低稳定流量（2 l/s）下可拦截高达约50%的轻质颗粒，但效率随流量增加而降低。全尺寸现场观测证实了DSM-flux的拦截能力，即使在高达60 l/s（超过Froude相似缩比原型等效的2倍）的高流量下沉积物仍保持稳定，但未来需解决有机质、生物膜、颗粒多样性和底床改性等增强粘附效应（实验室1:2模型中缺失）。总体而言，DSM-flux为CSO颗粒污染物提供了有价值的监测与缓解组合方案。定期维护以防止多次事件后颗粒再悬浮至关重要。这些结果通过展示一种实用技术的有效性，推进了城市湿天气排放管理，有助于减少排放污染物负荷、支持法规合规并改善受纳水体保护。
