陳 莉，范躍華
（華中科技大學(xué)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430074）

　　摘要：提出一種水處理絮凝一沉淀池設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化方法，并用Autolisp語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)設(shè)計(jì)、計(jì)算、繪圖的功能。此方法也可以推廣應(yīng)用于其它水處理構(gòu)筑物設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)智能化。
　　關(guān)鍵詞：絮凝池；標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)；Autolisp語(yǔ)言
　　中圖分類號(hào)：TP312；TU991.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1009－2455（2001）06－0057－03

概述

　　近幾年來(lái)，CAD技術(shù)已被各種門類的廣大工程技術(shù)人員用作產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)，并作為分析和繪圖的有效工具，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和工程設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。CAD技術(shù)把計(jì)算機(jī)的快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)者的邏輯思維及綜合能力結(jié)合起來(lái)，可以加速設(shè)計(jì)進(jìn)程?？s短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。筆者將AutoCAD內(nèi)嵌的Autolisp語(yǔ)言應(yīng)用于水處理構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)。以柵條式水力絮凝一沉淀池平面圖設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明如何充分利用Autolisp的計(jì)算功能，使計(jì)算結(jié)果即可用于繪圖，實(shí)現(xiàn)快速、高效、智能化設(shè)計(jì)的繪圖工作。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 柵條式水力絮凝池的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化
　　柵條式水力絮凝池的計(jì)算通常都是按照《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行的，這種方法在實(shí)際計(jì)算時(shí)是可行的，但存在以下幾個(gè)問(wèn)題：①以流速v作為設(shè)計(jì)參數(shù)存在不合理性，水力攪拌絮凝池是通過(guò)水力作用（同時(shí)消耗水體能量）達(dá)到使絮體并大的目的，絮凝效果只與有效能耗直接相關(guān)；②進(jìn)行流速參數(shù)重新選用時(shí)，原先的計(jì)算全部作廢，故計(jì)算效率降低；③如用計(jì)算機(jī)計(jì)算，以往的設(shè)計(jì)軟件沒有自動(dòng)調(diào)整參數(shù)的功能，需人為干預(yù)。
　　針對(duì)上述情況，筆者提出一種有利于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法，稱之為能耗分配法，程序步驟如下所述：
　?、俑鶕?jù)設(shè)計(jì)流量，選擇合適的絮凝池池型；
　?、谳斎胛ㄒ坏脑O(shè)計(jì)參數(shù)，即絮凝時(shí)間t，t可根據(jù)《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》或生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定，對(duì)水力柵條絮凝池，t=8～15 min；
　?、鄹鶕?jù)h＝α·t，計(jì)算絮凝池總水頭損失H。其中α為單位反應(yīng)時(shí)間的能耗（水頭損失）。此公式反映了絮凝池水頭損失同絮凝時(shí)間之間的關(guān)系。該公式的理論基礎(chǔ)是：由速度梯度G值的計(jì)算公式式（l），因?yàn)棣谩ⅵ叹鶠槌?shù)，要保證G值在一定范圍內(nèi)，h／t必為一定范圍內(nèi)的值，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)，平均G值大致40～50 S^-1較合適，經(jīng)過(guò)計(jì)算：

　　α＝h／t＝1.0～1.5cm／min；

　　速度梯度C的計(jì)算公式：

　　G＝［（γ/μ）×（h/t）］^0.5　　　　　　　　(1)

　　式中：G——速度梯度，S^-1；
　　　　　γ——水的重度，N／m³；
　　　　　h——絮凝池水頭損失，m；
　　　　　μ——?jiǎng)恿φ承韵禂?shù)，Pa·s；
　　　　　t——絮凝時(shí)間，S。

　　④能耗分配：筆者根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)新型絮凝池的水頭損失與絮凝時(shí)間之間的關(guān)系，繪出如圖1曲線。

　　其中Xi=ti／t，ti表示絮凝歷時(shí)；

　　yi=hi／h，hi表示由t＝0到t＝ti這段時(shí)間內(nèi)的累計(jì)水頭損失；

　　設(shè)曲線方程為 y＝x／（ax＋b），整理得：

　　1/y=a+b/x

　　作直線擬合，求得系數(shù)a≈0.8，b≈0.2故得到能耗分配公式：

　　y＝x／（0.8x＋0.2）　　　　　　　　 （2）

　　將絮凝池分為N段，每段的水頭損失可用以上能耗分配經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

　　故X為無(wú)因次累計(jì)絮凝歷時(shí)，y為無(wú)因次累計(jì)水頭損失。通常將絮凝池分為三段，則三段的水頭損失分別為：

　　　　h₁＝y(tǒng)₁·h
　　　　h₂＝（y₂－y₁）·h　　　　　　　　（3）
　　　　h₃＝（y₃－y₂）·h

　?、葸x定每段柵條板層數(shù)ni，計(jì)算出一層?xùn)艞l板的水頭損失h_0i；及相應(yīng)的開孔率εi；

　　　 h_0i＝h_i／n_i；　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （4）

　　并由水頭損失計(jì)算公式（式5）計(jì)算開孔率（式6）：　　　　　　　　　　　　　　　　　　2

　　式中　v——空室流速，m／s；
　　　　　V_1——水流通過(guò)柵條的流速，簡(jiǎn)稱過(guò)柵流速，m／s；
　　　　　g——重力加速度，m／s²。

　　⑥校核G、GT值：由于在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，G值和GT值已考慮在合理范圍內(nèi)，故這一步計(jì)算后整個(gè)計(jì)算過(guò)程結(jié)束。
　　上述水力絮凝池計(jì)算的能耗分配法從能量損失的觀點(diǎn)出發(fā)，充分考慮了能耗適應(yīng)絮體成長(zhǎng)的需要，編成計(jì)算機(jī)程序也是十分方便的。以往在進(jìn)行水處理構(gòu)筑物設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于各個(gè)設(shè)計(jì)者所選參數(shù)的不同，因此計(jì)算結(jié)果會(huì)有較大差異；而采用上述方法，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，如果不是有意識(shí)地人為干預(yù)參數(shù)的選擇，其計(jì)算結(jié)果將是唯一的，這就是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。
1.2 絮凝池平面布置標(biāo)準(zhǔn)化
　　根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果，即可進(jìn)行平面布置，同樣以柵條絮凝池設(shè)計(jì)為例，如下所述：
　?、俑鶕?jù)流量大小，選用已事先標(biāo)準(zhǔn)化的池型，例如采用30格模式（昆山模式）、18 格模式（洪湖模式）等多種標(biāo)準(zhǔn)形式；
　?、诟鶕?jù)V＝Q·t，計(jì)算出絮凝池體積V；
　?、鄹鶕?jù)A＝V／H（H為絮凝池高度基本為定值，由后續(xù)斜管沉淀池高度確定），計(jì)算絮凝池面積A，然后根據(jù)所選池型的不同，計(jì)算單格面積a=A／n（n為格數(shù)）；
　?、艽_定單格的平面尺寸；
　　⑤其它各種尺寸和參數(shù)均按預(yù)先標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)池型進(jìn)行計(jì)算和繪圖。
　　綜上所述，將絮凝池的平面布置設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化后，可以很方便地用Autolisp語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，所編程序也十分簡(jiǎn)潔。
1.3 沉砂池、沉淀池設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化
　　沉砂池、沉淀池的設(shè)計(jì)計(jì)算采用《手冊(cè)》中的方法，平面布置應(yīng)考慮與絮凝池的銜接，這樣即可得到標(biāo)準(zhǔn)化池型。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算軟件

　　基于以上思想筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)集設(shè)計(jì)、繪圖于一體的柵條絮凝一斜管沉淀池的程序，用Autolisp語(yǔ)言編寫，該程序只需輸入設(shè)計(jì)流量和絮凝時(shí)間，其余計(jì)算和繪圖則均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，程序運(yùn)行后輸出平面布置圖和計(jì)算結(jié)果。參數(shù)輸入亦可通過(guò)人機(jī)對(duì)話的形式進(jìn)行。

2.1 主程序框圖
　　該程序由幾個(gè)子程序構(gòu)成，主程序框圖如圖2。

2.2 程序的操作
　　該程序只需輸入流量Q和絮凝時(shí)間t，就可以輸出相應(yīng)的參數(shù)和絮凝沉淀池平面圖。

3 結(jié)語(yǔ)

　?、僭谒幚砉こ淘O(shè)計(jì)計(jì)算中，傳統(tǒng)算法都是先進(jìn)行參數(shù)的選取，參數(shù)選擇的范圍較大，選取得是否合理依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。本設(shè)計(jì)采用了一種標(biāo)準(zhǔn)化的方法，減少參數(shù)的選擇，并使計(jì)算過(guò)程一步完成。此方法可推廣到其它水處理構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)中，必將大大簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。
　?、谒幊绦蚣饶苡糜?jì)算機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算，也能通過(guò)人機(jī)對(duì)話設(shè)計(jì)計(jì)算。
　?、塾伤幊绦蚩芍苯由善矫娌贾脠D，可作為實(shí)際出圖的樣板模塊加以使用，至于有關(guān)剖面圖、大樣圖，可按以上思路作同樣處理自動(dòng)計(jì)算和出圖。
　?、苣壳八鞯降膬H是自動(dòng)顯示計(jì)算結(jié)果和樣板模塊，如何將各樣板模塊集成化，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)出圖，還需作進(jìn)一步的研究。

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作者簡(jiǎn)介：陳莉（1977－），女，華中科技大學(xué)環(huán)境學(xué)院在讀研究生，從事水處理工程研究；范躍華，華中科技大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授，研究方向：水處理工程。