蔡金榜，朱亮
(河海大學(xué)水文水資源及環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 　210098)

　　摘　要：敘述了周邊進(jìn)水沉淀池配水槽的等孔距和變孔距配水兩種設(shè)計(jì)方法，從其優(yōu)缺點(diǎn)分析上可知變孔距法的穩(wěn)定性和可靠性更強(qiáng)。結(jié)合實(shí)例詳細(xì)介紹了變孔距法的具體計(jì)算過程并研究了影響計(jì)算結(jié)果精度的因素。
　　關(guān)鍵詞：沉淀池；配水槽；變孔距法；等孔距法
　　中圖分類號：X703.3
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)05-0053-03

　　周邊進(jìn)水沉淀池是一種新池型，它具有耐沖擊能力強(qiáng)、水力負(fù)荷高、沉降歷時短、沉淀區(qū)容積利用率高等優(yōu)點(diǎn)，但其運(yùn)行效果受配水槽配水均勻性的制約，若配水槽配水不均勻，則其優(yōu)越性就難以體現(xiàn)，因而配水槽是周邊進(jìn)水沉淀池的關(guān)鍵部位。目前常用的配水槽設(shè)計(jì)方法有等孔距法和變孔距法兩種。

1 設(shè)計(jì)方法

　　① 變孔距法?
　　變孔距法是將配水槽分為變寬段和等寬段，配水槽寬度在變寬段沿程逐漸減少直至等寬段，這樣環(huán)槽水流在槽內(nèi)流速基本保持不變，從而最大限度地降低環(huán)槽流速。槽內(nèi)水深在變寬段沿程減少，到達(dá)等寬段后由于壅水現(xiàn)象水深又沿程微增。為了防止污泥在槽內(nèi)因流速過小而沉積，應(yīng)按最小時流量和最小允許流速確定配水槽起始寬度，使得任何流量下流速v都能大于最小流速。按平均時流量計(jì)算槽內(nèi)各點(diǎn)水深并繪出相應(yīng)的水面曲線圖，以水面曲線 落差(dH)約1cm將水面曲線分為若干段，計(jì)算出每一段內(nèi)的平均配水頭和單孔泄流量，最后計(jì)算出每一段的平均孔距和孔數(shù)。?
　?、?等孔距法?
　　等孔距法與變孔距法以提高配水均勻穩(wěn)定性為目標(biāo)、最大限度降低環(huán)槽流速的設(shè)計(jì)思路不同，它強(qiáng)調(diào)保持槽內(nèi)水深沿程不變(即H=H₀)，水面沿程為水平線，槽內(nèi)外水位差沿程不變，由此可知配水槽內(nèi)各點(diǎn)配水頭也沿程不變。由孔口出流量q=μA(2gZ)^1/2可得各孔出流量都相等，孔口數(shù)m=Q0/q，配水孔平均間距C=L_０／m(常數(shù))。
　　③ 兩種方法比較
　　采用等孔距法設(shè)計(jì)的配水槽布水孔沿池周均勻分布并與池中心對稱，幾何特性好，但二沉池配水槽內(nèi)的水流運(yùn)動屬于緩流，其Fr=V/(gL)^1/2＜1，由此可見水流動能沿程減少，勢能必然增加，但其增加的速率比機(jī)械能損失量快，于是出現(xiàn)了流量沿程減少而 水流沿程壅高，這和配水均勻性相矛盾。因此必須沿程增加槽寬或變化槽底坡度以減少壅水高度ΔH?？紤]到施工方便，一般采用改變槽寬來保持水深沿程不變。但由于壅水曲線 不是直線變化，而是沿程變化復(fù)雜，因此不易保證施工精度。另外槽內(nèi)流速沿程減少，不利于在保證速度vmin≥0.3m/s的前提下降低速度v，當(dāng)取末端流速為0.3m/s時，前端流速＞0.3m/s，而且越靠近起點(diǎn)流速越大，因而受施工精度、流量變化影響較大，配水均勻穩(wěn)定性較差。?
　　變孔距法雖沒有等孔距法幾何對稱的優(yōu)點(diǎn)，但它能夠最大限度地降低流速使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符合。配水槽變寬段的槽寬沿直線變化，施工容易，而且配水均勻基本不受日常流量變化的影響，因此變孔距法較等孔距法配水的穩(wěn)定性和可靠性都會增強(qiáng)。?

2 配水槽變孔距法的設(shè)計(jì)計(jì)算

　　① 配水槽寬度B計(jì)算?
　　為了防止混合液在配水槽內(nèi)發(fā)生淤積，環(huán)槽流速不應(yīng)低于0.3m/s[1]。為方便施工，配水槽底宜采用平底，布水孔的孔徑要一樣大，槽寬不宜小于0.3m。因此令變寬段vm0=0.3m/s，等寬段B=0.3m，按最小流量Qm確定配水槽寬度得：
　　
　　變寬段長度Lc=(1-0.3／B0)L₀，等寬段長度LE=0.3／B₀L₀。?
　?、?布水孔間距?
　　按平均時流量Qh確定布水孔間距，把式(1)代入能量微分方程，且因流速v較小，將gH-v2≈gH，則能量微分方程可化為：?

　　

　　對應(yīng)于Qh的起點(diǎn)水深Hh0為：
　　?H_h0≈H_m0+[1-(H_h0Q_m／H_m0Qh)²]Z_h0?　　(3)?
　　選擇合適的配水水頭Zh，解式(3)方程確定相應(yīng)的H_h0，代入式(2)求出H并作出水面曲線H，則距起點(diǎn)Li處的配水水頭Z=Zh0+Hi-Hh0。該點(diǎn)設(shè)布水孔時，對應(yīng)的單孔泄流量q由孔口的孔徑d和孔上配水水頭所決定，即qi=μA[KF(]2gZi[KF)]，孔距C=L０/(Qh/qi)。其中μ為流量系數(shù)，A為布水孔口斷面面積。

3 　應(yīng)用實(shí)例

3.1 基本計(jì)算條件
　　某城市污水采用活性污泥法處理，二沉池采用周邊進(jìn)水輻流式沉淀池，根據(jù)表面負(fù)荷率要求已定沉淀池直徑D=36m，由配水井進(jìn)入配水槽的流量Qh=1875m³/h，為了施工方便，配水槽底坡i=0。?
　?、?周邊進(jìn)水沉淀池一般用作大、中型污水處理廠二沉池，流量變化不大，Qm/Qh≥0.5，現(xiàn)取Qm=0.6×Qh=1125m³/h。?
　?、?布水孔孔徑d的確定?
　　在給水中采用孔口配水時孔徑一般為100mm，但周邊進(jìn)水沉淀池多用于污水處理廠二沉池，二沉池進(jìn)水懸浮物很多，其混合液濃度都在2000mg/L～4000mg/L之間，且絮凝性能較好。為了避免堵塞孔口，配水孔的孔徑采用d=100～200mm為宜。本例采用d=100 mm。?
　?、?配水槽為矩形過水?dāng)嗝?，設(shè)槽內(nèi)允許流速vm=0.3m/s：
?　　　　B₀=H_m0=（Qm／0.3）^1/2=1.02m?
　?、?等寬段槽寬B=0.3m，長度Lc，變寬段長度IE，則：
　　　?L_E=(1-0.3／B₀)×L₀=79.83m?
?　　　L_c=L₀-L_E=33.27m?
　　當(dāng)L≤LＥ時，B=B0×(1-L／L0)=1.02×(1-L／L0)，當(dāng)LE＜L≤L0時B=0.3m。?
　?、?計(jì)算對應(yīng)于Qh的起點(diǎn)水深Hp0
　　把式(3)化為Ｈ_n+1h₀₌H_m0+[(1-Hⁿ₀×Q_m)/H_m0×Qh)²]×Z_h0，對該方程采用循環(huán)迭代法求解，直至｜Hⁿ⁺¹_h0=H^h_h0｜＜ε。現(xiàn)取初值H0h0=1.0m、Zh0=0.1m、控制因子ε=0.01，經(jīng)計(jì)算得Hh0=Hn+1h0=1.0839m。?
　?、?配水槽水面曲線
　　將整個計(jì)算長度(沉淀池周長)分為若干段，對每一小段而言，可以把式(2)化為：

　　

　　　　?Hi+1=Hi+ΔH(i=1,Λ，nn)
　　式中 ?nn——配水槽等分段數(shù)
　　　　　ΔH——相鄰兩段水位差?
　　　　　ΔL——相鄰兩段長度
　　 取長度步長ΔL=0.01m，H0=Hh0，就可計(jì)算出配水槽水面高度H，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。?

　　⑦ 計(jì)算孔距Ci和孔數(shù)mi
　　根據(jù)繪出的水面曲線圖，按水面曲線落差為1cm將其分為三段，確定各段的長度L_i和配水頭Z_i，q_i、Ci和mi的計(jì)算如下：qi=μA(2gZi)^1/2，Ci=L_０/(Qh/qi),mi=li／Ci，其中取流量系數(shù)μ=0.062。?
3.2 計(jì)算結(jié)果及分析
　　各段計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 配水槽計(jì)算結(jié)果 段名 長度(m) 起點(diǎn)水深(m) 孔泄流量(10-3m³/s) 孔距(m) 孔數(shù) 平均流量[JP5][10^-3m³/(m·s)] 一 44.88 1.0839 6.304338 1.36 33 4.635526 二 25.60 1.0739 5.925005 1.28 20 4.628910 三 42.62 1.0639 5.99129 1.21 35 4.598389 合 計(jì) 113.1 　 　 　 88 　

　　則計(jì)算配水槽進(jìn)水流量為0.5225m³/s。
　　平均流量?qi=mi×（qi／Li)。
　　計(jì)算結(jié)果的影響因素分析：?
　?、?配水槽中水流除受重力、浮力和阻力作用外，同時受到離心力的作用而產(chǎn)生螺旋流，水流紊動加大使布水孔的流量減少，造成實(shí)際情況與計(jì)算有一定的差異。在沉淀池直徑較大、配水槽內(nèi)水流流速較小的情況下，計(jì)算結(jié)果才比較接近實(shí)際；
　?、?配水槽中的粗糙系數(shù)n一般在0.012～0.014之間，不容易精確估計(jì)，因而也會給計(jì)算結(jié)果帶來一定的誤差；?
　?、?實(shí)際水流環(huán)槽圓周流動且流動中沿布水孔泄流，屬于明渠非均勻流，但計(jì)算中將它簡化為直線漸變流，因而造成一定的誤差；
　?、?計(jì)算中認(rèn)為配水槽斷面上各點(diǎn)流速大小相等，但實(shí)際中由于液體的粘滯性和池壁的阻滯作用及離心力作用，斷面上各點(diǎn)流速大小不相等，水流最大流速偏向槽外緣。鑒于這種情況，只有在水流平均流速較小、池直徑較大時，實(shí)際同理想狀態(tài)才比較一致。?

4 　結(jié)論

　　① 變孔距法配水的穩(wěn)定性和可靠性比等孔距法好，基本不受日常流量變化影響，且能夠很好滿足配水均勻性的要求。?
　　② 變孔距法強(qiáng)調(diào)流速基本不變，能夠最大限度降低環(huán)槽流速，使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況更加吻合。
　　③ 采用變孔距法設(shè)計(jì)配水槽時，槽寬沿程直線變化，易施工，而且可以把配水槽和集水槽合建，總寬度沿程不變。

參考文獻(xiàn)：

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　　收稿日期：2001-09-17