影响清水池t10／T值的因素试验研究

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论文作者：金俊伟 刘文君 刘丽君 张劲松

摘要：本文主要从优化消毒的角度介绍优化清水池水力条件的必要性和原理，以及时间停留函数在清水池研究中的应用。根据Froude相似定律，以笔架山示范工程的清水池为原型设计中试模型，并进行不同条件下的示踪实验，证明不同清水池导流板设置的条件对t10/T的影响，并据此建议原型清水池的设计条件。通过对深圳水务集团的若干清水池进行示踪研究，得到各个清水池的停留时间分布函数和t10/T等参数，并对实验结果进行了讨论。

关键词：消毒 清水池 t10/T 停留时间分布函数

近年来由于全世界范围对消毒副产物的重视，使清水池设计的改进成了减少消毒副产物的重要手段[1,3,5,6]。主要的手段是改进清水池内水力学条件，使清水池内流态尽可能接近理想推流，评价指标为t10/T值，T为水力停留时间， t10/T值越高，清水池内流态越好。t10的意义和确定方见文献[1]，也可以通过CFD（计算流体力学）软件计算。

除了t10/T之外，另外几个参数也可以用来衡量清水池的水力效率，分别是t90/T，σt2 。t90/T也是衡量水力特性的重要参数，t10/T往往代表的是短流的程度。而t90/T主要代表循环流的程度。两者越接近1流态就越接近活塞流（理想推流）。通过停留时间分布(RTD)计算无因次方差σt2 ，示踪实验的方差又称离散指数[5]，是对示踪实验整体的时间分布函数曲线的数据做统计分析。由于方差是表示时间分散程度的量度，方差越小，停留时间分布越窄，越趋于其平均停留时间，此时的流体越接近于活塞流；相反方差越大，停留时间分布越宽，流动状况就越接近于全混流。

目前对于影响清水池水力效率的研究在国内还少见报道，彭期冬[4]用PLIF技术来研究清水池内部溶质输移扩散情况。国外对清水池水力条件的研究则比较多。Bishop[5]采用1/24和1/42的比尺对清水池进行缩小模型的研究，并发现通过增加清水池中的隔板数，提高L/W（长宽）比，可以增加t10/T值。Hannoun[6]等在1998年用CFD来优化清水池的接触时间，包括圆形和矩形清水池的挡板对接触时间的影响，也发现清水池内流道的长宽比是影响t10/T主要因素。因此本试验将通过中试和实际清水池示踪试验研究清水池流道长宽比对t10/T值的影响。

1.1中试研究

实际清水池的示踪实验由于实验条件受限制（进出水量不平衡，出水余氯不稳对电导率的影响，试验条件难改变等），试验中可改变的因素不多，所以需要设计物理比例模型进行进一步的研究。中试实验可以通过改变廊道的数量，进口流量等参数，来研究它们与t10/T值的关系。

1.1.1 药品

示踪剂为NaF，配制成浓度为40g/L的投加液，投加量以清水池为全混式、投加后NaF浓度为2mg/L计算。

1.1.2仪器

ORION290A型氟离子电极

1.1.3 实验设计及实验过程

一般敞开的自由液面的水力结构可以按照Froude相似定律来设计中试模型来设计（式3）

(3)

式中：V：流速，m/s

g：重力加速度，m/s2

L：长度,m。

中试模型的原型为深水集团863示范工程的二号清水池。二号清水池为低位清水池，设计进水水量为32万m3/d，调蓄容积为5.12万m3，调蓄能力为16 %。清水池共分两座，结构一样，中试实验只模拟其中一座。中试的清水池与原型的清水池的无量纲数弗劳德数（Froude）相同，考虑到试验场地尺寸，以及后续实验的用水量，采用比尺为38，根据这一比尺，模型相对原型的几何尺寸比例如表1：

表1 中试模型与原型比例参数

模型参数 比尺 比例 长度 L 1:38 面积 L2 1:1444 体积 L3 1:54872 速度 L0.5 1:6.2 时间 L0.5 1:6.2 流量 L2.5 1:8889

物理模型采用表1中所列的缩减比例，设计中试清水池几何尺寸和水力特性如表2，模型示意图见图1。

表2 物理模型几何尺寸和水力特性

长度(m) 宽度(m) 高度(m) 管径(mm) 自由液面高度(m) 中试模型 3 1 0.6 50 0.37

1.2 实际清水池研究

实际清水池示踪研究选择深圳水务集团的四个代表性水厂：沙头角水厂，笔架山水厂，梅林水厂和大冲水厂，水厂清水池基本参数见表3。

1.2.1药品

示踪剂为NaCl。

1.2.2分析仪器

浓度测定参数为电导率。仪器为EUTECH CyberScan Pc 510电导率仪。

1.2.3实验设计及实验过程

以NaCl为示踪剂，投加量以清水池为全混式、投加后NaCl浓度为2mg/L计算，在清水池入口瞬时投加已溶解的NaCl溶液。在出口以T/30的时间间隔进行取样并测相应的电导率。通过离散的电导率值得到液龄分布函数和累积液龄分布函数，在累积液龄分布函数图上得到相应的t10值。

表3　各水厂水量及清水池容量调查

沙头角 梅林 笔架山 大涌 水量（×103　 m3） 50 600 320 350 清水池容量(m3) 9100 89400 20000 50000 调蓄容积百分比(%) 18.2 14.9 6.2 14.3

2.1 中试

中试实验结果如表4和图4所示。可以发现挡板数量对水力效率有着很大的影响，t10/T随着总长宽比增大而增大，呈对数关系，若令Y=t10/T，x=L/W值，有：Y=0.1851Ln(x)-0.0439。这个结果与Mark M. Clark的研究比较接近，其试验结果是Y=0.1984Ln(x)-0.0019[3]。但总长宽比在超过50左右以后，对清水池的t10/T的影响将会减少。相反，t90/T，σt2都和流道总长宽比是呈乘幂关系，随着总长宽比的增大而减少。可以看出，σt2与t10/T有着很好的负相关性，σt2值越小，表明清水池出水的示踪剂的停留时间分布越集中，流态就越接近活塞流。另外在廊道数比较多的情况下，流速对t10/T有着一定的影响，流速越快则雷诺数越高，使流态具有湍流的特征，其断面流速则越平均，从而接近活塞流。通过中试实验，表明笔架山示范工程二号清水池的导流墙设置为4个，总长宽比在73时，其t10/T值将大于0.75，这样可以达到较优化的水力效率。

2.2 实际清水池试验

影响t10/T的主要因素有清水池水流廊道的总长宽比、廊道的转弯数和形式、池型、进出口条件，其中总长宽比是最主要的影响因素。从表5及图5可以看出实际清水池的t10/T随着总长宽比的增加而增加，t90/T和σt2随总长宽比的增加而减少，说明随着清水池随着总长宽比的增加，其流态越来越接近活塞流。但其中大冲水厂由于示踪实验后期的出水电导比较大，导致其t90/T的偏高。另外可以看到，t10/T和σt2 有很好的相关性，即方差越小，t10/T值越高，反之亦然。因此除了t10/T外，方差σt2 也是一个重要的参数。另外当总长宽比大于一定值时，它的增大对t10/T和t90/T的影响非常小，也就是对流态的影响不大。

图4　 中试t10，t90，σt2与流道长宽比的关系（2m3/h）

表4　 中试实验数据

挡板数 总长宽比 2(m3/h) 3(m3/h) t10/T t90/T σt2 t10/T t90/T σt2 7 178 0.87 1.24 0.021 0.92 1.41 0.017 3 44 0.71 1.27 0.053 0.77 1.28 0.040 1 11.5 0.44 1.5 0.203 0.33 1.52 0.333 0 3 0.12 1.82 0.743 0.06 0.65 0.563

图5　 σt2与t10以及 σt2，t10，t90 和与实际清水池流道长宽比的关系

表5　各水厂清水池的实验数据

清水池所在水厂 总长宽比　 t10

水力停留时间T

t10/T

t90/T

σt2

(min)

(min)　 沙头角水厂

53

93

168

0.55

0.99

0.064

笔架山水厂

14

57

134

0.42

1.60

0.197

梅林水厂

54

30

44

0.68

1.41

0.078

大冲水厂

30

60

97

0.61

1.80

0.129

根据Froude相似定律设计并进行的清水池的中试模型实验，采用与原型1/38的缩小比例进行设计，通过模型实验来对将要设计的实际清水池进行优化设计。结果表明在清水池水t10/T值与流廊道总长宽比呈对数关系，并得到相应的公式用于原型清水池的导流墙的设置，确定原型示范工程二号清水池的导流墙设置应为4个，总长宽比为73，可以达到t10/T值>0.75的设计目标。而清水池的t90/T，σt2 都和流道总长宽比是呈乘幂关系，随着总长宽比的增大而减少。研究也发现在总长宽比大于一定值后，再增加长宽比对t10/T的提高有限，提高流速对t10/T有一定的增加作用。

对深圳水务集团下属水厂的清水池示踪研究结果表明清水池水流廊道的长宽比与t10/T、t90/T和 σt2成一定的线性关系，并且与中试结论同时验证了t10/T随着示踪实验方差σt2 增加而减小的规律。因此可以以t10/T、t90/T以及 σt2来衡量清水的水力效率,而清水池的总长宽比对t10/T有着主要的影响，为了提高清水池的t10/T值，进而提高消毒效果、减少消毒副产物的产生，可以采用增加清水池导流板的方式。

参考文献

[1] 刘文君，张金松等，清水池改进设计原理及应用 给水排水 Vol.30,No5 2004

[2] James M. Montgomery Consulting Engineers, Inc. Water Treatment: Principles and Design. Wiley Interscience, New York, NY, 1985.

[3] G.F. Crozes，M.M. Clark. Improving Clearwell Design for CT Compliance. American Water Works Association Research Foundation .1998.1-2

[4] 彭期冬，王虹，蛇型消毒池模型浓度场实验研究,(待发表)。

[5] M. M.Bishop，M. Mark，C. Brendon，K.J. Donald，Improving the Disinfection Detention Time of a Water Plant Clearwell. Jour.AWWA,1993 85(3)68

[6] I.A. Hannoun，P.F. Boulos，E.J. List. Using Hydraulic Model to Optimize Contact Time.Jour.AWWA,1998，90:8:77