周边进水沉淀池配水槽的设计计算

蔡金榜，朱亮
(河海大学水文水资源及环境学院，江苏南京 　210098)

　　摘　要：叙述了周边进水沉淀池配水槽的等孔距和变孔距配水两种设计方法，从其优缺点分析上可知变孔距法的稳定性和可靠性更强。结合实例详细介绍了变孔距法的具体计算过程并研究了影响计算结果精度的因素。
　　关键词：沉淀池；配水槽；变孔距法；等孔距法
　　中图分类号：X703.3
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2002)05-0053-03

　　周边进水沉淀池是一种新池型，它具有耐冲击能力强、水力负荷高、沉降历时短、沉淀区容积利用率高等优点，但其运行效果受配水槽配水均匀性的制约，若配水槽配水不均匀，则其优越性就难以体现，因而配水槽是周边进水沉淀池的关键部位。目前常用的配水槽设计方法有等孔距法和变孔距法两种。

1 设计方法

　　① 变孔距法?
　　变孔距法是将配水槽分为变宽段和等宽段，配水槽宽度在变宽段沿程逐渐减少直至等宽段，这样环槽水流在槽内流速基本保持不变，从而最大限度地降低环槽流速。槽内水深在变宽段沿程减少，到达等宽段后由于壅水现象水深又沿程微增。为了防止污泥在槽内因流速过小而沉积，应按最小时流量和最小允许流速确定配水槽起始宽度，使得任何流量下流速v都能大于最小流速。按平均时流量计算槽内各点水深并绘出相应的水面曲线图，以水面曲线 落差(dH)约1cm将水面曲线分为若干段，计算出每一段内的平均配水头和单孔泄流量，最后计算出每一段的平均孔距和孔数。?
　　② 等孔距法?
　　等孔距法与变孔距法以提高配水均匀稳定性为目标、最大限度降低环槽流速的设计思路不同，它强调保持槽内水深沿程不变(即H=H₀)，水面沿程为水平线，槽内外水位差沿程不变，由此可知配水槽内各点配水头也沿程不变。由孔口出流量q=μA(2gZ)^1/2可得各孔出流量都相等，孔口数m=Q0/q，配水孔平均间距C=L_０／m(常数)。
　　③ 两种方法比较
　　采用等孔距法设计的配水槽布水孔沿池周均匀分布并与池中心对称，几何特性好，但二沉池配水槽内的水流运动属于缓流，其Fr=V/(gL)^1/2＜1，由此可见水流动能沿程减少，势能必然增加，但其增加的速率比机械能损失量快，于是出现了流量沿程减少而 水流沿程壅高，这和配水均匀性相矛盾。因此必须沿程增加槽宽或变化槽底坡度以减少壅水高度ΔH。考虑到施工方便，一般采用改变槽宽来保持水深沿程不变。但由于壅水曲线 不是直线变化，而是沿程变化复杂，因此不易保证施工精度。另外槽内流速沿程减少，不利于在保证速度vmin≥0.3m/s的前提下降低速度v，当取末端流速为0.3m/s时，前端流速＞0.3m/s，而且越靠近起点流速越大，因而受施工精度、流量变化影响较大，配水均匀稳定性较差。?
　　变孔距法虽没有等孔距法几何对称的优点，但它能够最大限度地降低流速使得计算结果与实际相符合。配水槽变宽段的槽宽沿直线变化，施工容易，而且配水均匀基本不受日常流量变化的影响，因此变孔距法较等孔距法配水的稳定性和可靠性都会增强。?

2 配水槽变孔距法的设计计算

　　① 配水槽宽度B计算?
　　为了防止混合液在配水槽内发生淤积，环槽流速不应低于0.3m/s[1]。为方便施工，配水槽底宜采用平底，布水孔的孔径要一样大，槽宽不宜小于0.3m。因此令变宽段vm0=0.3m/s，等宽段B=0.3m，按最小流量Qm确定配水槽宽度得：
　　
　　变宽段长度Lc=(1-0.3／B0)L₀，等宽段长度LE=0.3／B₀L₀。?
　　② 布水孔间距?
　　按平均时流量Qh确定布水孔间距，把式(1)代入能量微分方程，且因流速v较小，将gH-v2≈gH，则能量微分方程可化为：?

　　

　　对应于Qh的起点水深Hh0为：
　　?H_h0≈H_m0+[1-(H_h0Q_m／H_m0Qh)²]Z_h0?　　(3)?
　　选择合适的配水水头Zh，解式(3)方程确定相应的H_h0，代入式(2)求出H并作出水面曲线H，则距起点Li处的配水水头Z=Zh0+Hi-Hh0。该点设布水孔时，对应的单孔泄流量q由孔口的孔径d和孔上配水水头所决定，即qi=μA[KF(]2gZi[KF)]，孔距C=L０/(Qh/qi)。其中μ为流量系数，A为布水孔口断面面积。

3 　应用实例

3.1 基本计算条件
　　某城市污水采用活性污泥法处理，二沉池采用周边进水辐流式沉淀池，根据表面负荷率要求已定沉淀池直径D=36m，由配水井进入配水槽的流量Qh=1875m³/h，为了施工方便，配水槽底坡i=0。?
　　① 周边进水沉淀池一般用作大、中型污水处理厂二沉池，流量变化不大，Qm/Qh≥0.5，现取Qm=0.6×Qh=1125m³/h。?
　　② 布水孔孔径d的确定?
　　在给水中采用孔口配水时孔径一般为100mm，但周边进水沉淀池多用于污水处理厂二沉池，二沉池进水悬浮物很多，其混合液浓度都在2000mg/L～4000mg/L之间，且絮凝性能较好。为了避免堵塞孔口，配水孔的孔径采用d=100～200mm为宜。本例采用d=100 mm。?
　　③ 配水槽为矩形过水断面，设槽内允许流速vm=0.3m/s：
?　　　　B₀=H_m0=（Qm／0.3）^1/2=1.02m?
　　④ 等宽段槽宽B=0.3m，长度Lc，变宽段长度IE，则：
　　　?L_E=(1-0.3／B₀)×L₀=79.83m?
?　　　L_c=L₀-L_E=33.27m?
　　当L≤LＥ时，B=B0×(1-L／L0)=1.02×(1-L／L0)，当LE＜L≤L0时B=0.3m。?
　　⑤ 计算对应于Qh的起点水深Hp0
　　把式(3)化为Ｈ_n+1h₀₌H_m0+[(1-Hⁿ₀×Q_m)/H_m0×Qh)²]×Z_h0，对该方程采用循环迭代法求解，直至｜Hⁿ⁺¹_h0=H^h_h0｜＜ε。现取初值H0h0=1.0m、Zh0=0.1m、控制因子ε=0.01，经计算得Hh0=Hn+1h0=1.0839m。?
　　⑥ 配水槽水面曲线
　　将整个计算长度(沉淀池周长)分为若干段，对每一小段而言，可以把式(2)化为：

　　

　　　　?Hi+1=Hi+ΔH(i=1,Λ，nn)
　　式中 ?nn——配水槽等分段数
　　　　　ΔH——相邻两段水位差?
　　　　　ΔL——相邻两段长度
　　 取长度步长ΔL=0.01m，H0=Hh0，就可计算出配水槽水面高度H，计算结果如图1所示。?

　　⑦ 计算孔距Ci和孔数mi
　　根据绘出的水面曲线图，按水面曲线落差为1cm将其分为三段，确定各段的长度L_i和配水头Z_i，q_i、Ci和mi的计算如下：qi=μA(2gZi)^1/2，Ci=L_０/(Qh/qi),mi=li／Ci，其中取流量系数μ=0.062。?
3.2 计算结果及分析
　　各段计算结果如表1所示。

表1 配水槽计算结果 段名 长度(m) 起点水深(m) 孔泄流量(10-3m³/s) 孔距(m) 孔数 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 计 113.1 　 　 　 88 　

　　则计算配水槽进水流量为0.5225m³/s。
　　平均流量?qi=mi×（qi／Li)。
　　计算结果的影响因素分析：?
　　① 配水槽中水流除受重力、浮力和阻力作用外，同时受到离心力的作用而产生螺旋流，水流紊动加大使布水孔的流量减少，造成实际情况与计算有一定的差异。在沉淀池直径较大、配水槽内水流流速较小的情况下，计算结果才比较接近实际；
　　② 配水槽中的粗糙系数n一般在0.012～0.014之间，不容易精确估计，因而也会给计算结果带来一定的误差；?
　　③ 实际水流环槽圆周流动且流动中沿布水孔泄流，属于明渠非均匀流，但计算中将它简化为直线渐变流，因而造成一定的误差；
　　④ 计算中认为配水槽断面上各点流速大小相等，但实际中由于液体的粘滞性和池壁的阻滞作用及离心力作用，断面上各点流速大小不相等，水流最大流速偏向槽外缘。鉴于这种情况，只有在水流平均流速较小、池直径较大时，实际同理想状态才比较一致。?

4 　结论

　　① 变孔距法配水的稳定性和可靠性比等孔距法好，基本不受日常流量变化影响，且能够很好满足配水均匀性的要求。?
　　② 变孔距法强调流速基本不变，能够最大限度降低环槽流速，使计算结果与实际情况更加吻合。
　　③ 采用变孔距法设计配水槽时，槽宽沿程直线变化，易施工，而且可以把配水槽和集水槽合建，总宽度沿程不变。

参考文献：

　　[1]陆少鸣，杨立，徐以时. 周边进水沉淀池系统工艺设计[J].中国给水排水，1995，11(2):33-36.
　　[2]张智.周边进水沉淀池配水设计的若干问题[J].中国给水排水，1990，6(2):7-10.
　　[3]袁方，马杰.关于周边进水沉淀池配水槽设计的讨论[J].中国给水排水 ，1987，3(4):33-36.
　　[4]熊国立.周边进水沉淀池配水槽的水力设计[J].中国给水排水，1994，10(3):34-36.
　　[5]陈水娣.沉淀池配水槽的水面线分析与水力设计[J].给水排水，1996，22 (6):5-10.

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　　收稿日期：2001-09-17