合流制排水系統(tǒng)截流工程淤積分析與探測

摘要：為研究承壓截流井的淤積機(jī)理，應(yīng)用CFD方法進(jìn)行數(shù)值模擬，并以聲納現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)檢驗(yàn)。在基于DPM的臨界床面切應(yīng)力模型基礎(chǔ)上，從新的角度應(yīng)用遺傳算法的概率選擇方法，提出顆?！案怕食两怠蹦Ｐ?，有效模擬出淤積面形狀和相對淤積厚度，并得到聲納實(shí)測數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。結(jié)果顯示，截流井內(nèi)x方向淤泥面呈斜坡狀，存在位置不受流量影響的凸起；y方向淤泥面呈凹面狀，中部存在凸起，兩側(cè)受沖刷而趨于平緩。聲納現(xiàn)場探測還發(fā)現(xiàn)，截流井內(nèi)淤積厚度與旱流量有較強(qiáng)相關(guān)性；截流干管內(nèi)淤積狀況與相連的截流井有關(guān)。

關(guān)鍵詞：合流制排水系統(tǒng)；淤積；CFD；概率沉降；聲納

中圖分類號：TU992.24文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Analysis and Inspection on Siltation of Intercepting Combined Sewer System

CHEN Yong-min1，2，ZHANG Yi-ping1， ZHOU Yong-chao1，+，ZHANG Tu-qiao1

(1. Municipal Engineering Research Institute， Zhejiang University， Hangzhou 310058， China; 2. School of Civil Engineering and Architecture， Zhejiang University of Science and Technology， Hangzhou 310023， China)

Abstract: In order to investigate the siltation mechanism of intercepting well with pressure， CFD is applied for numerical simulation， which is validated by field measurement data of sonar. On the base of critical BSS model based on DPM， the probability selection method of GA is applied at a new point of view to put forward “probability sedimentation”model of particle. This model works effectively on the simulation of silt surface and relatively siltation depth， which is validated by field measurement data of sonar. The results show that the silt surface of x-direction is a slope and there is a bulge whose location is insensitive to flow. The silt surface of y-direction is concave and the middle surface swells while both sides trend to be flat because of scouring. The field measurement of sonar shows that the silt depth in intercepting well is strongly relative to dry weather flow while the siltation condition of main intercepting pipe is relative to intercepting well.

Key words: combined sewer system; siltation; CFD; probability sedimentation; sonar

污水中固體顆粒物的沉淀淤積是排水系統(tǒng)的主要病害之一。國內(nèi)針對排水系統(tǒng)淤積問題的研究仍相對落后，本文以“柳州市河北環(huán)島截污系統(tǒng)”為研究對象，應(yīng)用CFD方法對承壓截流深井的淤積機(jī)理進(jìn)行了研究，并對井內(nèi)淤積情況進(jìn)行了模擬分析。基于模擬結(jié)果，應(yīng)用聲納系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場淤積探測，以現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)檢驗(yàn)數(shù)值模擬效果，同時(shí)對截污系統(tǒng)的淤積情況作出總結(jié)分析，以研究其淤積規(guī)律與特征。

CFD是研究流體運(yùn)動(dòng)的有效方法，其中DPM模型可模擬固體顆粒物在水工構(gòu)筑物內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。當(dāng)研究泥沙在構(gòu)筑物內(nèi)的運(yùn)動(dòng)與沉積現(xiàn)象時(shí)，判斷固體顆粒物沉降與否的邊界條件是關(guān)鍵。V.R.Stovin，Matthieu Dufresne等人的研究表明，顆粒在邊界沉降現(xiàn)象與當(dāng)?shù)卮裁媲袘?yīng)力（local bed shear stress，local BSS）有較強(qiáng)的相關(guān)性，可用臨界床面切應(yīng)力（critical BSS）作為顆粒是否沉降的判斷條件[1，2，3]。然而該方法雖能模擬出顆粒物的沉降區(qū)域和形狀，但不能區(qū)分顆粒物沉降的難易程度和判斷淤積厚度，本研究在臨界床面切應(yīng)力的基礎(chǔ)上，從新的角度提出“概率沉降”的概念，將遺傳算法中的概率選擇方法應(yīng)用到判斷流場中顆粒物沉降的邊界條件中，有效模擬出淤積面形狀和相對淤積厚度，彌補(bǔ)了臨界床面切應(yīng)力模型的不足。

1研究對象與方法

1.1研究對象

“柳州市河北環(huán)島截污系統(tǒng)”位于柳州市柳江北岸，2005年建成運(yùn)行。由于受下游水電站建設(shè)影響，柳江上游河段常水位提升，污水干管埋深加大；為減小埋深、降低工程造價(jià)，該系統(tǒng)共采用15座承壓截流井型（分為B1和B2型井，），井內(nèi)承壓水深達(dá)5~9m，致使截流井及上游干管流速減緩，易于產(chǎn)生淤積，制約其排污截流作用發(fā)揮。

1.2研究方法

通過改進(jìn)基于DPM的臨界床面切應(yīng)力模型，從新的角度提出“概率沉降”模型，采用數(shù)值模擬與聲納實(shí)測驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法。

1.2.1“概率沉降”模型

DPM模型可跟蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，顆粒在流場中的受力平衡方程（顆粒慣性=顆粒所受所有作用力合力）在笛卡爾坐標(biāo)系下表達(dá)式（x方向）如式（1）所示。對x，y，z方向的受力平衡方程進(jìn)行積分即可得到顆粒的位移即運(yùn)動(dòng)軌跡[4，5]。

（1）

式中，up為顆粒速度，u為流體相速度，gx為重力加速度分量，ρp為顆粒密度，ρ為流體相密度。 ，μ為流體相動(dòng)力粘度，dp為顆粒直徑， 為球形顆粒的相對雷諾數(shù)， 為曳力系數(shù)，a1，a2，a3是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)[6]。Fx為其它作用力（如附加質(zhì)量力，壓力梯度作用力和升力等）。

當(dāng)固體顆粒運(yùn)動(dòng)到井壁并發(fā)生碰撞后，其運(yùn)動(dòng)形式有反彈（reflect），捕捉(trap)，離開（escape）等，均可通過設(shè)定邊界條件來處理。然而顆粒碰撞井底時(shí)的運(yùn)動(dòng)是比較復(fù)雜的，可能反彈，可能被捕捉沉淀下來，也可能反彈多次后最終沉淀，還可能沉淀后再次懸?。╮esuspend）。V.R.Stovin，Matthieu Dufresne等人的研究表明可通過臨界床面切應(yīng)力作為顆粒沉降的判斷條件，并將其賦予井底面作為處理顆粒碰撞的邊界條件。然而床面切應(yīng)力不同的區(qū)域顆粒物沉降的難易程度是不同的，因而淤積厚度也是有差別的，臨界床面切應(yīng)力模型卻不能處理這種情況。針對于此，本研究引入“概率沉降”的處理方法。

遺傳算法是一種有效的優(yōu)化算法，它通過“選擇”，“交叉”，“變異”操作模擬自然界的進(jìn)化過程從而找到最優(yōu)解。其中“選擇”操作常用的一種方法為“輪盤賭選擇法”，在該方法中，各個(gè)個(gè)體的選擇概率和其適應(yīng)度值成比例，概率反映了個(gè)體的適應(yīng)度在整個(gè)群體的個(gè)體適應(yīng)度總和中所占的比例，個(gè)體適應(yīng)度越大，其被選擇的概率就越高，反之亦然[7，8]。

將遺傳算法的這種概率選擇法應(yīng)用到顆粒沉降模擬中，設(shè)顆粒物碰撞單元的床面切應(yīng)力為τ0，臨界床面切應(yīng)力為τcritical，令

（2）

則P對應(yīng)于遺傳算法的個(gè)體適應(yīng)度。計(jì)算時(shí)，當(dāng)顆粒物碰撞井底邊界后先計(jì)算τ0，τcritical以及P值，然后隨機(jī)生成一個(gè)0~1之間的小數(shù)n，若n

1.2.2聲納探測方法

淤積層探測采用的是管道聲納系統(tǒng)（英國 PC1512），流量調(diào)查采用的是面積速度流量計(jì)（美國 ISCO2150），截流深井探測時(shí)，通過將聲納探頭放入井內(nèi)，分別調(diào)查井內(nèi)x方向和y方向（如圖2所示）兩個(gè)斷面的淤積層形狀。

2研究結(jié)果與分析

2.1截流井淤積數(shù)值模擬

以截流井實(shí)際尺寸建模進(jìn)行數(shù)值模擬，截流井實(shí)際尺寸為：進(jìn)水方渠x，y，z方向尺寸為15m×1m×1.5m，截流井室x，y，z方向尺寸為1.5m×2m×7.55m。數(shù)值計(jì)算應(yīng)用“概率沉降”模型，參照激光粒度儀對截流井內(nèi)顆粒物采樣的分析數(shù)據(jù)，采用200μm的球形顆粒代表污水中固體顆粒物。

截流深井底面顆粒沉積的模擬結(jié)果如圖3所示。

（a）Q=380l/s;（b）Q=500l/s;（c）Q=1000l/s.

由圖可知，泥沙在截流井底沉積的空間分布與流量有直接關(guān)系。從x方向進(jìn)入井內(nèi)的水流遇到井壁正面阻擋后一部分向下運(yùn)動(dòng)，在井底形成低速渦流區(qū)，其紊動(dòng)能降低，泥沙在此區(qū)域易于沉淀，圖中表現(xiàn)為流量較小時(shí)井內(nèi)中部泥沙沉積明顯多于兩側(cè)，沉積位置也更靠近進(jìn)水口側(cè)（圖3中T點(diǎn)處）。隨著流量增大，泥沙沉積平面輪廓線右移，而且中部凸起位置與兩側(cè)差距逐漸縮小，在流量增大到1000l/s時(shí)輪廓線趨于直線。其原因是隨著流量增大，中部水流沖擊力增強(qiáng)，入流與井壁正面阻擋后更多的向水平面兩側(cè)分流，中部泥沙易沉積區(qū)域與兩側(cè)接近。從圖中還可觀察到，y方向上井內(nèi)兩側(cè)泥沙難以沉積。這是由于水流在遇到井的正對面井壁和兩面?zhèn)缺谧钃鹾笤谒矫鎯?nèi)形成渦流，并在兩側(cè)局部產(chǎn)生較強(qiáng)沖刷，使該處泥沙難以沉積（圖3中P點(diǎn)處）。

從井中x方向作剖面分析，則井內(nèi)泥沙沉積厚度隨位置不同而變化。流量較小時(shí)x方向幾乎所有位置均有泥沙沉積，而隨著流量增大，泥沙沉積位置逐漸遠(yuǎn)離進(jìn)水口側(cè)。實(shí)際工程中，井內(nèi)流量處于小~大交替變化中，井內(nèi)泥沙也相應(yīng)處于沉積~沖刷交替過程中。但總體而言，距進(jìn)水口越遠(yuǎn)，泥沙沉積率與沉積厚度越大，也由于水流斜向上沖刷的特點(diǎn)，形成了x方向斜向上的淤泥面特征。值得注意的是，距離右側(cè)井壁400~500mm及右側(cè)井壁附近顆粒沉積量相對較多，其原因?yàn)樵搮^(qū)域床面切應(yīng)力相對較小，顆粒沉降概率大，更易于淤積。該沉積位置幾乎不受流量變化的影響，成為井內(nèi)流場的“分水嶺”。

從井中y方向作剖面分析，斷面內(nèi)應(yīng)呈現(xiàn)出中間凸起而兩側(cè)趨于平緩的淤泥面結(jié)構(gòu)。其原因是由于中間位置泥沙沉積較多導(dǎo)致中間淤泥面凸起，兩側(cè)由于水流沖刷力較強(qiáng)而導(dǎo)致泥沙沉積較少。根據(jù)模擬數(shù)據(jù)可繪出井內(nèi)淤積物形態(tài)圖如圖4所示。

2.2截流井內(nèi)實(shí)測結(jié)果分析

淤積調(diào)查于6月開展，圖5是B2-5截流深井的聲納探測結(jié)果。

（a）x方向；（b）y方向

1截流井進(jìn)水口（原有污水排放干渠）；2聲納掃描探頭；3沉積物界面；4井壁

Fig.5 Inspection result of well B2-5(units:mm)(a)x-direction; (b)y-direction. 1entrance of intercepting well(existing main channel);2sonar scanning probe;3sediment surface;4wall of well

由圖5可知，B2-5截流深井內(nèi)已有大量淤積，沉積物反射強(qiáng)烈，固相與液相界面清晰，不存在有機(jī)質(zhì)含量高結(jié)構(gòu)松散的流動(dòng)態(tài)沉積層（Fluid Sediment）[9]，Ahyerre等人的研究表明，在水流剪切力約在0.1N/m2時(shí)，該沉積層即產(chǎn)生沖蝕[10]。6月調(diào)查期間正值汛期，因此，在降雨徑流的沖刷下，流動(dòng)態(tài)沉積層已被沖蝕隨徑流排入受納水體，井內(nèi)沉積層系長期運(yùn)行達(dá)到平衡后的穩(wěn)定層。

x方向探測圖像顯示，總體上淤泥面呈斜線向上的形狀，在距右側(cè)井壁約500mm的地方以及右側(cè)井壁附近淤泥面凸起，淤積量相對較大，這與圖3結(jié)果一致，證明該區(qū)域易于淤積。y方向探測圖像顯示，淤泥面總體上呈凹面鍋底狀，中部有淤泥面凸起（圖5中T點(diǎn)處），兩側(cè)由于受到?jīng)_刷淤泥面趨于平緩（圖5中P點(diǎn)處）。可知，聲納探測結(jié)果較好地驗(yàn)證了數(shù)值模擬分析與結(jié)論，說明“概率沉降”模型可用于流場內(nèi)顆粒沉降差異性模擬。

由圖5（a）可知井內(nèi)淤積厚度已達(dá)到了1.1-1.8m，上游合流干渠高為2m，已有1.1m高度被沉積物堵塞，過水?dāng)嗝婷娣e縮小了55%。其它截流深井也有類似的淤積特征，各井的淤積情況如表1所示。

由流量調(diào)查結(jié)果可知，旱流工況下，即使在峰值期間，截流深井內(nèi)上向流流速普遍小于0.02m/s，截流深井幾乎等效成了一個(gè)高效沉淀池，旱流污水中的大量懸浮物在截流深井和上游承壓干渠內(nèi)沉淀下來。而降雨工況下，由于服務(wù)面積內(nèi)降雨徑流峰值的匯入和沖刷，底部淤泥被沖蝕、裹挾，隨水流排入柳江。從表1的旱流污水量與沉積層厚度比較可知，二者存在著較強(qiáng)的相關(guān)性，日平均流量越小，井內(nèi)淤積厚度越大，反之日平均流量越大則淤積厚度越小。在單位面積污水負(fù)荷相似的情況下，不同的旱流污水流量表明了截流井上游合流制排水系統(tǒng)服務(wù)面積的差異，服務(wù)面積小的截流井降雨時(shí)雨水徑流量較小，水流沖刷力相對較弱，因而淤積層厚度較大，相反，服務(wù)面積大的截流井降雨時(shí)雨水徑流量大，其較強(qiáng)的沖刷力導(dǎo)致井內(nèi)淤積層厚度較小。

2.3截流干管淤積分析

截流干管的淤積也進(jìn)行了同步調(diào)查，圖6為B1和B2型截流深井之間的截流干管聲納實(shí)測結(jié)果。

與B1，B2型截流井相連的截流干管聲納調(diào)查結(jié)果

（a）B1-2與B1-3截流井間截流干管；（b）B1-5與B1-6截流井間截流干管；(c) B2-2與B2-3截流井間截流干管；(d) B2-3與B2-4截流井間截流干管 1管壁；2聲納探頭；3沉積層；4水中懸浮雜質(zhì)

Fig.6 Sonar inspection results of intercepting main pipe coterminous with B1， B2-type wells

(a) intercepting main pipe between B1-2 and B1-3; (b) intercepting main pipe between B1-5 and B1-6; (c) intercepting main pipe between B2-2 and B2-3; (d) intercepting main pipe between B2-3 and B2-4. 1 sonar probe; 2 pipe wall; 3 sediment surface; 4 suspended floc in water.

從調(diào)查結(jié)果可知，與B1井相連的截流干管水面以下的管壁反射強(qiáng)烈，輪廓清晰，管段內(nèi)部較為干凈，普遍沒有淤積產(chǎn)生。而與B2相連的截流干管內(nèi)，管內(nèi)底部存在著沉積物層的反射，沉積物的厚度達(dá)到了0.1~0.2m，反射強(qiáng)度表明，沉積物已經(jīng)嚴(yán)重板結(jié)，系平衡穩(wěn)定的沉積層，沉積物與水相之間沒有固相易流動(dòng)狀的高有機(jī)物層存在。另外，水中存在著比較密集的懸浮物反射，說明有機(jī)絮狀懸浮物在管道內(nèi)污水中含量較高，而到下游B2-3與B2-4深井的截流干管之間，這些絮狀有機(jī)物部分在水面、管壁產(chǎn)生了固結(jié)（如圖6d所示），將會(huì)大大影響截流干管的過水能力。

B1和B2型井的淤積情況截然不同，其原因可歸結(jié)為：處于截污系統(tǒng)上游的B1型井截流量小，沉淀作用強(qiáng)，污水通過截流深井后，僅有上層的上清液溢流入截流干管，污水中懸浮物含量較小，因此，管內(nèi)基本沒有沉積物。而與B2型井相連的截流干管中，沉積層厚度達(dá)到0.1~0.2m，其主要原因是處于下游的B2型井普遍流量較大，降雨徑流沖蝕裹挾大量沉積物隨水流進(jìn)入了截流干管，造成了比重較大的顆粒物在截流干管底的累積，形成了穩(wěn)定的沉積層結(jié)構(gòu)。

3結(jié)論

CFD技術(shù)可輔助研究固體顆粒物在截流深井內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，臨界床面切應(yīng)力模型可用于處理DPM的顆粒與壁面的碰撞行為，但存在不能區(qū)分各區(qū)域顆粒沉降難易程度和預(yù)測相對沉積量的缺陷，本文提出“概率沉降”模型彌補(bǔ)了上述不足。對柳州市河北環(huán)島截污系統(tǒng)的承壓截流深井的數(shù)值模擬和聲納實(shí)測結(jié)果表明，“概率沉降”模型可用于流場內(nèi)顆粒沉降差異性模擬。

承壓截流深井淤積狀況與旱流量存在較強(qiáng)相關(guān)性，旱流量越小則井內(nèi)淤積厚度越大。而截污干管的淤積狀況則和與之相連的截流井有關(guān)，上游B1型井的截污干管內(nèi)基本沒有淤積，下游B2型井的截污干管內(nèi)存在0.1~0.2m淤積。截流井和截污干管的淤積特征均與污水量及水中固體顆粒物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有關(guān)，本文在這方面的研究對承壓截流井型設(shè)計(jì)和截污系統(tǒng)運(yùn)行管理具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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