嘉陵江中段含沙量與渾濁度換算關(guān)系試驗研究

羅本福，張 彬，楊 曦2，楊開明，李志勤

(1. 西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039; 2.成都大學(xué)圖書館，四川 成都 610106)

·能源與環(huán)境·

嘉陵江中段含沙量與渾濁度換算關(guān)系試驗研究

羅本福1，張 彬1，楊 曦2，楊開明1，李志勤1

(1. 西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039; 2.成都大學(xué)圖書館，四川 成都 610106)

鑒于嘉陵江水文監(jiān)測通常檢測含沙量而不是懸浮物濃度值，而城市自來水廠排泥水系統(tǒng)干泥量是用“懸浮物/渾濁度”換算關(guān)系K1值進(jìn)行計算的，存在實際計算中只能用“含沙量/渾濁度”經(jīng)驗數(shù)據(jù)代替“懸浮物/渾濁度”但誤差較大的問題，提出用“含沙量/渾濁度”代替“懸浮物/渾濁度”的適用條件，以及通過試驗確定“含沙量/渾濁度”的換算關(guān)系，有助于解決城市自來水廠排泥水系統(tǒng)設(shè)計中的這一難題。通過對嘉陵江廣元段取樣水體含沙量進(jìn)行測定，推算“含沙量/渾濁度”的換算關(guān)系。試驗結(jié)果表明：嘉陵江中段水環(huán)境在Ⅲ類水體條件內(nèi)，可用含沙量與渾濁度之比Cs/TU代替懸浮物與渾濁度之比SS/TU，且含沙量與渾濁度曲線趨勢線高度吻合；嘉陵江中段含沙量與渾濁度呈冪函數(shù)關(guān)系， 當(dāng)Cs≤100 mg/L時，TU= 0.977 3Cs0.856，100 mg/L1 000 mg/L時，TU= 0.542 8Cs0.952 6。

嘉陵江中段；城市自來水廠；懸浮物；含沙量；渾濁度；換算關(guān)系

我國目前約80%城市自來水廠未進(jìn)行排泥水處理，廢水直排既浪費水資源又惡化下游生態(tài)環(huán)境[1]。水廠排泥干泥量TS的計算是自來水廠排泥系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，影響到排泥水處理系統(tǒng)組成、脫泥機組搭配、工作機制和工程投資。干泥量計算公式TS=(K1C0+K2D)·Q×10-6，式中C0為已知原水濁度，藥劑投加量D值為已知，藥劑成泥量系數(shù)K2可查手冊，而 “懸浮物/渾濁度”換算關(guān)系K1需要通過多年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗確定。合理確定“懸浮物/渾濁度”是排泥系統(tǒng)計算準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。由于理論上不同江河水體、不同河道區(qū)段、不同年代都有不同的K1值，且具有動態(tài)的規(guī)律性。工程活動中水文監(jiān)測站通常有多年河道含沙量數(shù)據(jù)，但無懸浮物數(shù)據(jù)[2]。在缺乏多年懸浮物濃度數(shù)據(jù)的情況下，自來水廠設(shè)計通常用“含沙量/渾濁度”的經(jīng)驗值進(jìn)行替代。因渾濁度在不同含沙量或懸浮物濃度下有不同的換算關(guān)系，采用經(jīng)驗值進(jìn)行排泥量計算無疑誤差很大，導(dǎo)致設(shè)計規(guī)模與后期實際運營工況不匹配，已經(jīng)成為困擾自來水廠排泥系統(tǒng)建設(shè)的突出問題[3-4]。為此，筆者在設(shè)計廣元市某水廠脫泥系統(tǒng)工程中，用“含沙量/渾濁度”代替“懸浮物/渾濁度”，試驗確定了“含沙量/渾濁度”函數(shù)關(guān)系，得出了不同含沙量Cs下的“含沙量/渾濁度”換算關(guān)系K1，并據(jù)此合理計算出自來水廠干泥量。本文研究得出的K1值對嘉陵江中游沿線水廠污泥系統(tǒng)的設(shè)計有參考作用。

1 含沙量與渾濁度換算關(guān)系的試驗

1.1 基礎(chǔ)理論

水的渾濁度TU是指由于水中含有懸浮及膠體狀態(tài)的微粒，使得原是無色透明的水產(chǎn)生渾濁現(xiàn)象，其渾濁的程度稱渾濁度[5]。l L水中含有l(wèi) mg的SiO2(或是l mg白陶土、硅藻土)所產(chǎn)生的渾濁度為1度，即1 NTU。渾濁度是一種光子效應(yīng)，就是光線透過水層時受到阻礙的程度，表示水層對于光線散射和吸收的能力。它不僅與懸浮物的含量有關(guān)，而且還與水中雜質(zhì)的成分、顆粒大小、形狀及其表面的反射性能有關(guān)[6]。

水的懸浮物SS指懸浮在水中的固體物質(zhì)，包括不溶于水的無機物、有機物及泥砂、黏土、微生物等。城市自來水廠水源一般取自有機污染不嚴(yán)重的Ⅰ～Ⅲ類水體，懸浮物SS的主要成分為泥沙和黏土等無機物，其含量大致與含沙量(Cs)相當(dāng)[7]，因而在K1值的推算中可用含沙量Cs數(shù)據(jù)代替SS。含沙量是指單位體積水中所含泥沙的重量，常用稱重法測讀。

1.2 試驗方法

取樣：水樣取自嘉陵江廣元昭化鎮(zhèn)段，隔日定時取樣2次并測定其濁度，以逐月平均濁度值作為試險樣本。

濁度TU：取充分混合后的特征水樣盛于1 000 mL量杯中，用HACH 0-9999NTU/4-20mA濁度儀讀取并記錄標(biāo)準(zhǔn)水樣濁度值。

含沙量Cs：采用全玻璃微孔濾膜過濾器，量取充分混合均勻的試樣100 mL抽吸過濾，待水分全部通過濾膜，再以10 mL蒸餾水連續(xù)洗滌3次，繼續(xù)吸濾以去除痕量水分，然后將載有懸浮物的濾膜放在恒重稱量瓶里并移入烘箱中于103～105 ℃烘干1 h，移入干燥器中冷卻稱量。含沙量Cs(mg/L)按下式計算：

Cs=(A-B)×106/V。

式中：A為懸浮物+濾膜+稱量瓶質(zhì)量，g；B為濾膜+稱量瓶質(zhì)量，g；V為試樣體積，mL。

1.3 試驗數(shù)據(jù)

嘉陵江廣元段水體含沙量近2年的逐月試驗稱重數(shù)據(jù)見表1。實驗顯示嘉陵江廣元段水體含沙量Cs在汛期7—10月變化遠(yuǎn)大于其他月份，2012年8月最高含沙量達(dá)到4 900 mg/L，這與汛期陜西漢中暴雨徑流沖刷帶來較多泥沙有關(guān)；同樣因河道徑流明顯下降，2012年4月最低含沙量僅12 mg/L。

濁度測試數(shù)據(jù)見表2，渾濁度峰值達(dá)到1 690 NTU，低值僅8 NTU。

表1 嘉陵江廣元段各月平均含沙量數(shù)據(jù) mg/L

表2 嘉陵江廣元段各月平均渾濁度數(shù)據(jù) NTU

2 結(jié)果與分析

2.1 含沙量與渾濁度趨勢性分析

含沙量與濁度變化按時間軸可反映出兩者趨勢性比較吻合，見圖1。在含沙量較低的11月至來年6月嘉陵江渾濁度數(shù)值偏低(低于或接近30 NTU的月份占25%，在90 NTU以內(nèi)的時間占70%)，大部分時段屬于中低濁度水質(zhì)；在7月至10月含沙量猛增，渾濁度則達(dá)到或超過1 000 NTU水平(約20%時段)，表明嘉陵江水體在汛期明顯已呈現(xiàn)高濁度水的特征。

圖1 含沙量與渾濁度相關(guān)性曲線圖

趨勢線吻合的意義：由于濁度儀工作原理是測量懸浮顆粒對光線產(chǎn)生折射或阻礙的強弱，含沙量Cs為稱重計量，當(dāng)水體TOC、色度不高時NTU與Cs趨勢線一般是較為吻合的，若TOC或色度較高成為干擾因素時，將導(dǎo)致NTU值明顯增大，導(dǎo)致NTU與Cs趨勢線將不再吻合。研究趨勢線吻合度可驗證有機污染程度，本試驗取樣自嘉陵江廣元段水質(zhì)斷面(Ⅲ類水體)的同期色度≤17度、高錳酸鉀指數(shù)≤3.2 mg/L、BOD5≤1.5 mg/L可以驗證。

2.2 含沙量與渾濁度擬合函數(shù)

將含沙量與濁度數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)冪函數(shù)擬合度R2明顯高于線性函數(shù)等其他函數(shù)的擬合度[8]，且不同含沙量區(qū)段有不同的函數(shù)關(guān)系。

1) 含沙量Cs≤100 mg/L的函數(shù)關(guān)系。依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，Cs與TU曲線關(guān)系如圖2所示，含沙量折算為濁度的函數(shù)關(guān)系為

TU= 0.977 3Cs0.856(相關(guān)度R2=0.996)。

圖2 Cs≤100 mg/L時Cs與TU擬合函數(shù)圖

2) 含沙量100 mg/L

TU= 0.743 5Cs0.909(相關(guān)度R2=0.997)。

圖3 100

3)含沙量1 000 mg/L

TU= 0.542 8Cs0.9526(相關(guān)度R2=0.995)。

圖4 Cs>1 000 mg/L時Cs與TU擬合函數(shù)圖

經(jīng)嘉陵江中游廣元西灣水廠和南充自來水廠排泥系統(tǒng)驗證，經(jīng)以上函數(shù)關(guān)系推算K1=Cs/TU，并最終計算出的干泥量符合工程實際情況。

3 結(jié)論

1)試驗證實水體有機污染控制在Ⅲ類水體以內(nèi)，嘉陵江中段含沙量Cs與濁度TU曲線高度吻合，且Cs與TU呈冪函數(shù)關(guān)系。

2)嘉陵江中段含沙量Cs與渾濁度TU的換算關(guān)系K1值：含沙量Cs≤100 mg/L時按TU= 0.977 3Cs0.856計算；含沙量100 mg/L1 000 mg/L時按TU= 0.542 8Cs0.9526。

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(編校：夏書林)

ExperimentalStudyonConversionbetweentheSedimentandTurbidityinMiddleReachesoftheJialingRiver

LUO Ben-fu1，ZHANG Bin1，YANG Xi2，YANG Kai-ming1，LI Zhi-qing1

(1.SchoolofEnergyandEnvironmentofXihuaUniversity,Chengdu610039China；2.LibraryofChengduuniversity,Chengdu610106China)

Jialing river hydrologic station usually detection sediment concentration rather than the suspension density. However, dry mud quantity calculation of sludge for exhausting sludge system of water plants adopts the conversion of “suspended solids/turbidity”. This inconformity brings inconvenient and error to test the water quality. The applicability of “sediment / turbidity” instead of “suspended solids/turbidity” is investigated. In order to overcome the problems, as for the water in Guangyuan section of Jialing River, the conversion of “sediment / turbidity” is determined with experiments. The results of the experiments show that: the water quality belongs to class Ⅲ, the ratio of sediment concentration and turbidity (Cs/TU) can represent the ratio of suspended solids and turbidity (SS/TU), and the sediment concentration trend line highly matches with the turbidity curve trend line. There are power function relations between the water sediment concentration and turbidity, such as TU= 0.977 3Cs0.856ifCs≤100 mg/L, TU=0.743 5Cs0.909if 100 mg/L1 000 mg/L.

middle reaches of Jialing river; urban water plants; suspended concentration; sediment concentration; turbidity; rating relations.

2014-08-22

教育部重點實驗室“新型流體動力機械及其系統(tǒng)”研究團隊資助。

羅本福(1979—)，男，副教授，主要從事水處理工程設(shè)計及理論技術(shù)研究。

X52

：A

：1673-159X(2015)01-0090-03

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.01.016