瞬變流對供水管網(wǎng)余氯衰減的影響研究

蔣暉 闞乙森 宋玲

【摘? 要】供水管網(wǎng)余氯衰減與水力工況有關(guān)。在管網(wǎng)實際運行中，因調(diào)度水泵、事故停泵、閥門啟閉等因素，使得管網(wǎng)流速、壓力迅速變化產(chǎn)生瞬變流，對管網(wǎng)水質(zhì)產(chǎn)生波動。論文通過構(gòu)建水錘模擬中試實驗裝置研究瞬變流對余氯衰減的影響，結(jié)果表明：常規(guī)水錘對于余氯衰減有影響，且水壓越大所產(chǎn)生的水錘對余氯衰減影響越大;此外，含氣水錘對余氯衰減的影響大于常規(guī)水錘。含氣水錘形成的瞬間造成余氯瞬間大幅度下降，但隨著壓力的穩(wěn)定，余氯濃度逐漸上升，濃度分布達(dá)到穩(wěn)定;但因水錘現(xiàn)象發(fā)生的時間較短，僅對發(fā)生時段和發(fā)生區(qū)域的余氯衰減有影響，相對于整個供水系統(tǒng)來說影響較小。

【關(guān)鍵詞】瞬變流;余氯衰減;供水管網(wǎng)

氯是給水處理中使用最廣泛的消毒劑，在水中維持一定量的余氯，不僅可以抑制水中細(xì)菌再繁殖，而且可作為管網(wǎng)水質(zhì)二次污染的預(yù)警信號。水力條件對管網(wǎng)水質(zhì)的影響研究鮮少考慮水力瞬變工況對余氯衰減的影響。而在管網(wǎng)實際運行過程中，因用戶需水量呈動態(tài)變化，調(diào)度水泵改變管網(wǎng)系統(tǒng)水力負(fù)荷，以及管網(wǎng)運行中閥門啟閉、事故停泵等因素，均會引起管內(nèi)壓力大幅度變化，在管網(wǎng)中產(chǎn)生瞬變流，一天中可能發(fā)生數(shù)次。因管網(wǎng)流速和壓力迅速改變，水中余氯濃度發(fā)生波動，導(dǎo)致水質(zhì)發(fā)生變化。鑒于山地城市供水系統(tǒng)多級加壓、水力條件復(fù)雜、壓力變化大，較平原城市供水系統(tǒng)更容易產(chǎn)生瞬變流，因此考慮瞬變流對供水管網(wǎng)余氯衰減的影響對保障管網(wǎng)水質(zhì)安全具有意義。

1.試驗材料和方法

1.1試驗材料

（1）試驗儀器。

余氯測定采用DPD（N，N-二乙基-1，4-苯二胺）比色法，使用HACH便攜式余氯儀;壓力測定采用Lolog450壓力記錄儀;流量測定采用Hydrin2700mm插入式流量計;流量、壓力數(shù)據(jù)的讀?。河砂埠愎鹃_發(fā)的配套Hydrin軟件完成。

（2）試驗藥品。

NaClO溶液，DPD余氯試劑粉包（21055-69）。

（3）實驗裝置。

水錘模擬中試實驗裝置如圖1所示。該實驗裝置設(shè)置在重慶某水廠，整套裝置由不銹鋼水箱、焊接鋼管、水泵、蝶閥、空氣閥、止回閥、壓力表等組成。系統(tǒng)靜揚程為12.47m，水泵型號為 Rsg65-200，額定揚程52m，流量30m?/h，額定轉(zhuǎn)速2900rpm，額定功率7.5Kw;管路由DN100的焊接鋼管組成，管長為93.5m。

①不銹鋼水箱;②DN100手動蝶閥;③DN100電動蝶閥;④DN50手動蝶閥;⑤DN50空氣閥;⑦真空壓力表;⑧止回閥;⑨離心泵;⑩空氣罐;⑥，，壓力傳感器;

1.2試驗設(shè)計

實驗以H水廠濾后水為研究對象，用山地多級加壓供水系統(tǒng)管網(wǎng)水力安全中試平臺研究常規(guī)水錘和含氣水錘對余氯衰減的影響。

（1）常規(guī)水錘通過事故停泵時產(chǎn)生瞬變流來形成。調(diào)節(jié)Rsg65-200水泵，其最大揚程52m，最大流量30m?/h，轉(zhuǎn)速2900rpm，功率7.5kW。通過調(diào)節(jié)水泵的揚程15m、16.5m、18m、21m，斷電停泵后，緩慢開啟下游出水管等出水穩(wěn)定后接取水樣，測定水中的余氯含量，在水錘試驗平臺中安裝壓力傳感器以1次/秒的頻率記錄試驗過程中的壓力變化。

（2）含氣水錘的實驗操作與事故停泵的操作一樣，即將調(diào)節(jié)Rsg65-200水泵使其揚程為45m，當(dāng)運行穩(wěn)定后，斷電停泵后，調(diào)整水龍頭處閥門的開啟度（水龍頭從關(guān)閉到全開，總共設(shè)置5個由小到大的開啟狀態(tài)），并在不同閥門開啟度的情況下接取水樣測量余氯含量。

2.實驗結(jié)果分析與討論

2.1常規(guī)水錘對余氯衰減的影響

分別在初始余氯0.67mg/L和1.21mg/L時進(jìn)行水錘實驗，余氯衰減和壓力變化見圖2和圖3：

（1）正常運行壓力15m事故停泵

（2）正常運行壓力16.5m事故停泵

（3）正常運行壓力18m事故停泵

（4）正常運行壓力21m事故停泵

（1）初始余氯為0.67mg/L事故停泵水錘作用

（2）初始余氯為1.21mg/L事故停泵水錘作用

圖2表明正常運行時壓力為15m左右，事故停泵瞬間，壓力變化范圍0.5m～17.4m，最后壓力穩(wěn)定在13.7m;正常運行時壓力為16.5m，事故停泵瞬間，壓力變化范圍2.1m～24.0m，最后壓力穩(wěn)定在14.2m;正常運行時壓力為18m左右，事故停泵瞬間，壓力變化范圍1m～27.5m，最后壓力穩(wěn)定在12.8m;正常運行時壓力為21m，事故停泵瞬間，壓力變化范圍0.1m～34.8m，最后壓力穩(wěn)定在12.8m?？梢缘贸?，正常運行壓力越大，事故停泵時，壓力瞬間變化越明顯。

圖3表明不同壓力事故停泵瞬間產(chǎn)生的瞬變流對余氯衰減有影響，但影響較小。實驗中配置水樣原始余氯濃度0.67mg/L，當(dāng)正常運行壓力為15m、16m左右時瞬間停泵余氯衰減量為0.01mg/L，當(dāng)正常運行壓力為18m、21m左右時瞬間停泵余氯衰減量為0.02mg/L。設(shè)置初始余氯濃度1.21mg/L，當(dāng)正常運行壓力為15m時瞬間停泵余氯衰減量為0.01mg/L，當(dāng)正常運行壓力為16m、18m左右時瞬間停泵余氯衰減量為0.02mg/L，正常運行壓力為21m時瞬間停泵余氯衰減量為0.03。

結(jié)合圖2、3對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，水壓越大所產(chǎn)生的水錘對余氯衰減影響越大;且相同條件下，初始氯濃度越大，衰減越明顯，但總體而言，對余氯衰減的影響較小。? ?因水力瞬變會促進(jìn)水體的局部混合，從而增加化學(xué)反應(yīng)，使余氯衰減速率變快，Brunone和LeChevalier等人[2，3]的研究表明，管網(wǎng)中的壓力瞬態(tài)變化會導(dǎo)致管網(wǎng)水與管壁管垢層及生物膜的迅速混合，從而影響水質(zhì)。但水流瞬變是在很短的時間內(nèi)爆發(fā)，因此從長遠(yuǎn)來看，對余氯衰減影響較小。Helena M等人的研究表明，壓力和速度的變化與水力瞬變在瞬變流對余氯衰減有影響，但從長期來看對管網(wǎng)水余氯衰減影響較小。

2.2含氣水錘對余氯衰減的影響

山地城市輸水管道高程相差較大，由于山地城市多級加壓，則供水系統(tǒng)含有泵、閥門和水錘防護(hù)裝置等。在山地城市輸水管道的分岔管、閥門、凸起部位、封閉端等處，常有截留氣團(tuán)（囊），若在截留氣團(tuán)未排除前，突然打開有壓管中的閥門或啟閉水泵，將造成壓力水流沖擊氣團(tuán)（囊）。若發(fā)生閥門快速關(guān)閉、事故停泵等，將在管道系統(tǒng)中產(chǎn)生復(fù)雜的水力過渡現(xiàn)象，當(dāng)管道內(nèi)壓力降低到一定值，氣泡釋放、液柱分離，分離的液柱重新彌合，將產(chǎn)生非常高的水錘壓力，它比常規(guī)的水錘現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

在水龍頭處安裝壓力傳感器記錄試驗過程中閥門緩慢開啟時段含氣水錘引起的壓力瞬態(tài)變化及余氯衰減狀況，見圖4和圖5。

在事故停泵后，開啟水龍頭的瞬間，微量氣泡系統(tǒng)的瞬態(tài)壓力發(fā)生急劇變化，首先從水龍頭中釋放的為水中部分氣流，產(chǎn)生水柱分離現(xiàn)象，整個過程伴隨著輕微震動與噪聲;繼續(xù)增加水龍頭的開啟度或繼續(xù)等待幾秒，水流夾雜著氣泡開始從水龍頭流出，此時水流急劇，形成紊亂、不規(guī)則的湍流;繼續(xù)增大閥門開啟度，由于液相速度較大，氣相的速度較小，氣相被撕碎成細(xì)小的氣泡分散在液相水流夾雜著微小氣泡穩(wěn)定地流出，其流態(tài)類似于兩相流中的泡狀流，接取的水樣因水中微小氣泡的存在，而呈乳白色，當(dāng)壓力下降，氣團(tuán)釋放完全后，只有水流穩(wěn)定的流出。

發(fā)生含氣水錘瞬間，壓力大幅度波動，隨后慢慢趨向穩(wěn)定。測定此過程余氯衰減量，當(dāng)初始氯濃度為1.58mg/L時，產(chǎn)生含氣水錘瞬間的余氯衰減量為0.09mg/L;初始氯濃度為4mg/L時，產(chǎn)生含氣水錘后瞬間的余氯衰減量為0.5mg/L。隨著壓力波動減小，余氯衰減量相應(yīng)減小，慢慢趨于穩(wěn)定。當(dāng)給水管線內(nèi)水流基本處于穩(wěn)態(tài)水力條件時，管線水頭處于穩(wěn)定狀態(tài)，余氯濃度分布也達(dá)到穩(wěn)定。盡管在瞬變發(fā)生時余氯濃度波動很大，但從長期來看水質(zhì)趨于穩(wěn)定，余氯濃度也變化不大，與蔣白懿等的模擬研究結(jié)果一致。

對此，可以從以下兩個方面進(jìn)行解釋：（1）當(dāng)液體溫度一定，壓力降低到某一臨界壓力時，液體汽化或溶解于液體中的空氣，發(fā)育形成空穴。當(dāng)壓力持續(xù)保持汽化壓力時，汽泡不斷產(chǎn)生并在一些特珠位置（如輸水管道系統(tǒng)凸處或閥門附近等）聚集而形成氣團(tuán)，進(jìn)一步發(fā)展形成蒸汽腔。由于余氯在水中也存在動態(tài)平衡，當(dāng)壓力變化時，平衡反應(yīng)向著形成氯氣的方向進(jìn)行，且形成的氯氣從液相析出，匯集至空穴和氣團(tuán)中，隨著氣體的逸出而釋放出來，從而降低液相中余氯的含量;（2）從圖中可以看出當(dāng)壓力變化幅度大時，對余氯衰減的影響更大，余氯濃度的變化趨勢與壓力變化趨勢相似，則余氯衰減是因水中壓力變化造成。Fernandes和Karney等人認(rèn)為慣性和可壓縮性的影響在瞬態(tài)事件可能導(dǎo)致水中氯含量的變化。

3.結(jié)論

（1）利用水錘裝置研究瞬變流對余氯衰減的影響，研究結(jié)果表明：常規(guī)水錘對于余氯衰減有影響，且水壓越大所產(chǎn)生的水錘對余氯衰減影響越大。

（2）含氣水錘對余氯衰減的影響大于常規(guī)水錘。在含氣水錘形成的瞬間會造成余氯瞬間大幅度下降，但隨著壓力的穩(wěn)定，余氯濃度逐漸上升，濃度分布達(dá)到穩(wěn)定。

（3）因水錘現(xiàn)象發(fā)生的時間較短，僅對發(fā)生時段和發(fā)生區(qū)域的余氯衰減有影響，相對于整個供水系統(tǒng)來說，其影響較小。

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基金項目：重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目（KJ1600541）;重慶市基礎(chǔ)研究與前沿探索項目（cstc2018jcyjAX032）。

作者簡介：蔣暉（1986-），女，博士，講師，研究方向為飲用水處理新技術(shù)。