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(shí)際運(yùn)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(dòng)。論文通過構(gòu)建水錘模擬中試實(shí)驗(yàn)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(shí)間較短，僅對發(fā)生時(shí)段和發(fā)生區(qū)域的余氯衰減有影響，相對于整個(gè)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(hào)。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(shí)際運(yùn)行過程中，因用戶需水量呈動(dòng)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(yùn)行中閥門啟閉、事故停泵等因素，均會(huì)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(dòng)，導(dǎo)致水質(zhì)發(fā)生變化。鑒于山地城市供水系統(tǒng)多級(jí)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(yàn)材料和方法

1.1試驗(yàn)材料

（1）試驗(yàn)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(jì);流量、壓力數(shù)據(jù)的讀取：由安恒公司開發(fā)的配套Hydrin軟件完成。

（2）試驗(yàn)藥品。

NaClO溶液，DPD余氯試劑粉包（21055-69）。

（3）實(shí)驗(yàn)裝置。

水錘模擬中試實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)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(yáng)程為12.47m，水泵型號(hào)為 Rsg65-200，額定揚(yáng)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(dòng)蝶閥;③DN100電動(dòng)蝶閥;④DN50手動(dòng)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(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)以H水廠濾后水為研究對象，用山地多級(jí)加壓供水系統(tǒng)管網(wǎng)水力安全中試平臺(tái)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(shí)產(chǎn)生瞬變流來形成。調(diào)節(jié)Rsg65-200水泵，其最大揚(yáng)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(yáng)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(yàn)平臺(tái)中安裝壓力傳感器以1次/秒的頻率記錄試驗(yàn)過程中的壓力變化。

（2）含氣水錘的實(shí)驗(yàn)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(yáng)程為45m，當(dāng)運(yùn)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)進(jìn)行水錘實(shí)驗(yàn)，余氯衰減和壓力變化見圖2和圖3：

（1）正常運(yùn)行壓力15m事故停泵

（2）正常運(yùn)行壓力16.5m事故停泵

（3）正常運(yùn)行壓力18m事故停泵

（4）正常運(yùn)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(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)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。可以得出，正常運(yùn)行壓力越大，事故停泵時(shí)，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(shí)驗(yàn)中配置水樣原始余氯濃度0.67mg/L，當(dāng)正常運(yùn)行壓力為15m、16m左右時(shí)瞬間停泵余氯衰減量為0.01mg/L，當(dāng)正常運(yùn)行壓力為18m、21m左右時(shí)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(yùn)行壓力為15m時(shí)瞬間停泵余氯衰減量為0.01mg/L，當(dāng)正常運(yùn)行壓力為16m、18m左右時(shí)瞬間停泵余氯衰減量為0.02mg/L，正常運(yùn)行壓力為21m時(shí)瞬間停泵余氯衰減量為0.03。

結(jié)合圖2、3對實(shí)驗(yàn)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(huì)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(huì)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(shí)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(jí)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(yàn)過程中閥門緩慢開啟時(shí)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(gè)過程伴隨著輕微震動(dòng)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(shí)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(dòng)，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(shí)，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(shí)，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(dòng)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(shí)，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(shí)余氯濃度波動(dòng)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(gè)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(shí)，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(shí)，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(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)壓力變化時(shí)，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(shí)，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(huì)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(shí)間較短，僅對發(fā)生時(shí)段和發(fā)生區(qū)域的余氯衰減有影響，相對于整個(gè)供水系統(tǒng)來說，其影響較小。

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

作者簡介：蔣暉（1986-），女，博士，講師，研究方向?yàn)轱嬘盟幚硇录夹g(shù)。