基于FLUENT的截污干渠設計參數對末端TP質量濃度的影響

摘要：滇池環湖截污干渠在輸運農村農業面源污水時，TP質量濃度會沿程降低且在截污干渠末端低于水質凈化廠設計進水質量濃度，導致水廠TP無法達標排放。為探究截污干渠主要設計參數對輸運末端農村農業面源TP質量濃度的影響，為截污干渠設計提供技術參考，研究針對建設完善的滇池東岸截污干渠所運輸的農村農業面源污水，以顆粒態磷為主要對象，利用FLUENT三維模擬軟件構建了滇池東岸截污干渠流體的多相流模型并進行流動過程的模擬，分析了截面形狀、粗糙度、水力直徑、坡度等主要設計參數對干渠末端出口TP質量濃度的影響。結果表明，末端TP質量濃度圓形截面最低，梯形最高；末端出口TP質量濃度隨粗糙度增大均升高；隨水力直徑或坡度的增大，矩形及梯形截面的末端出口TP質量濃度增加或降低，圓形截面則總體降低或變化不大。

關鍵詞：TP質量濃度；農村農業面源；截污干渠；設計參數；多相流數值模擬

中圖分類號：X703 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）12-024-11

基金項目：重慶大學大型儀器設備開放基金項目（202303150125）。Supported by the Open Fund Project for Large-scale Instrument of Chongqing University（202303150125）.

Influence of FLUENT-based design parameters of sewage interception trunk on total phosphorus concentration at the trunk endpoint

ZENG Xiangping1a，1b， FU Nannan1a，1b， DING Wenchuan1a，1b， TANG Xinru1a，1b， WU Si1a，1b， ZENG Xiaolan1a，1b， ZHANG Yu2， LUO Wanshen2

（1a. Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment Under Ministry of Education； 1b. Low Carbon Green Building International Joint Research Center， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China； 2. Southwest Municipal Engineering Design Research Institute of China， Chengdu 610081， P. R. China）

Abstract： As agricultural non-point source runoff is transported to a wastewater treatment plant by the sewage interception trunk around Dianchi Lake， the total phosphorus（TP） concentration decreases along the way， often falling below the designed influent concentration at the trunk’s endpoint. This reduction can result in noncompliance with discharge standards. To explore the influence of key design parameters on endpoint TP concentration and provide technical guidance for sewage interception trunk design， this study focuses on granular phosphorus from agricultural runoff transported by a well-designed sewage interception trunk on the eastern bank of Dianchi Lake. Using the three-dimensional simulation software FLUENT， a multiphase flow model was constructed to stimulate the fluid flow process within the trunk. The influences of section shape， roughness， hydraulic diameter， and slope on the endpoint TP concentration were analyzed. Results show that the endpoint TP concentration is lowest for circular cross sections and highest for trapezoidal sections. As roughness increases， TP concentration rises across all section shapes， with the smallest variation range in rectangular sections， and the largest in circular sections. Increasing hydraulic diameter or slope results in increased or decreased TP concentration for rectangular or trapezoidal sections， while in circular sections， TP concentration either decreases or shows minimal change.

Keywords： total phosphorus； agricultural runoff； interception trunk canal； design parameters； multiphase flow numerical simulation

滇池是中國著名的高原淡水湖泊，被國務院列為重點治理的“三湖三河”之一[1]。經過30 a的不斷治理，滇池的水污染惡化趨勢得到了遏制，但水質常年維持在中度或重度富營養化狀態[2]，目前仍屬5類重污染湖泊[3]。為了防治滇池富營養化，中央政府及昆明市等部門在滇池流域構建起了從源頭控制到末端截污的環湖截污治污工程體系[1]，分為北岸、東岸、南岸和西岸4個片區。其中，環湖東岸的截污系統基本完善，對削減入湖污染負荷、改善滇池水體環境發揮了顯著作用。目前除北岸外，其余片區均以農灌溝渠收集農村農業面源為主，并通過溝渠末端的高效截留井將高濃度部分截留進入環湖截污干渠，再經由截污干渠輸送至末端混合水質凈化廠達標處理后排放。

通常情況下，為保證過水能力、方便維護保養，污水管道設計時需要選擇適當的水力學參數，如管道坡度、斷面形狀和粗糙度等，從而實現污水和部分固體污染物的高效輸送?，F有研究表明[4]：在輸送污水的過程中，管渠本身對污染物也具有一定的降解能力和效果，其末端出口處即污水處理廠進口處的水質將影響污水處理工藝的運行調控，進而影響出水水質?！肮芫W協同污水處理廠共同處理”的新模式正在逐漸取代“末端污水處理廠處理”的傳統模式。滇池流域截污干渠自2012年開始投入運行，其設計參數的選擇并未考慮管渠本身對污染物的去除能力。該截污干渠輸運的農村農業面源污水，含有大量懸浮顆粒，其中顆粒態總磷（total phosphorus，TP）占比較大。魏婷[5]對環湖東岸截污治污體系的研究發現，截污干渠輸運的農業面源污水至其末端進入混合水質凈化廠時的TP質量濃度低于該廠的進水設計指標值；而東岸混合水質凈化廠MBR工藝在運行參數進行優化調控后，處理出水除TP以外的其他污染指標都能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準[6]。

報道表明水體中磷濃度與富營養化藻類生物量之間呈正相關性，磷被公認為是有害藻類形成“水華”種群和密度的第一限制性營養因素[7-8]。戴麗等[9]研究指出大規模種植花卉蔬菜施加過量磷肥加劇了滇池流域農村農業面源污染，致使滇池富營養化污染加重；徐曉梅等[10]發現防止滇池富營養化程度加重，對湖泊富營養化主要限制因子及農村農業面源污染中占比最大的污染物TP的控制尤其重要?？紤]到滇池流域降雨徑流中的TP主要以顆粒態為主[11-12]，其隨泥沙和懸浮物進入干渠[5]后在輸運過程中會發生沉降[13]，而干渠坡度、斷面形狀、水力條件等因素是影響沉積物負荷的主要因素[14]，為充分發揮截污干渠與混合水質凈化廠的協同作用，進一步控制滇池富營養化，針對建設完善的滇池東岸截污干渠，以顆粒態TP為主要對象，利用模擬流體運動過程的計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）FLUENT軟件，構建多相流模型以探究不同截面形狀、粗糙度、水力直徑、坡度等主要設計參數對干渠末端出口TP質量濃度的影響，揭示截污干渠主要設計參數與污水廠進水水質之間的相互關系。研究成果不僅對實現滇池面源污染的控制具有重要意義，還可為類似截污干渠設計參數的選擇、干渠末端污水廠處理工藝的調控與選擇提供依據。

1 FLUENT模型參數選擇與驗證

1.1 截污干渠概況

研究對象為新寶象河至洛龍河污水廠段的滇池東岸截污干渠，長2 500 m，深4.5 m，寬4.5 m，平均坡度0.3‰，粗糙度1.2 mm。在截污干渠起端設置監測點0，根據研究區域內不同土地利用類型以及進入截污干渠水質的不同，在以河道污水為主處設置監測點1、以農村生活污水為主處設置監測點2，以農業面源污染為主處設置監測點3，截污干渠末端最后一個通氣井處設置監測點4。研究區域截污干渠及監測點分布如圖1所示。利用FLUENT軟件對該段干渠進行模擬的幾何模型如圖2所示。由圖2可知，截污干渠在監測點3前后彎曲度出現明顯變化，呈現一定的弧度。

1.2 截污干渠模擬幾何模型構建

通過FULENT中標配的網格劃分軟件ICEMCFD對建立的干渠模擬幾何模型進行網格劃分，將整條干渠劃分為300 000個網格單元。局部劃分結果（監測點0～監測點2段）及截污干渠起端、水流方向等如圖3所示，其中，綠色區域為截污干渠模型。

在劃分網格單元后，檢查網格質量分辨率，結果表明，所有網格質量分辨率均大于0.99，說明模型網格劃分適當，可以被求解器接受，網格劃分質量過關。網格劃分后，將干渠模型以mesh文件格式導出保存，用于后續的FLUENT模擬。

1.3 模擬參數選擇與模型驗證

考慮滇池流域的地形地勢、截污干渠的實際構造及輸運污水特征，采用標準k？ε模型作為封閉的湍流流動描述，選擇FLUENT中雙歐拉多相流模型進行截污干渠模擬，最后，使用FLUENT后處理軟件進行后處理，得到實驗結果。

對研究中各參數進行確定，其中，水相Liquid-Water各參數設定為：密度998.2 kg/m3（以20 ℃水的密度計），黏度0.001 003 kg/（m·s）；固相Solid-TP各參數設定為：密度1 874 kg/m3（以國標檢測的正磷酸鹽密度計），黏度0.001 003 kg/（m·s）；氣相Air各參數設定為：密度1.29 kg/m3，黏度0.020 01 kg/（m·s）。固液相間選用曳力作用（drag）。干渠各監測點處的模擬進水流量以及TP質量濃度根據監測的實際數據設定，如表1所示。由于滇池東岸截污干渠中含有大量懸浮顆粒，粒徑大小不一，TP主要吸附在20～80 μm的顆粒上[5]，則在FLUENT模擬中設定顆粒粒徑為50 μm。

截污干渠輸運農村農業面源污水過程中，水流流動速度可能會影響截污干渠中的TP質量濃度。利用FLUENT模擬了TP體積分數（液相中顆粒態TP的體積占全部溶液體積的比例）及水流平均流動速度（流動速度）的變化。為了定量表征截污干渠內TP分布情況，參考管渠模擬的相關研究方法[15]，通過提取FLUENT模擬結果中TP的體積分數，采用式（1）計算TP質量濃度來評價截污干渠主要設計參數對輸運末端TP的質量濃度影響。

式中：C為TP質量濃度，mg/L；P為從模擬工況中提取的TP的體積分數；ρ為TP密度，以正磷酸鹽密度計算，其值為1 874 kg/m3。

由于用FLUENT模擬與實地測量的TP質量濃度均針對的是滇池東岸研究區域，空間尺度完全吻合，因此，模擬TP值與實測TP值可以直接比較。圖4為TP質量濃度模擬值與實測值對比圖。

由圖4可知，5個監測位點的TP質量濃度的模擬值與2次實測值的均方根誤差RSME分別是0.067 5 mg/L、0.082 3 mg/L，均小于0.1 mg/L，說明該模型能較準確地模擬截污干渠TP的質量濃度，基本符合實際工況。對于監測點4，即干渠輸運末端，TP模擬值與2次實測值的平均值之差為0.08 mg/L，兩者之間的差異甚小，可認為基于此模型進行的截污干渠主要設計參數對輸運末端TP質量濃度的影響研究具有可信度。

1.4 截污干渠模擬幾何模型設計參數的設定

1.4.1 截面形狀

以截污干渠實際水力直徑4.5 m、粗糙度1.2 mm、坡度0.3‰為固定參數，選擇截污干渠常用的圓形、梯形、矩形等截面形狀考察對輸運末端TP質量濃度變化的影響。以具有相同的水力直徑為條件，對不同截面形狀截污干渠的幾何模型尺寸進行設計。考慮到顆粒在輸運過程中，管渠截面幾何形狀側面傾斜角對顆粒沉降的影響，梯形側面幾何尺寸的傾斜角設置為α=45°。

1.4.2 截面粗糙度

以研究區域截污干渠所采用的混凝土材料實際粗糙度1.2 mm為基礎，在固定水力直徑4.5 m、坡度0.3‰的條件下，分別針對矩形、圓形、梯形截面形狀的截污干渠，考察粗糙度為r=1 mm和r=2 mm時輸運末端農村農業面源污水中TP質量濃度的變化。

1.4.3 截面水力直徑

以研究區域截污干渠的實際截面水力直徑4.5 m為基礎，在固定干渠粗糙度1.2 mm、坡度0.3‰的條件下，分別改變矩形、圓形、梯形截面形狀的長寬、直徑、上下底與高度以改變3種截面形狀的水力直徑，考察截污干渠在每種截面形狀的水力直徑分別為3、3.5、5.5、6.5 m時輸運末端農村農業面源污水中TP質量濃度的變化。

1.4.4 截面坡度

考慮到滇池流域截污干渠實際坡度在0.2‰～0.4‰間變化，本研究設坡度最小值為0.2‰；同時為避免埋深過大并結合實際地形，以《室外排水設計規范》中排水管渠最小坡度的1/2即1‰為坡度最大值。在固定截污干渠水力直徑4.5 m、粗糙度1.2 mm的條件下，分別針對矩形、圓形、梯形截面形狀的截污干渠，考察坡度為0.2‰、0.5‰、1‰時輸運末端農村農業面源污水中TP質量濃度的變化。

上述截污干渠模擬幾何模型設計參數設定如表2所示，截污干渠不同截面形狀示意如圖5所示。

2 FLUENT模擬結果與討論

2.1 截面形狀對干渠末端出口TP質量濃度影響

根據FLUENT模擬計算結果，3種截面形狀截污干渠各監測點中TP體積分數與流動速度變化情況如圖6所示。

由圖6可知，3種截面干渠在各監測點的TP體積分數均是梯形最大，且呈現出從干渠起端對應的監測點0逐漸增大至監測點3達到最大，然后降低的規律，這可能是由于從干渠起端到監測點3沿程均有農灌溝渠的水流匯入，且在監測點3前的匯入流量較大，在各匯入點干渠的水流流速增大產生湍流，不僅影響了顆粒態TP的沉降，而且已經沉降的TP也因受到沖擊重新懸浮；在監測點3后因干渠有明顯的拐彎，而排水管道在拐彎處會產生較大的阻力[16]，顆粒態TP在該區域容易淤積，導致干渠水流中TP的質量濃度下降。在干渠末端出口，即監測點4，梯形截面對應的TP體積分數最大，為1.08×10-3，矩形與圓形截面的TP體積分數均較小，分別為1.82×10-4、1.70×10-4，這可能是由于梯形截面干渠中的流動速度總體低于矩形與圓形截面干渠，而由理想狀態的顆粒沉積公式（2）可知，由于干渠長度L、水面高度H保持不變，則當液體水平流速v降低時，顆粒的沉降速度u會隨之減小，其所受的沖剪力較小，引起的運動擾動也較小[17]，故末端出口中以顆粒態為主的TP質量濃度仍然保持較高水平。

式中：L為干渠長度，m；H為水面高度，m；v為液體流動速度，m/s；u為顆粒的沉降速度，m/s。

2.2 粗糙度對干渠末端出口TP質量濃度的影響

模擬粗糙度r=1 mm和r=2 mm時矩形、圓形、梯形截面干渠的TP體積分數、流動速度分別如圖7～9所示。

由圖7～9可知，當粗糙度從1 mm變為2 mm時，矩形截污干渠末端出口TP體積分數由2.15×10-4增大到2.62×10-4，液體流動速度略有降低；圓形截污干渠末端出口TP體積分數由2.02×10-4增加至7.52×10-4，液體流動速度降低；梯形截污干渠末端出口TP體積分數由2.43×10-4增大為7.18×10-4，而液體流動速度同樣也降低。由顆粒在水中所受水流剪切應力公式（3）可知，截污干渠輸運末端農村農業面源污水中TP質量濃度隨著粗糙度增大而增加可能是由于水流剪切應力與粗糙度平方呈正相關關系，而剪切應力作用于近渠壁處流體，與流體流動方向相反，則靠近渠壁流體的流速降低，并向流體中心傳遞作用力，引起流體速度梯度增大，平均流速降低[18]，導致顆粒沉降速度減小而難以沉降，從而使得干渠末端出口的TP體積分數增大。相對于矩形而言，圓形與梯形截面截污干渠的液體流動速度降低更多，故其末端出口的TP體積分數明顯增大。

2.3 水力直徑對干渠末端出口TP質量濃度的影響

模擬水力直徑D=3、3.5、5.5、6.5 m時矩形、圓形、梯形截面干渠的TP體積分數、流動速度分別如圖10～12所示。

由圖10～12可知，矩形與梯形截面截污干渠隨著水力直徑增大，干渠末端出口即監測點4的TP體積分數明顯增大，且矩形截面截污干渠的各監測點基本呈現TP體積分數隨水力直徑增大的規律，這可能是當矩形截面水力直徑變大，過流面積增大，液體流通通道變寬，流動流速v減小，根據公式（2）可知顆粒沉降速度也會相應減小，故TP體積分數增大。梯形截面截污干渠上除監測點4外，其余監測點沒有表現出隨著水力直徑增大，TP體積分數增大的現象；而隨著水力直徑越大，圓形截面截污干渠每個監測點則基本呈現流動速度越小，TP體積分數越小的規律，這說明水力直徑對梯形、圓形截面截污干渠的TP體積分數影響較為復雜，不遵循公式（2）的規律。

2.4 坡度對干渠末端出口TP質量濃度的影響

模擬坡度i=0.2‰、0.5‰、1.0‰時矩形、圓形、梯形截面干渠的TP體積分數、流動速度分別如圖13～15所示。

由圖13～15可知，隨著坡度增大，矩形及梯形截面截污干渠輸運末端監測點4的農村農業面源中流動速度增大，而TP體積分數則逐漸減小，根據達西公式（4）可知，速度的二次方與坡度成正比，坡度增加會導致流動速度增加[19]，同2.1節分析，流速的增加會使顆粒態TP的沉降速度u增加，故TP體積分數減?。粓A形截面截污干渠末端的流動速度及TP體積分數變化不大，坡度對圓形截面截污干渠輸運農村農業面源中TP質量濃度變化影響較??；與其他截面的截污干渠相比，梯形截面截污干渠末端出口TP質量濃度最高，這可能是由于管渠管壁傾角越大，固體顆粒的可沉積臨界流速越大[20]，而在3種截面干渠中，相同坡度條件下梯形傾角最小為45°，固體顆粒沉積速度小，故干渠末端TP體積分數大。

3 結 論

采用FLUENT軟件模擬滇池東岸新寶象河至洛龍河污水廠段截污干渠，研究截面形狀、粗糙度、水力直徑、坡度等主要設計參數對輸運末端農村農業面源中TP質量濃度的影響，得到以下結論：

1）3種截面形狀中，圓形截面截污干渠輸運末端農村農業面源TP質量濃度最低，梯形截面截污干渠末端TP質量濃度最高。

2）隨著粗糙度增大，截污干渠輸運末端農村農業面源污水TP質量濃度對3種截面形狀而言均升高，其中矩形截面的變化幅度較小，圓形截面的變化幅度最大。

3）隨著水力直徑增大，截污干渠輸運末端出口處農村農業面源污水TP質量濃度對3種截面形狀而言，矩形與梯形截面均增大，圓形截面則總體降低。

4）隨著坡度增加，截污干渠末端出口處農村農業面源污水TP質量濃度對矩形及梯形截面截污干渠均降低，對圓形截面截污干渠變化不大。

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（編輯 鄭潔）