卫生间排水管安装图 [合流制排水系统截流工程淤积分析与探测]

　　 　　摘要：为研究承压截流井的淤积机理，应用CFD方法进行数值模拟，并以声纳现场实测数据检验。在基于DPM的临界床面切应力模型基础上，从新的角度应用遗传算法的概率选择方法，提出颗粒“概率沉降”模型，有效模拟出淤积面形状和相对淤积厚度，并得到声纳实测数据的验证。结果显示，截流井内x方向淤泥面呈斜坡状，存在位置不受流量影响的凸起；y方向淤泥面呈凹面状，中部存在凸起，两侧受冲刷而趋于平缓。声纳现场探测还发现，截流井内淤积厚度与旱流量有较强相关性；截流干管内淤积状况与相连的截流井有关。
　　关键词：合流制排水系统；淤积；CFD；概率沉降；声纳
　　中图分类号：TU992.24文献标识码：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
　　污水中固体颗粒物的沉淀淤积是排水系统的主要病害之一。国内针对排水系统淤积问题的研究仍相对落后，本文以“柳州市河北环岛截污系统”为研究对象，应用CFD方法对承压截流深井的淤积机理进行了研究，并对井内淤积情况进行了模拟分析。基于模拟结果，应用声纳系统进行现场淤积探测，以现场探测数据检验数值模拟效果，同时对截污系统的淤积情况作出总结分析，以研究其淤积规律与特征。
　　CFD是研究流体运动的有效方法，其中DPM模型可模拟固体颗粒物在水工构筑物内的运动规律。当研究泥沙在构筑物内的运动与沉积现象时，判断固体颗粒物沉降与否的边界条件是关键。V.R.Stovin，Matthieu Dufresne等人的研究表明，颗粒在边界沉降现象与当地床面切应力（local bed shear stress，local BSS）有较强的相关性，可用临界床面切应力（critical BSS）作为颗粒是否沉降的判断条件[1,2,3]。然而该方法虽能模拟出颗粒物的沉降区域和形状，但不能区分颗粒物沉降的难易程度和判断淤积厚度，本研究在临界床面切应力的基础上，从新的角度提出“概率沉降”的概念，将遗传算法中的概率选择方法应用到判断流场中颗粒物沉降的边界条件中，有效模拟出淤积面形状和相对淤积厚度，弥补了临界床面切应力模型的不足。
　　1研究对象与方法
　　1.1研究对象
　　“柳州市河北环岛截污系统”位于柳州市柳江北岸，2005年建成运行。由于受下游水电站建设影响，柳江上游河段常水位提升，污水干管埋深加大；为减小埋深、降低工程造价，该系统共采用15座承压截流井型（分为B1和B2型井，），井内承压水深达5~9m，致使截流井及上游干管流速减缓，易于产生淤积，制约其排污截流作用发挥。
　　1.2研究方法
　　通过改进基于DPM的临界床面切应力模型，从新的角度提出“概率沉降”模型，采用数值模拟与声纳实测验证相结合的研究方法。
　　1.2.1“概率沉降”模型
　　DPM模型可跟踪颗粒的运动轨迹，颗粒在流场中的受力平衡方程（颗粒惯性=颗粒所受所有作用力合力）在笛卡尔坐标系下表达式（x方向）如式（1）所示。对x，y，z方向的受力平衡方程进行积分即可得到颗粒的位移即运动轨迹[4,5]。
　　（1）
　　式中，up为颗粒速度，u为流体相速度，gx为重力加速度分量，ρp为颗粒密度，ρ为流体相密度。 ，μ为流体相动力粘度，dp为颗粒直径， 为球形颗粒的相对雷诺数， 为曳力系数，a1，a2，a3是经验常数[6]。Fx为其它作用力（如附加质量力，压力梯度作用力和升力等）。
　　当固体颗粒运动到井壁并发生碰撞后，其运动形式有反弹（reflect），捕捉(trap)，离开（escape）等，均可通过设定边界条件来处理。然而颗粒碰撞井底时的运动是比较复杂的，可能反弹，可能被捕捉沉淀下来，也可能反弹多次后最终沉淀，还可能沉淀后再次悬浮（resuspend）。V.R.Stovin，Matthieu Dufresne等人的研究表明可通过临界床面切应力作为颗粒沉降的判断条件，并将其赋予井底面作为处理颗粒碰撞的边界条件。然而床面切应力不同的区域颗粒物沉降的难易程度是不同的，因而淤积厚度也是有差别的，临界床面切应力模型却不能处理这种情况。针对于此，本研究引入“概率沉降”的处理方法。
　　遗传算法是一种有效的优化算法，它通过“选择”，“交叉”，“变异”操作模拟自然界的进化过程从而找到最优解。其中“选择”操作常用的一种方法为“轮盘赌选择法”，在该方法中，各个个体的选择概率和其适应度值成比例，概率反映了个体的适应度在整个群体的个体适应度总和中所占的比例，个体适应度越大，其被选择的概率就越高，反之亦然[7,8]。
　　将遗传算法的这种概率选择法应用到颗粒沉降模拟中，设颗粒物碰撞单元的床面切应力为τ0，临界床面切应力为τcritical，令
　　（2）
　　则P对应于遗传算法的个体适应度。计算时，当颗粒物碰撞井底边界后先计算τ0，τcritical以及P值，然后随机生成一个0~1之间的小数n，若n 　　从调查结果可知，与B1井相连的截流干管水面以下的管壁反射强烈，轮廓清晰，管段内部较为干净，普遍没有淤积产生。而与B2相连的截流干管内，管内底部存在着沉积物层的反射，沉积物的厚度达到了0.1~0.2m，反射强度表明，沉积物已经严重板结，系平衡稳定的沉积层，沉积物与水相之间没有固相易流动状的高有机物层存在。另外，水中存在着比较密集的悬浮物反射，说明有机絮状悬浮物在管道内污水中含量较高，而到下游B2-3与B2-4深井的截流干管之间，这些絮状有机物部分在水面、管壁产生了固结（如图6d所示），将会大大影响截流干管的过水能力。
　　B1和B2型井的淤积情况截然不同，其原因可归结为：处于截污系统上游的B1型井截流量小，沉淀作用强，污水通过截流深井后，仅有上层的上清液溢流入截流干管，污水中悬浮物含量较小，因此，管内基本没有沉积物。而与B2型井相连的截流干管中，沉积层厚度达到0.1~0.2m，其主要原因是处于下游的B2型井普遍流量较大，降雨径流冲蚀裹挟大量沉积物随水流进入了截流干管，造成了比重较大的颗粒物在截流干管底的累积，形成了稳定的沉积层结构。
　　3结论
　　CFD技术可辅助研究固体颗粒物在截流深井内的运动规律，临界床面切应力模型可用于处理DPM的颗粒与壁面的碰撞行为，但存在不能区分各区域颗粒沉降难易程度和预测相对沉积量的缺陷，本文提出“概率沉降”模型弥补了上述不足。对柳州市河北环岛截污系统的承压截流深井的数值模拟和声纳实测结果表明，“概率沉降”模型可用于流场内颗粒沉降差异性模拟。
　　承压截流深井淤积状况与旱流量存在较强相关性，旱流量越小则井内淤积厚度越大。而截污干管的淤积状况则和与之相连的截流井有关，上游B1型井的截污干管内基本没有淤积，下游B2型井的截污干管内存在0.1~0.2m淤积。截流井和截污干管的淤积特征均与污水量及水中固体颗粒物的运动规律有关，本文在这方面的研究对承压截流井型设计和截污系统运行管理具有重要的应用价值。
　　参考文献
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