安尼瓦·斯地克，穆哈西，杰恩斯·馬坦

(1.新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049;2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052;3.新疆水利廳改水防病辦，烏魯木齊 830000)

0 引 言

目前新疆大部分飲水工程都采用地下水，隨工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，地下水污染，水質(zhì)達(dá)不到飲水標(biāo)準(zhǔn)，因此飲水工程的水源轉(zhuǎn)移到河道上游。河道上游地形復(fù)雜，修建清水池的難度大，河水一般通過開敞式清水池內(nèi)沉淀2～3次沉淀過濾后才輸送到用戶。開敞式清水池易受外界環(huán)境的影響、防凍能力和過濾能力差，而且定期人工清理水池內(nèi)的淤積，修建清水池所需投資(30～50萬元)大[1-3]。因此飲水水源的過濾及安全性是已成為亟待解決的問題。

本文研制了飲水工程規(guī)模相適應(yīng)的，投資少、自動過濾、自清洗，防凍能力強的集水式自壓魚鰓過濾器。集水式自壓魚鰓過濾器是封閉性圓桶，由進水過濾部分、集水桶及魚鰓過濾器等三個部分組成[4-5]。進水過濾部分設(shè)在集水桶的外側(cè)，河水通過第一級濾網(wǎng)滲到粗砂(砂礫石)再過濾一次，然后經(jīng)過第三級過濾后流入集水桶內(nèi)。集水桶是兩層圓桶，兩層間填滿保溫材料，保溫材料起防凍作用。魚鰓過濾器是設(shè)在集水桶內(nèi)出水管的進水口前端，進水管內(nèi)設(shè)微型旋槳，微型旋槳設(shè)在擺動軸的重心。打開供水閥后水流帶動微型旋槳，微型旋槳帶動擺動軸，擺動軸的下面和進水管壁接觸處設(shè)排污孔，平時排污孔的口活動葉蓋住，擺動軸擺動時帶動活動葉不停地開、閉排污孔口，從而進水管內(nèi)的雜物通過排污孔排到集水桶內(nèi)。擺動軸的另一端與刷子連接，擺動軸擺動時帶動刷子，刷子不斷地來回刷過濾網(wǎng)，預(yù)防過濾網(wǎng)的堵塞。如果河水的含沙量少卸掉魚鰓過濾器仍然可持續(xù)利用。

本文將集水桶的進水量、集水桶的蓄水量與下游用戶用水量之間建立平衡關(guān)系，說明集水式自壓魚鰓過濾器容積計算和尺寸確定的方法。解決飲水水源的防凍、濾網(wǎng)的堵塞、投資大等問題。為解決農(nóng)村飲水安工程設(shè)計提供依據(jù)。

1 材料與方法

(1)過濾網(wǎng)，粗砂(砂礫石)，集水桶，魚鰓過濾器。

(2)工作原理：把集水式自壓魚鰓過濾器埋入水源合適的位置，安裝后把粗砂或砂礫石填入前端隔層進水口，打開排氣閥后河水流入集水桶內(nèi)，桶內(nèi)水位上升逐漸保持穩(wěn)定，集水桶蓄滿水后關(guān)閉排氣閥。再打開供水閥，通過集水桶內(nèi)水位降低而集水桶內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，集水桶內(nèi)降低水量通過負(fù)壓作用下不斷吸入河水保持穩(wěn)定，河水向集水桶提供穩(wěn)定的水量。此時進水量、蓄水量與用水量之間的平衡關(guān)系式為：

Q桶≥Q蓄≥Q用

(1)

式中：Q桶為集水桶的進水量，m3/s；Q蓄為集水桶的蓄水量，m3/s；Q用為下游用戶用水量，m3/s(以上單位也可用m3表示)。

首先計算確定用戶的用水量(Q用)，根據(jù)用戶用水量的多少計算確定集水桶的面積和體積。

圖1 集水式自壓魚鰓過濾器整體Fig.1 Since catchments type pressure filter as a whole fish gills 1-集水式弧形過濾部分；2-一級過濾網(wǎng)：水從過濾網(wǎng)滲入砂礫石再過濾一次，然后經(jīng)過三級過濾網(wǎng)進入集水桶；3-保溫層：集水桶雙層間設(shè)的保溫材料；4-粗砂子(或砂礫石)起過濾作用；5-三級過濾網(wǎng)；6-蓋子；7-排污閥；8-排氣閥；9-合頁； 10-魚鰓過濾器

圖2 魚鰓過濾器結(jié)構(gòu)Fig.2 Fish gills filter structure 10-魚鰓過濾器；11-進水濾管；12-過濾網(wǎng)；13-活動葉；14-支架；15-軸頭；16- 刷子；17-濾網(wǎng)；18-擺動軸；19-固定支架(可伸縮)；20-旋槳；21-轉(zhuǎn)動軸(旋獎帶動旋轉(zhuǎn)軸)；22- 搖擺軸(可伸縮)； 23- 出水管連接件；24-排污孔

2 生活用水量計算

2.1 人口發(fā)展指標(biāo)的制定

(1)設(shè)計年限：設(shè)計年限是飲水工程建成后能滿足用戶用水要求的年數(shù)，根據(jù)農(nóng)村經(jīng)濟水平，村鎮(zhèn)發(fā)展的規(guī)劃等綜合因素考慮，一般按15年計。

(2)人口自然增長率：人口自然增長率應(yīng)根據(jù)供水地州計劃生育辦公室認(rèn)可的人口自然增長率,‰。

(3)用水人口：用水人口按下式計算確定：

P=P0(1+α)n

(2)

式中：P為設(shè)計年限末用水人口數(shù)，人；P0為設(shè)計時當(dāng)年人口數(shù)，人；α為年人口自然增長率，‰；n為設(shè)計年限。

(4)生活用水指標(biāo)：生活用水指標(biāo)是室內(nèi)有給水龍頭及衛(wèi)生設(shè)備考慮，用水定額50～60 L/(人·d)計。

(5)生活用水量計算：生活用水量按下式計算確定：

(3)

式中：Q1為最高日生活用水量，m3/d；P為設(shè)計年限末用水人口數(shù)，人；q1為最高日生活用水指標(biāo)，L/(人·d)。

2.2 牲畜用水量計算

(1)牲畜自然增長率：牲畜自然增長率是根據(jù)供水地州畜牧局制定認(rèn)可的牲畜自然增長率(%)。

(2)用水牲畜數(shù)：用水牲畜數(shù)換算為標(biāo)準(zhǔn)樣計算，安縣實際算確定：

X=X0(1+α牲)n

(4)

式中：X為設(shè)計年限末用水牲畜數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)羊頭)；X0為設(shè)計時當(dāng)年牲畜數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)羊頭)；α牲為年牲畜平均自然增長率，2.5%；n為設(shè)計年限。

(3)牲畜用水指標(biāo)：牲畜數(shù)低于1萬頭時，設(shè)計取10 L/(只·d)。

(4)牲畜用水量計算：牲畜用水量按下式計算:

(5)

式中：Q2為最高日牲畜用水量，m3/d；X為設(shè)計年限末用水牲畜數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)頭)；Q2為最高日牲畜用水指標(biāo)，L/(人·d)。

2.3 鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用水量

綜合現(xiàn)狀的當(dāng)?shù)剜l(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用水情況，如有鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)要考慮此項，如沒有鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)設(shè)計不考慮鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用水量。

Q3=0

(6)

(1)管網(wǎng)漏失水量：管網(wǎng)漏失水量按最高生活用水量、牲畜用水量、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用水量之和的5%～10%取值。

Q4=(Q1+Q2+Q3)×10%

(7)

(2)未預(yù)見水量：未預(yù)見水量按最高生活用水量、牲畜用水量、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用水量之和的10%～20%取值。

Q5=(Q1+Q2+Q3)×20%

(8)

(3)消防用水量：參照《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GBJ16)和《村鎮(zhèn)建筑設(shè)計防火規(guī)范》GBJ39的有關(guān)規(guī)定確定。

(4)總供水量為以上各項用水量之和，即：

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

(9)

(5)給水系統(tǒng)各組成部分計算水量：配水管網(wǎng)設(shè)計流量Q設(shè)。

(10)

式中：時變化系數(shù)應(yīng)按供水方式和用水情況確定，K時為時變化系數(shù)，取2.0。

2.4 管網(wǎng)流量計算

(1)比流量：輸配水管網(wǎng)每米管長流出的流量叫做單位管長比流量。按下式計算：

qs=(Q-∑q)/∑L

(11)

式中：qs為單位管長比流量，L/(s·m)；Q為管網(wǎng)設(shè)計流量，L/s；∑q為管網(wǎng)集中供水流量總和，L/s；∑L為有用戶用水管段長度的總和，m。

(2)沿線流量：某一管段的配水流量稱之為沿線流量，按下式計算：

qp=qsL

(12)

式中：qp為某一管段的配水流量，L/s；L為某一管段的計算量,m；qs為單位管長比流量,L/(s·m)。

(3)節(jié)點流量計算：節(jié)點流量即每個節(jié)點流出的水量，等于該節(jié)點相交的各管段的沿線流量總和的一半，即：

(13)

式中：qi為某節(jié)點的流量，L/s；∑qp為交匯于該節(jié)點的各管段沿量之和，L/s。

(4)管段流量計算：配水管網(wǎng)中各節(jié)點流量平衡條件是：流入任一節(jié)點的全部流量之和等于流出這一節(jié)點的流量之和。如果以流入節(jié)點的流量為正值，流出節(jié)點的流量為負(fù)值，則上述關(guān)系可表示為：∑Q=0，利用這個關(guān)系，就可從樹枝狀管網(wǎng)供水終點的節(jié)點流量開始計算，先計算出這一節(jié)點的各管段的計算流量，再依次推算，就可得出各管段的計算流量，最后求出總設(shè)計流量等于該管段下游節(jié)點的流出流量之和。總設(shè)計流量(Q設(shè))即用戶用水量(Q用)。

3 過濾裝置主要設(shè)計參數(shù)

(1)集水桶負(fù)荷率：集水桶表面負(fù)荷率是指集水桶單位面積的產(chǎn)水量，其數(shù)值上等于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)粒徑泥沙顆粒的沉速，即：

(14)

式中：q用為設(shè)計流量(下游用水量Q設(shè))，m3/h；v0為表面負(fù)荷率，m3/h；Ac為集水桶表面積，m2；如果泥沙中細(xì)沙比例較大，集水桶的表面負(fù)荷率宜選較小值，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)水質(zhì)情況和系統(tǒng)對水質(zhì)的要求選用[6-9]。

(2)集水桶儲水量的水平流速：水平流速一般取30～90 m/h。

(3)停留時間：應(yīng)根據(jù)水源水質(zhì)的要求確定水在集水桶中的停留時間，一般取1～3 h。

(4)集水桶的長寬比：集水桶形式為圓形，因此集水桶的直徑與高度之比來計算。

(5)集水桶直徑的計算：設(shè)計流量和表面負(fù)荷率確定后，集水桶直徑按下式計算確定：

d=2r=vt

(15)

式中：d為集水桶直徑，m；r為集水桶半徑，m；v為水平流速，m/h；其余符號同上。

(6)集水桶有效水深計算：有效水深是指出水管徑底之集水桶頂部的距離，按下式計算確定：

(16)

式中：Hy為有效水深，m；q為設(shè)計流量，m3/h；Ac為集水桶表面積，m2；t為水在集水桶中停留時間，h；

(7)集水桶存泥深度計算：集水桶存泥深度是指出水管徑底之集水桶底部間距，按下式計算確定：

(17)

式中：Hn為集水式桶存泥深度,m；C0為進入集水桶水流含設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及其以上粒徑泥沙的濃度，kg/m3；γ為集水桶最長的工作時間段長度，h；其余符號意義同前。

(8)集水桶深度H的計算：集水桶深度按下式計算：

H=Hy+Hn

(18)

(9)集水桶水力條件復(fù)核：集水桶水力條件復(fù)核包括水流紊動性復(fù)核和集水桶穩(wěn)定性復(fù)核方面的內(nèi)容。

(10)水流紊動性復(fù)核：集水桶內(nèi)水流的紊動性用雷諾數(shù) 來判別：

(19)

式中：Re為雷諾數(shù)；R為水力半徑，m；v0為水的運動黏滯性系數(shù)，m3/s；其余符號意義同前。

集水桶中水流一般呈紊流狀態(tài)，其雷諾數(shù)為4 000～15 000。水流除水平流速外，尚有上下左右4個方向的脈動分速，且伴有小的渦流體，這些情況都不利于顆粒的沉淀。應(yīng)設(shè)法降低雷諾數(shù) 以利于顆粒沉淀。降低雷諾數(shù)的有效措施是減小水力半徑R。采用池中縱向分格的方法可以達(dá)到這一目的。

(11)集水桶穩(wěn)定性復(fù)核：水流穩(wěn)定性用弗勞德數(shù) 來判別：

(20)

式中：Fr為弗勞德數(shù)；g為重力加速度，9.8 m/s2；其余符號意義同前。

弗勞德數(shù)增大，表明慣性力作用相對增加，重力作用相對減少，對水流相對密度差、溫度差、異重流及壓差等影響的抵抗能力強，使池中的流態(tài)保持穩(wěn)定，集水桶Fr值宜大于10-5。增大Fr值得有效措施是減少水力半徑R，采用池中縱向分格的方法可以達(dá)到這一目的。圓形集水桶面積：按下式計算：

A=πR2

(21)

圓形集水桶體積：按下式計算：

V=AH

(22)

式中：符號意義同前。

進水量按淹沒出流公式計算[10]，滿足等式(1)為止。

4 實用實例

(1)計算依據(jù)：根據(jù)《新疆農(nóng)村人畜飲水工程初步設(shè)計編制綱要》，并參照《農(nóng)村供水工程技術(shù)要點》、《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》、當(dāng)?shù)貙嶋H用水需求，確定本次人畜飲水工程用水包括：居民生活用水、牲畜用水、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用水、消防用水、管網(wǎng)漏失水量和其他未預(yù)見用水量。依據(jù)《新疆農(nóng)村人畜飲水工程初步設(shè)計編制綱要》標(biāo)準(zhǔn)生活用水量室內(nèi)有給水龍頭，但無衛(wèi)生設(shè)備時每人每天最高按30～60 L計；牲畜用水量按大綱要求牲畜數(shù)超過1萬頭只時每頭(標(biāo)準(zhǔn)頭)每天5 L計，低于1萬頭只時每頭(標(biāo)準(zhǔn)頭)每天10 L計算；管網(wǎng)漏失水量及未預(yù)見水量按人、畜用水總量的10%計；消防用水量可通過臨時減少其他用戶的用水量來解決；用水人口>3 000人時，時變化系數(shù)在1.6；人口自然增長率為12‰，牲畜自然增長率按照縣畜牧局提供的數(shù)據(jù)自然增長率為2.5%。工程控制人口5 179人，牲畜5 100頭(只)，設(shè)計年限15 a。

(2)計算結(jié)果：經(jīng)計算設(shè)計年限末用水人口數(shù)為6 194人，項目區(qū)生活用水量為310 m3/d；設(shè)計年限末項目區(qū)用水牲畜數(shù)7 386標(biāo)準(zhǔn)頭，供水區(qū)牲畜用水量為73.86 m3/d；本次設(shè)計不考慮鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用水量Q3=0；管網(wǎng)漏失水量按最高生活用水量、牲畜用水量、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用水量之和的5%取，Q4=19.1(m3/d)；未預(yù)見水量按最高生活用水量、牲畜用水量、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用水量之和的10%計，Q5=38.2 (m3/d)；根據(jù)以上計算總供水量441.2 m3/d；日總供水量Q=441.2 m3/d。

(3)集水桶尺寸的確定：集水桶調(diào)節(jié)容積，按最高日用水量的15%計，安全儲水量最高日用水量的5%計，經(jīng)計算集水桶容積88.2 m3，為了保險起見集水式容積定為100 m3。經(jīng)計算可得：集水桶存泥深度Hn=0.5 m，H=4.1 m，內(nèi)徑R=3 m，集水有效深度(出水管管徑以上的深度)Hy=3.6 m，相應(yīng)面積A=28.26 m2時，滿足容積V=100 m3的要求。

5 結(jié) 論

(1)集水桶和自壓魚鰓過濾器連成一體直接進行5級過濾，自壓魚鰓過濾器后部可連接不同管徑的管道。

(2)集水桶由兩層隔水層間設(shè)保溫材料，防凍能力強，魚鰓過濾器內(nèi)部設(shè)置來回擺動的刷子不斷地刷過濾網(wǎng)，過濾網(wǎng)不易堵塞。

(3)節(jié)省大口進、引水渠道(或引水管)、水槽及清水池等工程投資，可節(jié)省29～49萬元的投入，集水式自壓魚鰓過濾器投資少、抗凍能力強、工程占地面積小，采用壓差和水動力原理，同時解決過濾、排沙、自清洗及防凍及供水問題。

(4)根據(jù)水源泥沙含量的多少和供水范圍，可增加集水桶進水孔目數(shù)，可推廣到所有自壓供水工程。集水式水自壓魚鰓過濾器代替清水池，適合用于新疆水源及輸水管道系統(tǒng)。

□

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