王玉坤 張玉瑾 卜躍剛 田亞男

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

對(duì)于污水處理廠來說，特別是冬季嚴(yán)寒地區(qū)，污水溫度是一個(gè)非常重要的參數(shù)，對(duì)于污水處理效果影響十分顯著[1,2]。在一定范圍內(nèi)，污水處理效率隨著水溫提高而增大。我國(guó)季節(jié)性凍土分布十分廣泛，占國(guó)土面積50%以上[3]。管道埋設(shè)深度對(duì)于地下管道與周圍土壤換熱影響十分顯著，現(xiàn)有地下排水管道埋管深度一般設(shè)置在冰凍線以下。由于北方地區(qū)冬季氣候嚴(yán)寒，地下排水管道內(nèi)流體溫度較低，微生物活性較差，影響污水處理效果。若出現(xiàn)極端嚴(yán)寒天氣，管道內(nèi)流體溫度過低，可能會(huì)發(fā)生管道凍脹、凍裂、管道內(nèi)流體泄漏污染周圍土壤等事故，給污水運(yùn)輸帶來安全隱患。

本文以張家口市康?？h為例，通過分析氣溫和地溫季節(jié)性變化規(guī)律，構(gòu)建管道與土壤間的傳熱模型，分析在不同管道埋深下管道周圍土壤溫度場(chǎng)的變化以及熱量散失情況，并結(jié)合實(shí)際情況提出合理埋深深度，對(duì)于寒冷地區(qū)管道鋪設(shè)具有指導(dǎo)意義。

1 直埋管道換熱模型的建立

1.1 氣溫和地溫周期性變化規(guī)律

張家口市康?？h地處河北省西北部，屬東亞大陸性季風(fēng)氣候中溫帶亞干旱區(qū)，夏季短暫涼爽，冬季漫長(zhǎng)嚴(yán)寒，雨熱同期?？当？h歷史氣象資料顯示，1960年—2018年平均氣溫為1.89 ℃，且日平均氣溫、日最高氣溫、最低氣溫均呈顯著上升趨勢(shì)(P<0.01)。每年最低氣溫低于-20 ℃的天數(shù)平均為62.7 d。

大氣溫度以年為周期呈周期性變化，任意深度Z處的土壤溫度受大氣溫度影響，也呈周期性變化[4]。即：

(1)

由于熱力關(guān)系不同，四季土壤溫度的垂直分布規(guī)律不同，其中，春夏兩季地溫隨著土壤深度的增加而降低，秋冬兩季地溫隨著土壤深度的增加而升高。這是因?yàn)榇?、夏季土壤作為熱匯，熱量從土壤的表層傳遞到深層，故地溫隨著土壤深度的增加而降低；秋、冬季土壤作為熱源，熱量從土壤的深層傳遞到表層，因此，地溫表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加而升高[5]。

1.2 埋地管道二維物理模型

因同一深度處，土壤水平方向上的溫度變化較小，計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)，溫度的變化只發(fā)生在沿深度方向上，由此可將大地視為半無限大物體。大氣溫度日變化對(duì)較淺深度以內(nèi)的土壤溫度有較大的影響，更深處土壤只受到旬、月氣溫波動(dòng)的影響。深度土壤溫度變化相對(duì)淺層土壤溫度存在滯后，且隨著土壤深度的增加，溫度的變化幅度降低，當(dāng)深度增加到一定程度H時(shí)，溫度變化幅度接近0，計(jì)算過程中可視為恒溫，即不受大氣溫度變化影響，土壤溫度常年處于恒定狀態(tài)。當(dāng)與管道水平距離超過一定值S時(shí)，可認(rèn)為管道內(nèi)水的溫度變化對(duì)于該處土壤溫度沒有影響[6]。圖1為埋地管道換熱區(qū)域示意圖。

冬季排水管道內(nèi)污水流動(dòng)過程中，不斷向周圍進(jìn)行熱量傳遞，因而是一個(gè)散熱過程。土壤溫度場(chǎng)不僅受環(huán)境大氣溫度的影響，更受到管道的影響。管道埋設(shè)深度是影響溫度場(chǎng)的重要因素。覆土厚度是指管道外壁頂部到地面的距離，埋設(shè)深度是指管道內(nèi)壁底部到地面的距離。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 參數(shù)設(shè)定

以季節(jié)性凍土分布較廣的河北省康?？h為例，計(jì)算合理的排水管道埋深。模擬參數(shù)如下：管道為硬聚氯乙烯(UPVC)塑料管，公稱直徑為500 mm，土壤表面對(duì)大氣的放熱系數(shù)αk=16.8 W/(m2·℃)，污水流速為0.7 m/s，污水初始溫度為15 ℃。

排水管道為重力流管道，依靠管道的傾斜坡度重力自流。生活污水和工業(yè)污水的溫度比較高，一般情況下污水在管道內(nèi)不會(huì)凍結(jié)，且管道周邊土壤也不會(huì)凍結(jié)。污水中含有一定量懸浮物，水分占99%以上，故可認(rèn)為污水的流動(dòng)遵循一般流體流動(dòng)的規(guī)律。排水管道直線管段上，當(dāng)流量變化較小且又無沉淀物時(shí)，可認(rèn)為污水的流動(dòng)接近均勻流。

2.2 管道散熱計(jì)算

污水沿管道不斷流動(dòng)過程中，由于水溫相對(duì)周圍土壤溫度較高，熱量逐漸散失，導(dǎo)致了管內(nèi)的水溫降低。為使管道能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，不出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，則管段末端水溫要高于0 ℃[7]。圖2為某一段長(zhǎng)為L(zhǎng)的管道，L取500 m，污水流速為0.70 m/s，水力坡降i=2.00‰，左端為起始點(diǎn)，污水溫度為tR；右端為終點(diǎn)，污水溫度為tL。

計(jì)算管道沿線溫度分布通常采用蘇霍夫公式，如式(2)所示：

(2)

其中，g為重力加速度，m/s2；i為水流的水力坡降，m/m；G為污水的質(zhì)量流量，kg/s；K為總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；D為管道外徑，m；C為污水的比熱容，J/(kg·℃)。

污水在該管道運(yùn)輸過程中對(duì)外散熱較少，溫度變化不明顯。實(shí)際過程中由于污水流經(jīng)多段管道，運(yùn)輸過程較長(zhǎng)，存在污水沿管道溫度降低的情況。

2.3 溫度場(chǎng)計(jì)算

由于管道周圍溫度場(chǎng)受多因素影響，計(jì)算較為復(fù)雜，污水流經(jīng)管道時(shí)間與土壤溫度變化周期(1年)相比太短，將換熱過程視為二維穩(wěn)態(tài)換熱過程。為便于模擬和分析求解作出以下假設(shè)：

1)忽略土壤由于水分遷移引起的熱遷移，土壤、污水和管材的物理性質(zhì)參數(shù)為常數(shù)；

2)大氣溫度和土壤初始溫度為常數(shù)；

3)分析截面取管段的中點(diǎn)位置。

本文采用的是GAMBIT軟件進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)建模并劃分網(wǎng)格，并用Fluent 6.3對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。2月張家口康?？h土壤溫度降到最低值，故以此為例進(jìn)行計(jì)算。分別模擬分析該地區(qū)排水管道中點(diǎn)的埋設(shè)深度為223 cm，263 cm，273 cm，283 cm和293 cm時(shí)土壤溫度場(chǎng)，并得到等溫線分布圖，如圖3a)～圖3e)所示。

由于管道內(nèi)污水溫度高于周圍土壤溫度，故距離管道越近，土壤溫度越高。因此相同深度下，距離管道較近的土壤溫度高于自然土壤溫度。距離管道越近處的土壤等溫線分布越密集，等溫線呈現(xiàn)圓形或者橢圓形，且管道上部等溫線比下部更加密集，表明管道周圍土壤溫度變化的梯度較大，且管道的熱量主要向管道上部散失。

隨著管道埋設(shè)深度加大，管道附近土壤溫度受地表溫度影響的程度逐漸減小。7 ℃等溫線隨著管道埋設(shè)深度增加而上升，說明深度土壤溫度逐漸上升。當(dāng)管道埋設(shè)深度在273 cm以下時(shí)，土壤溫度場(chǎng)變化趨于平穩(wěn)，不再有大的變化。

從圖中土壤溫度分布圖可知，管道可正常運(yùn)行，但是由于223 cm深度較淺，高于自然冰凍線，在極寒溫度下可能存在安全隱患。

2.4 計(jì)算值和實(shí)際值比較

某段管道管長(zhǎng)為450 m，管徑0.50 m，水力坡度2.10‰，充滿度0.48，流速為0.72 m/s，取點(diǎn)處管道埋設(shè)埋深為225 cm，參數(shù)與模擬條件(a)相近。對(duì)不同位置溫度進(jìn)行測(cè)量，并與計(jì)算值進(jìn)行比較。以管道上方地表為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0)，垂直地面方向?yàn)榭v坐標(biāo)，與地面水平且與管道軸線方向垂直的方向?yàn)闄M坐標(biāo)。結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)量溫度值和計(jì)算溫度值統(tǒng)計(jì)表 ℃

可見計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值結(jié)果基本一致，表明所建模型可靠，可以滿足工程需要。

3 管道埋深確定

排水管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃受城市布局，地形以及電纜、燃?xì)夤艿溃晁艿篮徒o水管道的布置等因素影響[8]。管道污水在重力作用下從高處流向低處。管網(wǎng)由多段管道組成，上游管道的管徑、坡度等因素將直接影響下游管道的設(shè)計(jì)。

管道埋深和管徑是影響施工費(fèi)用的主要因素，管徑和埋設(shè)深度越大，費(fèi)用越高。UPVC管道具有重量輕，耐腐蝕，機(jī)械強(qiáng)度大，施工方便等優(yōu)勢(shì)，在該深度范圍內(nèi)，可滿足載荷的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，DN500的UPVC管道的管道埋設(shè)深度每增加1 m，施工費(fèi)用增加約93.15元/m。

污水處理在很大程度上依賴于微生物的活動(dòng)，在一定范圍內(nèi)，溫度越高，微生物活性越強(qiáng)，越有利于污水的處理。由文獻(xiàn)[2]可知，污水廠進(jìn)水溫度對(duì)CASS工藝污水處理效果提升明顯，水溫每提升1 ℃，TP去除率提升0.50%，TN去除率提升2.75%。

根據(jù)GB 50015—2019建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)排水管道敷設(shè)深度的規(guī)定，并結(jié)合上述以及實(shí)際污水沿管道散熱等問題，可將該埋設(shè)深度增加0.5 m，整個(gè)排水管網(wǎng)可以此方案進(jìn)行改善。

4 結(jié)語

對(duì)張家口康?？h各深度土壤溫度分布進(jìn)行了分析，構(gòu)建了全年各深度土壤溫度預(yù)測(cè)模型，并依此構(gòu)建了直埋管道二維物理模型和傳熱模型。采用蘇霍夫公式對(duì)污水沿管線散熱進(jìn)行分析，并利用FLUENT對(duì)不同埋設(shè)深度下，對(duì)排水管道與周圍土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值基本一致。結(jié)合相關(guān)規(guī)范規(guī)定，工程造價(jià)，載荷以及溫度對(duì)微生物活性的影響等因素，提出了合理的排水管道埋設(shè)深度。

本研究方法可為寒冷地區(qū)地下管道的鋪設(shè)提供參考依據(jù)。