濾料層的配水系統

• 配水系統位于濾池的底部，作用是在反洗時均勻分配水流及在過濾時收集過濾出水。
  濾池在過濾過程和沖洗過程中，雖然都要求兩者的流量在整個濾池面積上均勻分布，但更強調沖洗過程流量的均勻分布，是關系到濾池工作可靠性的關鍵條件。在過濾時，配水系統對于過濾水在整個濾池面積上的均勻集水也起了重要的作用。
  沖洗水分布不均勻會產生兩個危害性的后果。一個是在沖洗強度小的面積內，無煙煤濾料得不到足夠的清洗，這部分表面上殘留著附有懸浮固體的濾料，會逐漸黏結起來，成為球狀或片狀物，分別稱為“泥球”和“泥餅”�！澳嗲颉焙汀澳囡灐背霈F后，會逐漸長大而不會自己消失，進一步惡化沖洗效果，影響過濾出水的質量。另外在沖洗強度高的面積內，由于流速很大，會沖動承托層，破壞其結構，引起無煙煤濾料和承托層卵石的混合，并使濾料漏進過濾水中，產生“走砂”現象。
  
• 為了使配水系統設計成為均勻配水的裝置，需要了解配水不均勻的原因：
  
  圖4-10所示的干渠支管式配水系統，圖4-10(a)為立體外形圖，圖4-10(b)為水流沖洗時的示意圖。如圖4-10(a)配水系統的中間是一條干管，干管兩側等距接出若干根相互平行的支管，支管下方開兩排小孔，與鉛垂線成45°角交錯排列。沖洗時，水流自小孔流出，再經承托層分配后進入無煙煤濾料層；過濾時，水流方向相反。
• 圖4-10中，C處孔眼離B點最遠，A處孔眼離B點最近，所以C點與A點孔眼流量差別最大，設水流到A點的路徑為I，水流到C點的途徑為II，圖4-10(b)所示。
  圖4-10中，路徑II要比路徑I遠，設A點和C點處的孔眼流量分別為QA和QC。
  定義配水均勻性系數β為兩者的最小流量比，即：β=Qmin/Qmax
  式中：Qmin為最小流量，取QA和QC中較小者，m3/s；Qmax為最大流量，取QA和QC中較大者，m3/s。
  根據流體力學，孔眼出流流量按下式計算：QA=μAωC√2gHA / QC=μAωC√2gHC
  式中：μA、μC分別為A孔和C孔的流量系數；ωA、ωC分別為A孔和C孔的面積。
  若μA=μC，ωA=ωC，Hc>HA，則有：β=QA/QC=√HA/HC
  上式說明，配水的均勻性取決于A、C兩孔處的壓力水頭HA和HC的相對大小。
  忽略支管沿程水頭損失和入口處水頭損失，則：HC=HA+1/2g(ν20+ν2a)
  式中：ν0為干管起端流速，m3/s；νa為支管起端流速，m/s。
  所以：β=QA/QC=√HA/HC=√HA/HA+(ν20+ν2a)/2g 式(4-16)
  因為ν20+ν2a≥0，所以β≤100%。
  式(4-16)指明了提高配水均勻性應努力的方向：
  (1)增大孔眼阻力HA，使HA+(ν20+ν2a)/(2g)≈HA，β趨近于100%，這就是大阻力配水的基本原理。
  (2)降低干管和支管流速，削弱(ν20+ν2a)/(2g)的影響，同樣可使HA+(ν20+ν2a)/(2g)≈H，β趨近于100%，這就是小阻力配水的基本原理。
  
• 大阻力配水系統
  設β0是希望的配水均勻性系數(β0一般要求大于90%)，β≥β0，由式(4-16)得：
  HA≥β20(ν20+ν2a)/(1-β20)2g 式(4-17)
  式(4-17)表明，欲使配水系統的配水均勻性大于β0，孔眼阻力應超過式(4-17)右邊的值。
  根據孔眼流速和壓力水頭的關系，用配水系統的平均孔眼流速νk、平均孔眼流量系數μ和平均孔眼面積ω表示的話，式(4-17)可變化為式(4-18)所示的形式：ν2k≥μ2β20(ν20+ν2a)/(1-β20) 式(4-18)
  式中：νk為配水系統的孔眼平均流速；μ為孔眼平均流量系數。
  式(4-18)構成了孔眼流速、干管流速、支管流速和配水均勻性系數四者相互間的約束條件，是設計大阻力配水系統流速的理論依據。生產實踐中，一般將條件表達式(4-18)簡化成所謂的大阻力配水原則，即：孔眼流速>支管流速>干管流速。
  根據流速(ν)、流量(Q)和過水斷面積(F)三者關系式ν=Q/F，式(4-18)可表達成：
  (σk/σa)^4(nk/na)2+(σk/σ0)^4 n2k≤1-β20/μ2β20 式(4-19)
  式中：σk為孔眼直徑；σ0為干渠等效內直徑；σa為支管內直徑；nk為孔眼個數；na為支管根數。
  式(4-19)是設計大阻力配水系統幾何尺寸的理論依據。
  由于沖洗流速遠大于過濾流速，當沖洗布水均勻時，過濾收集出水也會均勻。所以，設計配水系統時常以反沖洗流量作為計算的依據。
  表4-7的有關設計規定，體現了式(4-18)對流速的要求和式((4-19)對幾何尺寸的要求。
  

  大阻力配水系統設計規定 表4-7

  項目	《室外給水設計規范》(GBJ 13-86)	《給排水工程設計手冊》	英、美規定
  ν0(m/s)	1.0-1.5	1.0-1.5	＜2
  νa(m/s)	1.5-2.0	1.5-2.0	＜2
  νk(m/s)	3-6	5-6	4-6
  開孔比(%)	0.2-0.25	0.2-0.25	0.15-0.5
  干管支管面積比	-	1.75-2.0	1.75-2.0
  管長管徑比	-	＜60	＜60
  支管中孔(m)	-	0.2-0.3	0.08-0.3
  孔眼中距(m)	-	-	0.08-0.3
  孔眼直徑(mm)	-	9-12	6-1

  從理論上講，只要流速和幾何尺寸的搭配分別滿足式(4-18)和式(4-19)的要求，就可做到配水均勻。從經濟角度考慮，建議在滿足上述兩式基本要求前提下，盡量采用小流速搭配，以利降低能耗，例如干管流速、支管流速和孔眼流速分別采用0.7-1.1m/s、1.4-1.8m/s和3.5-4.5m/s。據國內濾池的調查資料顯示，實際使用的干管流速、支管流速和孔眼流速分別為0.63-1.95m/s、1.61-2.64m/s和3.36-7.5m/s，孔眼水頭損失為14.7-72.52kPa，濾池配水均勻性系數在90%以上，反洗效果滿意。
• 大阻力配水系統的構造
  
  管式大阻力配水系統的構造如圖4-11所示。圖4-11(a)表示平面布置，由設在濾池中心的一根干管和兩側的許多帶孔眼支管構成，支管并均勻布置在濾池面積上�？籽坶_在支管下部管中心垂直線的兩側，一般呈45°角，并左右錯開，如圖4-11(b)所示。一般干管和支管用鑄鐵管或鋼管，但斷面大的干管則采用鋼筋混凝土渠道。有時為了配合濾池的形狀，把干管布置在濾池面積的側邊外，只布置一排支管。
  管式大阻力配水系統是大阻力系統的構造形式，這種系統是伴隨常規濾池發展起來的，有長期的使用經驗，對于大面積濾池的配水均勻性很可靠，使用這種系統的最大濾池面積已達315m2。
• 小阻力配水系統
  在沖洗水頭有限的無閥濾池和虹吸濾池設計中，普遍選用小阻力配水方式。
  根據式(4-16)引申出來的小阻力配水原理，人們設計出了許多種配水系統，圖4-12是其中一種。該配水系統沒有支管，并以池底較大的配水空間代替干渠，以開孔比大的濾磚代替支管上的孔眼，通過降低流速水頭實現均勻配水。
  令νa=0，則式(4-16)可改寫為：β=√1/1+(μν0/νk)2 式(4-20)
  式中：ν0為配水室進水流速；νk為配水平均孔眼流速；μ為平均孔眼流量系數。
  式(4-20)表明，小阻力配水的均勻性取決于流速比(ν0/νk)，進水流速小或孔眼流速大，配水均勻性好，反之配水均勻性差。
  根據水力學連續性方程，式(4-20)可表達成另一種形式：β=√1/1+(μaF/BH)2 式(4-21)
  式中：a為開孔比(配水孔總面積/濾池總面積)；F為濾池總面積，m2；B為矩形配水室過水斷面寬度(垂直紙面)，m；H為矩形配水室過水斷面高度，m。
  式(4-21)體現了小阻力配水對幾何尺寸的基本要求。當濾池面積、配水室高度和寬度已定時，配水均勻性取決于開孔比。開孔比小，孔眼阻力大，配水均勻性好。生產實際中開孔比變化范圍較大，在0.72%-47%之間，因此，配水均勻性相差很大。
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