瞬变流对供水管网余氯衰减的影响研究

蒋晖 阚乙森 宋玲

【摘  要】供水管网余氯衰减与水力工况有关。在管网实际运行中，因调度水泵、事故停泵、阀门启闭等因素，使得管网流速、压力迅速变化产生瞬变流，对管网水质产生波动。论文通过构建水锤模拟中试实验装置研究瞬变流对余氯衰减的影响，结果表明：常规水锤对于余氯衰减有影响，且水压越大所产生的水锤对余氯衰减影响越大;此外，含气水锤对余氯衰减的影响大于常规水锤。含气水锤形成的瞬间造成余氯瞬间大幅度下降，但随着压力的稳定，余氯浓度逐渐上升，浓度分布达到稳定;但因水锤现象发生的时间较短，仅对发生时段和发生区域的余氯衰减有影响，相对于整个供水系统来说影响较小。

【关键词】瞬变流;余氯衰减;供水管网

氯是給水处理中使用最广泛的消毒剂，在水中维持一定量的余氯，不仅可以抑制水中细菌再繁殖，而且可作为管网水质二次污染的预警信号。水力条件对管网水质的影响研究鲜少考虑水力瞬变工况对余氯衰减的影响。而在管网实际运行过程中，因用户需水量呈动态变化，调度水泵改变管网系统水力负荷，以及管网运行中阀门启闭、事故停泵等因素，均会引起管内压力大幅度变化，在管网中产生瞬变流，一天中可能发生数次。因管网流速和压力迅速改变，水中余氯浓度发生波动，导致水质发生变化。鉴于山地城市供水系统多级加压、水力条件复杂、压力变化大，较平原城市供水系统更容易产生瞬变流，因此考虑瞬变流对供水管网余氯衰减的影响对保障管网水质安全具有意义。

1.试验材料和方法

1.1试验材料

（1）试验仪器。

余氯测定采用DPD（N，N-二乙基-1，4-苯二胺）比色法，使用HACH便携式余氯仪;压力测定采用Lolog450压力记录仪;流量测定采用Hydrin2700mm插入式流量计;流量、压力数据的读取：由安恒公司开发的配套Hydrin软件完成。

（2）试验药品。

NaClO溶液，DPD余氯试剂粉包（21055-69）。

（3）实验装置。

水锤模拟中试实验装置如图1所示。该实验装置设置在重庆某水厂，整套装置由不锈钢水箱、焊接钢管、水泵、蝶阀、空气阀、止回阀、压力表等组成。系统静扬程为12.47m，水泵型号为 Rsg65-200，额定扬程52m，流量30m?/h，额定转速2900rpm，额定功率7.5Kw;管路由DN100的焊接钢管组成，管长为93.5m。

①不锈钢水箱;②DN100手动蝶阀;③DN100电动蝶阀;④DN50手动蝶阀;⑤DN50空气阀;⑦真空压力表;⑧止回阀;⑨离心泵;⑩空气罐;⑥，，压力传感器;

1.2试验设计

实验以H水厂滤后水为研究对象，用山地多级加压供水系统管网水力安全中试平台研究常规水锤和含气水锤对余氯衰减的影响。

（1）常规水锤通过事故停泵时产生瞬变流来形成。调节Rsg65-200水泵，其最大扬程52m，最大流量30m?/h，转速2900rpm，功率7.5kW。通过调节水泵的扬程15m、16.5m、18m、21m，断电停泵后，缓慢开启下游出水管等出水稳定后接取水样，测定水中的余氯含量，在水锤试验平台中安装压力传感器以1次/秒的频率记录试验过程中的压力变化。

（2）含气水锤的实验操作与事故停泵的操作一样，即将调节Rsg65-200水泵使其扬程为45m，当运行稳定后，断电停泵后，调整水龙头处阀门的开启度（水龙头从关闭到全开，总共设置5个由小到大的开启状态），并在不同阀门开启度的情况下接取水样测量余氯含量。

2.实验结果分析与讨论

2.1常规水锤对余氯衰减的影响

分别在初始余氯0.67mg/L和1.21mg/L时进行水锤实验，余氯衰减和压力变化见图2和图3：

（1）正常运行压力15m事故停泵

（2）正常运行压力16.5m事故停泵

（3）正常运行压力18m事故停泵

（4）正常运行压力21m事故停泵

（1）初始余氯为0.67mg/L事故停泵水锤作用

（2）初始余氯为1.21mg/L事故停泵水锤作用

图2表明正常运行时压力为15m左右，事故停泵瞬间，压力变化范围0.5m～17.4m，最后压力稳定在13.7m;正常运行时压力为16.5m，事故停泵瞬间，压力变化范围2.1m～24.0m，最后压力稳定在14.2m;正常运行时压力为18m左右，事故停泵瞬间，压力变化范围1m～27.5m，最后压力稳定在12.8m;正常运行时压力为21m，事故停泵瞬间，压力变化范围0.1m～34.8m，最后压力稳定在12.8m。可以得出，正常运行压力越大，事故停泵时，压力瞬间变化越明显。

图3表明不同压力事故停泵瞬间产生的瞬变流对余氯衰减有影响，但影响较小。实验中配置水样原始余氯浓度0.67mg/L，当正常运行压力为15m、16m左右时瞬间停泵余氯衰减量为0.01mg/L，当正常运行压力为18m、21m左右时瞬间停泵余氯衰减量为0.02mg/L。设置初始余氯浓度1.21mg/L，当正常运行压力为15m时瞬间停泵余氯衰减量为0.01mg/L，当正常运行压力为16m、18m左右时瞬间停泵余氯衰减量为0.02mg/L，正常运行压力为21m时瞬间停泵余氯衰减量为0.03。

结合图2、3对实验结果进行分析，水压越大所产生的水锤对余氯衰减影响越大;且相同条件下，初始氯浓度越大，衰减越明显，但总体而言，对余氯衰减的影响较小。   因水力瞬变会促进水体的局部混合，从而增加化学反应，使余氯衰减速率变快，Brunone和LeChevalier等人[2，3]的研究表明，管网中的压力瞬态变化会导致管网水与管壁管垢层及生物膜的迅速混合，从而影响水质。但水流瞬变是在很短的时间内爆发，因此从长远来看，对余氯衰减影响较小。Helena M等人的研究表明，压力和速度的变化与水力瞬变在瞬变流对余氯衰减有影响，但从长期来看对管网水余氯衰减影响较小。

2.2含气水锤对余氯衰减的影响

山地城市输水管道高程相差较大，由于山地城市多级加压，则供水系统含有泵、阀门和水锤防护装置等。在山地城市输水管道的分岔管、阀门、凸起部位、封闭端等处，常有截留气团（囊），若在截留气团未排除前，突然打开有压管中的阀门或启闭水泵，将造成压力水流冲击气团（囊）。若发生阀门快速关闭、事故停泵等，将在管道系统中产生复杂的水力过渡现象，当管道内压力降低到一定值，气泡释放、液柱分离，分离的液柱重新弥合，将产生非常高的水锤压力，它比常规的水锤现象更为严重。

在水龙头处安装压力传感器记录试验过程中阀门缓慢开启时段含气水锤引起的压力瞬态变化及余氯衰减状况，见图4和图5。

在事故停泵后，開启水龙头的瞬间，微量气泡系统的瞬态压力发生急剧变化，首先从水龙头中释放的为水中部分气流，产生水柱分离现象，整个过程伴随着轻微震动与噪声;继续增加水龙头的开启度或继续等待几秒，水流夹杂着气泡开始从水龙头流出，此时水流急剧，形成紊乱、不规则的湍流;继续增大阀门开启度，由于液相速度较大，气相的速度较小，气相被撕碎成细小的气泡分散在液相水流夹杂着微小气泡稳定地流出，其流态类似于两相流中的泡状流，接取的水样因水中微小气泡的存在，而呈乳白色，当压力下降，气团释放完全后，只有水流稳定的流出。

发生含气水锤瞬间，压力大幅度波动，随后慢慢趋向稳定。测定此过程余氯衰减量，当初始氯浓度为1.58mg/L时，产生含气水锤瞬间的余氯衰减量为0.09mg/L;初始氯浓度为4mg/L时，产生含气水锤后瞬间的余氯衰减量为0.5mg/L。随着压力波动减小，余氯衰减量相应减小，慢慢趋于稳定。当给水管线内水流基本处于稳态水力条件时，管线水头处于稳定状态，余氯浓度分布也达到稳定。尽管在瞬变发生时余氯浓度波动很大，但从长期来看水质趋于稳定，余氯浓度也变化不大，与蒋白懿等的模拟研究结果一致。

对此，可以从以下两个方面进行解释：（1）当液体温度一定，压力降低到某一临界压力时，液体汽化或溶解于液体中的空气，发育形成空穴。当压力持续保持汽化压力时，汽泡不断产生并在一些特珠位置（如输水管道系统凸处或阀门附近等）聚集而形成气团，进一步发展形成蒸汽腔。由于余氯在水中也存在动态平衡，当压力变化时，平衡反应向着形成氯气的方向进行，且形成的氯气从液相析出，汇集至空穴和气团中，随着气体的逸出而释放出来，从而降低液相中余氯的含量;（2）从图中可以看出当压力变化幅度大时，对余氯衰减的影响更大，余氯浓度的变化趋势与压力变化趋势相似，则余氯衰减是因水中压力变化造成。Fernandes和Karney等人认为惯性和可压缩性的影响在瞬态事件可能导致水中氯含量的变化。

3.结论

（1）利用水锤装置研究瞬变流对余氯衰减的影响，研究结果表明：常规水锤对于余氯衰减有影响，且水压越大所产生的水锤对余氯衰减影响越大。

（2）含气水锤对余氯衰减的影响大于常规水锤。在含气水锤形成的瞬间会造成余氯瞬间大幅度下降，但随着压力的稳定，余氯浓度逐渐上升，浓度分布达到稳定。

（3）因水锤现象发生的时间较短，仅对发生时段和发生区域的余氯衰减有影响，相对于整个供水系统来说，其影响较小。

参考文献

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基金项目：重庆市教委科学技术研究项目（KJ1600541）;重庆市基础研究与前沿探索项目（cstc2018jcyjAX032）。

作者简介：蒋晖（1986-），女，博士，讲师，研究方向为饮用水处理新技术。