利用凸型渗渠处理地表径流和地表水中颗粒物的模拟研究

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地表径流雨水引发的非点源污染是区域水环境污染的主要来源,径流雨水中的颗粒物是污染物的主要宿体,城市化的发展更是为径流雨水提供了丰富的颗粒物来源,城市区域的颗粒物污染近年来越发突出;由于地表径流雨水汇集、水土流失等诸多因素,大量泥沙等颗粒物进入江河湖库等地表水体导致其行洪能力和调蓄能力被削弱;城市景观水体因多为封闭缓流水体而易受污染,由悬浮颗粒物等引发的景观水体浊度问题严重影响水体的景观效果。常规水处理技术在处理地表径流和地表水体中的悬浮颗粒物时存在效率较低、投资大、易堵塞等缺点,因而急需开发一种稳定高效的固液分离处理技术,为大水量水体的净化和利用提供技术支持。通过分析比较国内外针对水体中悬浮颗粒物的处理技术,结合滤层水平方向渗流截留水质好和竖直方向渗流截留流量大的优点,营造悬浮颗粒运动方向与渗流出水方向垂直的水力条件,开发了一种新型高效凸型渗渠。利用FLUENT软件中的VOF模型、多孔介质模型和欧拉模型的数值模拟,优化确定了凸型渗渠的断面形状;通过分析滤层单独在水平方向和竖直方向的渗流截留规律,为传统过滤系统设计、渗墙设计提供技术参考;模拟分析凸型渗渠的主体即“凸型渗透体”的渗流截留规律,对其各部分尺寸进行了优选。研究结果如下:(1)利用FLUENT中欧拉模型和多孔介质模型模拟过滤过程,设置悬浮颗粒本身的黏性对结果没有影响,设置颗粒遇滤层阻力是水遇滤层阻力的105倍至108倍(即e5至e8倍)符合实际的过滤过程。(2)工程中渗渠有效水头差在2m之内时,可根据渗透系数K用下式设计渗墙厚度L:L =(1.5/1.89)H/0.5-1× 2H(0.0072K+ 0.5562)(3)竖直滤层渗流截留,截留层厚度(N)与水质和滤层结构等条件无关,仅与滤层深度(H)相关,两者的关系式为,N=0.115H,实际工程滤池可以通过增加滤池出口的阻力以减小滤池总体深度。(4)凸型渗渠中,建议进水渠宽度在0.85m~1.00m间取值;出水渠宽度在0.85m~0.95m间取值;建议工程设计中渗墙高度(即墙前后水头差)取进水渠宽的一半,即0.45m~0.50m;渗墙厚度可根据渗透系数K和渗墙高度H按如下经验公式取值:L =(0.92~1.00).(0.0072K + 0.5562);基层深度在 1.05m~1.25m 间取值。(5)西安市西咸新区新河近期平均流量为5万m3/d,远期流量为9万m3/d,为劣V类水体,完成了针对悬浮物去除的河道内模块式渗墙及其附属设施的模拟设计。
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