粉末活性炭在原水输水渠道中的输移特征研究

在原水输水管渠中投加粉末活性炭，充分利用原水在输水渠道中的输送时间对污染原水进行预处理，已经成为水源地突发污染事故条件下的应急处理技术手段。粉炭作用效果与其在输水渠道中的输移机理有关。本项目针对这一问题，开展了粉末活性炭在原水输水渠道中的输移特征研究，取得了以下成果： 1. 阐明了粉炭的输移沉降机理。针对传统的顺直水槽不能模拟长距离输水渠道中粉炭输移沉降过程的问题，自主研发了双向环形水槽试验装置，以时间换空间的方式，有效解决了粉炭输移沉降过程的试验模拟。通过试验研究，提出了描述环形水槽中粉炭动态沉降过程的数学模型，确定了粉炭沉降的临界水流条件，粉炭沉降平衡浓度与水流条件、起始投加浓度及竹炭自絮凝的关系。基本结论为：（1）粉炭动态沉降与水流条件有关，与粉炭起始投加浓度（<80 mg/L）基本无关；（2）随着水流速度和投加浓度增加，粉炭自絮凝体粒径增加，但是增加趋势不明显，且自絮凝体密度降低，更容易随水流作用悬浮；（3）粉炭沉降的临界水流剪应力为0.35 Pa，最大沉降速率为1.57×10-4 m/s。 2. 建立了原水输水渠道中粉炭—微量有机物耦合数学模型。传统的烧杯实验能够确定对于某一投加浓度的污染物吸附过程曲线及吸附平衡浓度，但是无法确定输水渠道中粉炭沉降条件下的污染物吸附效果。本研究建立的粉炭—微量有机物耦合数学模型以环形水槽试验确定的沉降参数为依据，综合考虑了沿水流的纵向输移、垂向沉降和粉炭吸附污染物动力学过程，解决了粉炭沉降条件下的污染物吸附效果模拟问题。以此模型为依据，本研究对上海市黄浦江上游松浦大桥水源地—市区自来水厂之间的约40km长输水管渠中，以水源地硝基苯浓度超标为情形，对投加粉末活性炭的应急方案进行了评估。当水源地水质严重超标时（硝基苯超标11倍），最大水流剪应力为0.21Pa，对应本区域30%峰值水量。当水源地水质超标相对较低时（超标2~5倍），水流剪应力可达到0.35Pa以上（对应实际供水量大于38%峰值水量）；根据实际输水渠道长度，在满足粉炭吸附平衡时间的基础上，可尽可能提高供水水量。 本项目实施至今已发表论文6篇，其中SCI收录论文2篇。授权实用新型技术专利1项，申请发明专利1项。该研究为国内城市应急供水提供了理论依据和评估技术手段。该项目相关研究成果获得周培源基金会颁发的2012年度周培源水动力学奖（三等奖）。

近年来，为确保城市供水水质安全，采用在原水输水渠道起始端投加粉末活性炭（简称PAC）的方法，对污染原水进行预处理。由于PAC产生的自絮凝效应，长距离输水渠道中，PAC的沉积影响原水预处理效果。本项目以原水输水渠道中投加竹炭（PAC的类型）为对象，通过设计旋转式双筒装置形成垂向水流速度梯度，开展竹炭自凝聚试验研究，揭示水流条件及竹炭浓度及对其自凝聚效应及沉降的影响机制。采用环形水槽装置，通过开展水流运动条件下的竹炭垂向输移过程试验，建立自絮凝-沉降动力学方程，并考虑纵向输移效应，最终建立竹炭在输水渠道的输移数学模式。研究成果将使人们对PAC在输水渠道中的输移机制有一个更深入的认识，也为长距离原水输送渠道的PAC优化投加提供理论依据。

强水流是一种常见的自然现象，具有强冲击、强冲刷和强输沙能力等特点。它经常发生于堤坝溃决过程中，造成非常严重的后果。进行强水流作用下推移质输移规律的研究是水沙动力学领域的前沿问题，具有重要的科学价值和工程意义。本项目通过水槽试验、理论分析和数值模拟相结合的方法开展研究，研究成果主要包括：（1）溃坝强水流作用下，河床表层泥沙根据不同特征可分为三个区域：第一区域为河床粗化区，第二区域有为小颗粒泥沙沉积区，第三区域为粗颗粒泥沙沉积区。（2）强水流作用下床面推移质泥沙粒径垂向上呈明显分层现象，粗颗粒泥沙层和细颗粒泥沙层交替分布。（3）强水流作用下床面剪切力与r/D具有明显的线性关系，强水流的推移质输沙率受水力半径与泥沙粒径比值的影响明显。（4）强水流作用下床面不同沙波之间的几何形态自相似主要受限于沙波的波长和波高。（5）考虑泥沙颗粒的碰撞作用，建立了强水流作用下推移质输沙率公式以及不平衡输沙方程。（6）设计了非接触式推移质输沙率的测量装置并提出了测量方法。本项目的部分研究成果已应用于望谟河的整治和成子河泄洪道交汇区的流态的研究，为实际工程提供了参考。 2100433B

强水流常见于堤坝溃决过程中，具有强冲击性、强冲刷性等特点。本项目拟通过水槽试验，研究不同强水流条件对水流结构、推移质输沙率的影响；通过理论分析，定量表征泥沙颗粒碰撞的能量转化，同时考虑水流的非恒定、非均匀性的影响，建立强水流作用下的推移质输沙率公式，该研究将揭示强水流输沙的能量转化过程、克服传统推移质输沙率公式不适用于强水流条件的不足；在此基础上，采用力学原理和两相流的连续介质理论相结合的方法，建立强水流作用下推移质不平衡输沙方程，该方程能充分反映强水流输沙过程中固液混合体的特性，在机理上更加完善。此外，将研究成果引入到水沙数学模型中，对典型强水流作用下的推移质输移过程进行模拟研究。本项目的预期成果有助于完善和丰富推移质输移理论，也可为堤坝溃决中的防灾减灾提供技术支撑。