基于分形维数特征的砂滤层适宜粒径范围

为了对砂滤层过滤性能进行分析,该研究以粒径范围为1.0～1.18、>1.18～1.4和>1.4～1.7 mm的3种砂滤层为研究对象,以黄河泥沙作为原水杂质颗粒,采用激光衍射粒度分析仪测量了人民胜利渠泥沙粒度分布,得到了泥沙粒度分布的密度函数,并以兰考县黄河泥沙对泥沙粒度分布规律进行了验证。采用工业CT对3种砂滤层进行扫描,利用计算机图像处理技术,采用像素点覆盖法,自编程序计算了3种砂滤层横截面特征参数,孔隙率均值分别为0.421、0.431和0.439,计盒分形维数均值分别为1.695、1.709和1.726,截面最小孔径与最大孔径比分别为1/17、1/18和1/21,拟合了孔隙率与计盒分形维数的相关关系,分析了砂滤层分形理论适用性。建立了砂滤层过滤概率分形模型,计算了3种砂滤层孔隙直径范围,分别为59.5～1 002、66.9～1 220和72.9～1 503 μm,计算了原水中100 μm以上杂质颗粒通过砂滤层的概率,对于人民胜利渠泥沙,分别为0.67%、0.81%和0.93%,对于兰考县黄河泥沙,分别为0.62%、0.80%和0.91%。从理论上证明了表层过滤的存在性,分析了表层过滤的机理及其对反冲洗频率的影响。同时,为了减轻表层过滤,粒径范围为>1.4～1.7 mm的滤层更适宜作为砂过滤器的滤料。研究可为砂滤层内部结构的研究和滤料选型提供基础理论与数据参考。     

微灌用石英砂滤料的过滤与反冲洗试验

通过对微灌用砂石过滤器滤料的过滤和反冲洗试验,分别对5种泥沙含量的原水在5个过滤速度和5个反冲洗速度条件下,测定分析了出水浊度随时间的变化规律,提出了滤料对浊度的滤除比率的计算方法,试验结果表明：冲洗流速加大,出水浊度接近清水浊度的时间缩短,正常速度范围内反冲洗在6～7min内完成;原水浊度与滤后水浊度成正比,过滤速度与滤后水的浊度成正比,浓度在0．1‰～1‰范围内,浊度的滤除比率在40％～60％之间;滤层同样有一个成熟期,在此期间滤后水浊度是变化的。     

微灌用均质砂滤料过滤粉煤灰水时对颗粒质量分数与浊度的影响

为了搞清楚微灌用均质砂滤料的过滤效果,作者开展了均质砂滤料过滤对粉煤灰水质的固体颗粒质量分数和水质浊度影响的模型试验。对颗粒质量分数影响试验显示：虽然颗粒质量分数的平均滤除率均在59%以上,但试验数据变化幅度很大,说明过滤对颗粒质量分数的影响较为复杂;滤除率与过滤速度成负相关,与原水颗粒质量分数成正相关;试验数据验证了敏茨过滤方程表述的“过滤是吸附和脱落交互发生的过程”对微灌过滤条件的合理性,证明了微灌过滤水流流态均为非层流,多数情况处在层流与紊流的过渡区内。对浊度影响试验发现：滤层厚度对浊度滤除比起决定性的作用,浊度粒子吸附与脱落时间均大约在5～6 min,滤速对浊度去除率的影响是有限的。比较2个试验可看出：滤后水的颗粒质量分数和浊度值是2个不相关的参数,其过滤过程是截然不同的,进而得出以浊度指标来判断微灌过滤和反冲洗效果是不科学的。该试验为今后微灌过滤技术的发展提供了参考。     

微灌砂石过滤器滤帽水力性能试验及内部流场模拟

微灌用砂石过滤器中,集水滤帽是进行过滤过程集水和反冲洗过程散水的关键部件。为了获得滤帽内部流阻特性,改善砂石过滤器水损较大弊端,该研究对国内市场上常用的梯形集水滤帽进行了室内模型试验,测定了滤帽在不同过滤和反冲洗速度下的压降特性,并采用Fluent(15.0)软件对滤帽过滤和反冲洗过程中的流场分布特征进行了数值模拟,研究了滤帽内外的压降分布规律。结果表明：滤帽压降模拟结果和试验测试结果吻合性较好,相对误差3.54%～6.53%。随着滤速升高,滤帽产生的水头损失较滤层水损增长更为显著,反冲洗过程中的滤帽水损要大于过滤状态;通过对滤帽内部流场分析,滤帽水损主要产生于近滤缝区域和芯柱区域,均是由于过水流道突然缩小导致,在滤层滤速为0.030 m/s时,滤缝和芯柱进口处滤速分别为2.57和4.01 m/s。结合以上结果,设计了一种扁平球面滤帽结构,增加了滤缝面积,优化了芯柱结构,缩小了滤帽高宽比,通过数值模拟,表明扁平球面滤帽结构有助于改进过滤和反冲洗效果。研究结果可为滤帽选型和优化改进提供参考。     

微灌石英砂滤层流态特性与分形阻力模型参数确定

石英砂是微灌过滤中常用滤料,具有多孔介质属性。该文将多孔介质模型和分形理论相结合,对3种粒径的微灌石英砂滤层的过滤过程展开研究。将Ergun型方程无量纲化,并结合试验确定了石英砂滤层的流态分区。构建了石英砂滤层清洁压降的分形阻力模型,在模型中,过滤通道曲线分形维数、滤层横截面分形维数为待定参数。为了确定二者的值,将Ergun型方程与分形阻力模型相对比,得出了Ergun型方程经验系数的分形表达式,从而确定待定参数的值。首先,结合试验数据,拟合出湍流区经验系数的值,根据经验系数的分形表达式,确定了过滤通道曲线分形维数、滤层横截面分形维数等参数,得出了湍流区分形模型的表达式。然后,以湍流流区分形参数的值为边界值,确定了Forchheimer流区过滤通道曲线分形维数表达式和滤层横截面分形维数的值,并得出了Forchheimer流区分形模型的表达式。在此基础上,分析了滤层过滤特性:1)根据Forchheimer流区过滤通道曲线分形维数的变化规律,得出了在Forchheimer流区滤层存在成熟期的结论;2)探讨了滤层最佳过滤速度和最佳清洁压降的计算方法,构建了石英砂滤层过滤性能函数,并利用过滤性能函数计算出了滤层的最佳过滤速度和最佳清洁压降。3种滤层最佳过滤速度分别为0.02、0.024和0.027 m/s,最佳清洁压降分别为6 045、9 660、14 500 Pa。研究为微灌砂过滤器运行和设计优化提供了技术依据。     

微灌用叠片式砂过滤器性能试验研究

针对微灌工程中灌水器堵塞的问题,在分析现有砂过滤器基础上,研究设计了叠片式砂过滤器。通过大量的水力性能测试和反冲洗抗堵塞性能试验以及对比试验,探讨了一定滤管直径的最佳叠片数,即滤管直径Φ₁=20 mm时,叠片数为48片为宜;并提出叠片式砂过滤器的水力性能特性曲线方程和过滤水头损失经验公式。试验结果表明：叠片式砂过滤器水力性能良好,过滤能力大,水头损失小,即在设计流量为10 m³/h下,叠片式砂过滤器的清洁压降比滤头式砂过滤器小37%;过滤与反冲洗效果好,是节水灌溉系统中理想的防堵塞设备。     

基于CT扫描的不同粒形滤料孔隙结构特征

滤层孔隙结构直接影响过滤过程中的颗粒沉积和运移效果。为了掌握砂石过滤器不同粒形滤料组成滤层的内部孔隙结构特征,该研究以粒径为1～1.18 mm的普通石英砂（QS1）、天然海砂（SS2）、改性玻璃（MG3）和玻璃微珠（GB4）4 种滤料为研究对象,采用CT 扫描技术对滤层孔隙模型进行了三维重构,利用VGStudio MAX、Image J等计算机图像处理软件,分析了 4 种滤层的孔隙率、孔径大小及孔隙形状参数,并结合分形理论确定了 4 种滤层孔隙结构的计盒分形维数。结果表明：4种滤层的表观孔隙率范围分别为39.7%～44.6%、38.5～42.3%、40.7%～45.6%、34.8%～38.7%,对应体积孔隙率分别为0.422、0.412、0.441、0.366;对应孔径范围分别为75～960、80～760、70～1 050、85～930 μm,圆度值区间分别为1.59～1.78、1.35～1.54、1.65～2.03、1.20～1.36,扁平度值区间分别为2.62～2.75、2.05～2.20、3.04～3.21、1.94～2.04,计盒维数均值分别为1.621、1.566、1.661、1.446。该研究定量表征了滤层孔隙结构特性,得出不同粒形滤料细观孔隙结构的差异：滤层表观孔隙率呈现“上高下低”分布规律,孔径分布规律表明滤层内均是小孔隙占多数,大孔隙占少数,且孔隙以狭长型为主。随着滤料棱角度增加,表观孔隙率分布越分散,体积孔隙率越大,大孔隙占比也相应增加,最大达到17.24%（MG3）,孔隙形状更加偏离球形,表征孔隙结构复杂性的计盒维数相应增加,且分形维数与孔隙率呈负相关关系。滤层孔隙结构研究可为后续研究滤层内颗粒沉积和运移规律奠定基础。     

微灌石英砂过滤器反冲洗数值模拟验证与流场分析

微灌石英砂滤层的反冲洗,是实现滤料再生的有效途径,为了对反冲洗过程流场进行分析,并确定合理的反冲洗速度。该文建立了石英砂过滤器几何模型并进行了网格划分,采用Eulerian模型作为石英砂滤层反冲洗数值模拟模型,分别对石英砂当量粒径为1.06、1.2和1.5 mm的3种滤层的反冲洗过程进行了瞬态模拟,并将滤层整体压降和整体密度的模拟结果与试验结果进行对比,结果显示,整体压降的最大模拟误差为7.03%,整体密度的最大模拟误差为1.93%,说明数值模拟准确可信。在此基础上,分析了石英砂滤层反冲洗过程压降的波动规律、压降均值和压降标准偏差随反冲洗速度的变化趋势;并分析了滤层密度的分布规律、密度均值和密度标准偏差随反冲洗速度的变化趋势。根据压降波动的稳定性,结合滤层密度分布的稳定性,确定了石英砂滤层反冲洗强度的合理范围,3种滤层分别为0.0149~0.0212、0.0146~0.0218和0.0191~0.0261 m/s。该研究为石英砂滤层反冲洗过程的机理研究提供了参考,为砂过滤器反冲洗性能参数的确定提供了依据。     

砂滤罐处理工厂化养鱼循环水效果

根据石英砂粒径与颗粒密度的关系,研究砂滤罐处理工厂化养鱼循环水效果,该试验采用了2组并联的3层滤料普通砂滤罐,根据几何、物理原理,以石英砂最大颗粒密度,粒径3 mm作为中层,粒径2 mm和5 mm作为上下层,且颗粒密度均小于中层的设计。进行砂滤罐工厂化循环水处理效果和反冲洗再生效果的试验,结果表明：悬浮物去除效果极为显著（P＜0.01）,去除率达99.83%,达到了去除悬浮物的要求。砂滤罐经过反冲洗后,能够再生使用。     

滤料运动提高往复式微珠生物过滤器效率

为确定滤料往复运动在生物滤器硝化反应过程中的作用,该研究围绕滤料运动对往复式微珠生物过滤器硝化反应效率和动力学的影响进行了试验,利用一套微珠生物过滤器,填充发泡聚苯乙烯颗粒(expanded polystyrene beads,EPS)滤料,粒径为3mm,滤料层高度26cm,对其过滤效果进行试验。结果表明,滤料层的往复运动显著影响过滤器的处理效果,滤料的运动停止后,过滤器的效率缓慢下降,6d后的氨氮去除负荷降低了27.1%。动力学研究结果显示,滤料运动改变了过滤器的硝化反应动力学特性,与静止状态相比,硝化反应自零级动力学向半级动力学升级的分界点显著降低,进一步证明滤料运动可以改善营养物质的传质情况,提高生物膜活性,提升过滤器效率。     

叠片过滤器水力和过滤性能综合评价方法研究

为建立叠片过滤器过滤性能综合评价方法,以5种常见叠片过滤器为研究对象,对不同进水含沙量(0.02%、0.03%和0.04%)与过滤流量(25、30、35 m3/h)条件下叠片过滤器的水力性能和过滤性能开展试验研究。根据不同工况下叠片过滤器的堵塞均匀度、周期拦沙量以及拦截泥沙中值粒径,采用逐步回归分析、主成分分析方法,建立不同单项性能指标与6项叠片结构参数(叠片厚度、叠片片数、叠片沟槽长度、叠片沟槽数、叠片沟槽外截面三角形顶角、叠片沟槽外截面三角形高)间的多元线性回归方程,并采用直接加权法建立叠片过滤器性能的综合评价函数。结果表明,叠片结构尺寸参数均对过滤器性能有一定的影响,所建立的评价函数对叠片过滤器I～V的评价值依次为7.22、7.08、7.88、8.63以及3.11,该评价函数可以全面、合理地对叠片过滤器综合性能进行评价和对比。该评价方法不仅能用于对叠片过滤器性能进行评测,还能为改进叠片结构尺寸、进一步优化过滤器性能提供参考。     

Sediment Retention by Alternative Filtration Media Configurations in Stormwater Treatment

Urban stormwater can be treated by infiltration at the source using systems like permeable paving. A critical component of such a system is the filtration media. Laboratory experiments were conducted using columns and boxes to evaluate the sediment retention efficiencies of different filtration media—crushed Greywacke, Greywacke mixed with 10% sand, and layered Greywacke and sand-Greywacke mix. Sediments of 0.001–6 mm were applied at concentrations of 460–4,200 mg/l along with water at flow rates of 100–900 ml/min. All columns showed between 96 and 91% sediment retention efficiency for single dry sediment applications, with lowered sediment retentions at higher flow rates. Decreasing the sediment loading, applying particles of <38 μm size, and suspending the particles in inflow as opposed to directly applying sediments to the column surface gave lower sediment retention efficiencies of 55 to 89%. Sediment retention primarily occurred in the top 20 mm of all columns and the 50th percentile value of retained sediments was 100–300 μm. The box tests showed little effect of flow and sediment loading on particle retention, with the tests showing an average retention of 93%. Similar to the column tests, the box tests showed lower sediment retention (84 to 88%) for <38 μm sediments and greater retention (approximately 95%) for larger sediments.     

胶体颗粒对不同粒径饱和多孔介质渗透性的影响

探讨胶体颗粒在多孔介质中迁移所发生的物理、化学及生物作用过程,在许多学科中具有重要的科学意义。采用室内石英砂柱实验,开展了定水头条件下不同浓度和粒径的胶体颗粒在饱和多孔介质中的运移行为研究。共使用了3种胶体粒径、3种浓度的胶体溶液和3种粒径范围的石英砂。实验表明:多孔介质的相对渗透系数K/K0(K为各时刻计算所得的渗透系数,K0为初始渗透系数)减小程度与颗粒浓度成正比;胶体颗粒越大,越易在表层沉积,而小颗粒易向下部迁移,但总体来看粒径效应没有浓度效应明显;当胶体颗粒在不同粒径的饱和多孔介质中迁移时,粒径大的多孔介质各段K/K0均有明显降低,而粒径小的只在表层变化明显。不同条件下总体相对渗透系数与时间之间呈二次方相关关系,但当多孔介质粒径较小时,相关性不显著。介质渗流流速及砂柱不同位置胶体颗粒浓度变化与介质渗透性变化相对应。用扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)进行定性表征,进一步说明胶体颗粒会堵塞多孔介质孔隙影响其渗透性。实验中发现当输入浓度C0小于0.5 g·L–1且dp/Dp>0.018(dp为胶体颗粒粒径,Dp为石英砂算数平均粒径)时,会出现多孔介质局部K/K0增大的现象。     

草地植被过滤带对高含沙坡面流泥沙的拦截效应研究

To evaluate the effect of vegetative filter strips on sediment trapping, the spatial distribution of deposited sediment, and the size distribution of deposited particles from hyperconcentrated flows, a simulated grass filter strip experiment was conducted with plastic grass using an adjustable slope steel flume. The simulated vegetation cover was 36%, and the inflow sediment concentrations applied were 147, 238, 320, and 429 kg m^-3. The sediment concentration in the outflow, and the sediment particle size were determined. The results showed that the grass filter strips trapped most of the sediment from inflow at low sediment concentration. The deposition efficiency decreased with increasing sediment concentration, being 55.2% and 15.7% in the 147 and 429 kg m^-3sediment treatments, respectively. Most of the deposited sediments were distributed in the upper flume. In addition, the grass filter strips mainly trapped the coarse sediment （particle size>10 μm）.     

Transport of Explosive Residue Surrogates in Saturated Porous Media

Department of Defense operational ranges may become contaminated by particles of explosives residues (ER) as a result of low-order detonations of munitions. The goal of this study was to determine the extent to which particles of ER could migrate through columns of sandy sediment, representing model aquifer materials. Transport experiments were conducted in saturated columns (2?×?20?cm) packed with different grain sizes of clean sand or glass beads. Fine particles (approximately 2 to 50?μm) of 2,6-dinitrotoluene (DNT) were used as a surrogate for ER. DNT particles were applied to the top 1?cm of sand or beads in the columns, and the columns were subsequently leached with artificial groundwater solutions. DNT migration occurred as both dissolved and particulate phases. Concentration differences between unfiltered and filtered samples indicate that particulate DNT accounted for up to 41% of the mass recovered in effluent samples. Proportionally, more particulate than dissolved DNT was recovered in effluent solutions from columns with larger grain sizes, while total concentrations of DNT in effluent were inversely related to grain size. Of the total DNT mass applied to the uppermost layer of the column, <3% was recovered in the effluent with the bulk remaining in the top 2?cm of the column. Our results suggest there is some potential for subsurface migration of ER particles and that most of the particles will be retained over relatively short transport distances.     

基于土壤颗分粒径的泥沙来源量化研究

[目的]揭示黄土高原风水复合侵蚀区风力作用对水蚀的影响,为具有不同泥沙粒径侵蚀物质来源识别提供一种有效的方法支撑,也为风水复合侵蚀区侵蚀泥沙来源辨识提供理论参考。[方法]以覆沙模拟风蚀产物,基于室内模拟试验,研究覆沙之后坡面侵蚀发育特征,同时为了有效区分不同时刻侵蚀物质的来源,尝试采用泥沙粒径作为指纹因子进行侵蚀泥沙来源贡献的辨识。[结果]不同泥沙粒径组的3个指纹因子(粒径范围分别为：26.303～34.674,104.713～138.038,138.038～181.970μm)通过检验被确定为最佳指纹因子。基于最佳指纹因子,通过多元混合模型计算得出,在对同一土槽进行的3个阶段模拟降雨试验中覆沙层和黄土层的平均泥沙贡献率分别为48.2%和51.8%,24.8%和75.2%,6.8%和93.2%,且MAF>0.8。覆沙层的泥沙贡献率为第一阶段试验>第二阶段试验>第三阶段试验,计算结果与DEM相吻合。[结论]泥沙源地和侵蚀泥沙中的不同泥沙粒径组可作为指纹因子进行泥沙来源辨别,复合指纹法具有较好的适用性。     

导流片对Y型网式过滤器性能的影响

针对网式过滤器内部导流片改变了原有的水沙运动规律,使其水沙运动更加复杂的现状,该文采用CFD-DEM耦合数值模拟和试验测试的方法,对比分析了有无导流片时,过滤器内的水流运行、流量分布及压降系数等水力特性的变化,研究了沙粒在网腔和滤网面上的运动及分布情况。结果表明:与无导流片时相比,导流片使得滤网面上流量变得均匀。清水试验时,有导流片的压降系数较无导流片的大17.92%,水头损失大。过滤浑水时,有导流片的过滤器压降系数小,流速下降比变化平缓,过流能力明显提高;沙粒主要分布在滤网面中心线上及两侧较大流量的位置,有、无导流片时堵头内的沙粒数占总数比分别为90.07%、50.98。导流片的安装减少了泥沙在滤网面上的堆积,提高了过滤器的抗堵塞性能。