嘉陵江中段含沙量与浑浊度换算关系试验研究

罗本福，张 彬，杨 曦2，杨开明，李志勤

(1. 西华大学能源与环境学院，四川 成都 610039; 2.成都大学图书馆，四川 成都 610106)

·能源与环境·

嘉陵江中段含沙量与浑浊度换算关系试验研究

罗本福1，张 彬1，杨 曦2，杨开明1，李志勤1

(1. 西华大学能源与环境学院，四川 成都 610039; 2.成都大学图书馆，四川 成都 610106)

鉴于嘉陵江水文监测通常检测含沙量而不是悬浮物浓度值，而城市自来水厂排泥水系统干泥量是用“悬浮物/浑浊度”换算关系K1值进行计算的，存在实际计算中只能用“含沙量/浑浊度”经验数据代替“悬浮物/浑浊度”但误差较大的问题，提出用“含沙量/浑浊度”代替“悬浮物/浑浊度”的适用条件，以及通过试验确定“含沙量/浑浊度”的换算关系，有助于解决城市自来水厂排泥水系统设计中的这一难题。通过对嘉陵江广元段取样水体含沙量进行测定，推算“含沙量/浑浊度”的换算关系。试验结果表明：嘉陵江中段水环境在Ⅲ类水体条件内，可用含沙量与浑浊度之比Cs/TU代替悬浮物与浑浊度之比SS/TU，且含沙量与浑浊度曲线趋势线高度吻合；嘉陵江中段含沙量与浑浊度呈幂函数关系， 当Cs≤100 mg/L时，TU= 0.977 3Cs0.856，100 mg/L1 000 mg/L时，TU= 0.542 8Cs0.952 6。

嘉陵江中段；城市自来水厂；悬浮物；含沙量；浑浊度；换算关系

我国目前约80%城市自来水厂未进行排泥水处理，废水直排既浪费水资源又恶化下游生态环境[1]。水厂排泥干泥量TS的计算是自来水厂排泥系统设计的基础，影响到排泥水处理系统组成、脱泥机组搭配、工作机制和工程投资。干泥量计算公式TS=(K1C0+K2D)·Q×10-6，式中C0为已知原水浊度，药剂投加量D值为已知，药剂成泥量系数K2可查手册，而 “悬浮物/浑浊度”换算关系K1需要通过多年的监测数据进行试验确定。合理确定“悬浮物/浑浊度”是排泥系统计算准确性的关键。由于理论上不同江河水体、不同河道区段、不同年代都有不同的K1值，且具有动态的规律性。工程活动中水文监测站通常有多年河道含沙量数据，但无悬浮物数据[2]。在缺乏多年悬浮物浓度数据的情况下，自来水厂设计通常用“含沙量/浑浊度”的经验值进行替代。因浑浊度在不同含沙量或悬浮物浓度下有不同的换算关系，采用经验值进行排泥量计算无疑误差很大，导致设计规模与后期实际运营工况不匹配，已经成为困扰自来水厂排泥系统建设的突出问题[3-4]。为此，笔者在设计广元市某水厂脱泥系统工程中，用“含沙量/浑浊度”代替“悬浮物/浑浊度”，试验确定了“含沙量/浑浊度”函数关系，得出了不同含沙量Cs下的“含沙量/浑浊度”换算关系K1，并据此合理计算出自来水厂干泥量。本文研究得出的K1值对嘉陵江中游沿线水厂污泥系统的设计有参考作用。

1 含沙量与浑浊度换算关系的试验

1.1 基础理论

水的浑浊度TU是指由于水中含有悬浮及胶体状态的微粒，使得原是无色透明的水产生浑浊现象，其浑浊的程度称浑浊度[5]。l L水中含有l mg的SiO2(或是l mg白陶土、硅藻土)所产生的浑浊度为1度，即1 NTU。浑浊度是一种光子效应，就是光线透过水层时受到阻碍的程度，表示水层对于光线散射和吸收的能力。它不仅与悬浮物的含量有关，而且还与水中杂质的成分、颗粒大小、形状及其表面的反射性能有关[6]。

水的悬浮物SS指悬浮在水中的固体物质，包括不溶于水的无机物、有机物及泥砂、黏土、微生物等。城市自来水厂水源一般取自有机污染不严重的Ⅰ～Ⅲ类水体，悬浮物SS的主要成分为泥沙和黏土等无机物，其含量大致与含沙量(Cs)相当[7]，因而在K1值的推算中可用含沙量Cs数据代替SS。含沙量是指单位体积水中所含泥沙的重量，常用称重法测读。

1.2 试验方法

取样：水样取自嘉陵江广元昭化镇段，隔日定时取样2次并测定其浊度，以逐月平均浊度值作为试险样本。

浊度TU：取充分混合后的特征水样盛于1 000 mL量杯中，用HACH 0-9999NTU/4-20mA浊度仪读取并记录标准水样浊度值。

含沙量Cs：采用全玻璃微孔滤膜过滤器，量取充分混合均匀的试样100 mL抽吸过滤，待水分全部通过滤膜，再以10 mL蒸馏水连续洗涤3次，继续吸滤以去除痕量水分，然后将载有悬浮物的滤膜放在恒重称量瓶里并移入烘箱中于103～105 ℃烘干1 h，移入干燥器中冷却称量。含沙量Cs(mg/L)按下式计算：

Cs=(A-B)×106/V。

式中：A为悬浮物+滤膜+称量瓶质量，g；B为滤膜+称量瓶质量，g；V为试样体积，mL。

1.3 试验数据

嘉陵江广元段水体含沙量近2年的逐月试验称重数据见表1。实验显示嘉陵江广元段水体含沙量Cs在汛期7—10月变化远大于其他月份，2012年8月最高含沙量达到4 900 mg/L，这与汛期陕西汉中暴雨径流冲刷带来较多泥沙有关；同样因河道径流明显下降，2012年4月最低含沙量仅12 mg/L。

浊度测试数据见表2，浑浊度峰值达到1 690 NTU，低值仅8 NTU。

表1 嘉陵江广元段各月平均含沙量数据 mg/L

表2 嘉陵江广元段各月平均浑浊度数据 NTU

2 结果与分析

2.1 含沙量与浑浊度趋势性分析

含沙量与浊度变化按时间轴可反映出两者趋势性比较吻合，见图1。在含沙量较低的11月至来年6月嘉陵江浑浊度数值偏低(低于或接近30 NTU的月份占25%，在90 NTU以内的时间占70%)，大部分时段属于中低浊度水质；在7月至10月含沙量猛增，浑浊度则达到或超过1 000 NTU水平(约20%时段)，表明嘉陵江水体在汛期明显已呈现高浊度水的特征。

图1 含沙量与浑浊度相关性曲线图

趋势线吻合的意义：由于浊度仪工作原理是测量悬浮颗粒对光线产生折射或阻碍的强弱，含沙量Cs为称重计量，当水体TOC、色度不高时NTU与Cs趋势线一般是较为吻合的，若TOC或色度较高成为干扰因素时，将导致NTU值明显增大，导致NTU与Cs趋势线将不再吻合。研究趋势线吻合度可验证有机污染程度，本试验取样自嘉陵江广元段水质断面(Ⅲ类水体)的同期色度≤17度、高锰酸钾指数≤3.2 mg/L、BOD5≤1.5 mg/L可以验证。

2.2 含沙量与浑浊度拟合函数

将含沙量与浊度数据拟合发现幂函数拟合度R2明显高于线性函数等其他函数的拟合度[8]，且不同含沙量区段有不同的函数关系。

1) 含沙量Cs≤100 mg/L的函数关系。依据试验数据，Cs与TU曲线关系如图2所示，含沙量折算为浊度的函数关系为

TU= 0.977 3Cs0.856(相关度R2=0.996)。

图2 Cs≤100 mg/L时Cs与TU拟合函数图

2) 含沙量100 mg/L

TU= 0.743 5Cs0.909(相关度R2=0.997)。

图3 100

3)含沙量1 000 mg/L

TU= 0.542 8Cs0.9526(相关度R2=0.995)。

图4 Cs>1 000 mg/L时Cs与TU拟合函数图

经嘉陵江中游广元西湾水厂和南充自来水厂排泥系统验证，经以上函数关系推算K1=Cs/TU，并最终计算出的干泥量符合工程实际情况。

3 结论

1)试验证实水体有机污染控制在Ⅲ类水体以内，嘉陵江中段含沙量Cs与浊度TU曲线高度吻合，且Cs与TU呈幂函数关系。

2)嘉陵江中段含沙量Cs与浑浊度TU的换算关系K1值：含沙量Cs≤100 mg/L时按TU= 0.977 3Cs0.856计算；含沙量100 mg/L1 000 mg/L时按TU= 0.542 8Cs0.9526。

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(编校：夏书林)

ExperimentalStudyonConversionbetweentheSedimentandTurbidityinMiddleReachesoftheJialingRiver

LUO Ben-fu1，ZHANG Bin1，YANG Xi2，YANG Kai-ming1，LI Zhi-qing1

(1.SchoolofEnergyandEnvironmentofXihuaUniversity,Chengdu610039China；2.LibraryofChengduuniversity,Chengdu610106China)

Jialing river hydrologic station usually detection sediment concentration rather than the suspension density. However, dry mud quantity calculation of sludge for exhausting sludge system of water plants adopts the conversion of “suspended solids/turbidity”. This inconformity brings inconvenient and error to test the water quality. The applicability of “sediment / turbidity” instead of “suspended solids/turbidity” is investigated. In order to overcome the problems, as for the water in Guangyuan section of Jialing River, the conversion of “sediment / turbidity” is determined with experiments. The results of the experiments show that: the water quality belongs to class Ⅲ, the ratio of sediment concentration and turbidity (Cs/TU) can represent the ratio of suspended solids and turbidity (SS/TU), and the sediment concentration trend line highly matches with the turbidity curve trend line. There are power function relations between the water sediment concentration and turbidity, such as TU= 0.977 3Cs0.856ifCs≤100 mg/L, TU=0.743 5Cs0.909if 100 mg/L1 000 mg/L.

middle reaches of Jialing river; urban water plants; suspended concentration; sediment concentration; turbidity; rating relations.

2014-08-22

教育部重点实验室“新型流体动力机械及其系统”研究团队资助。

罗本福(1979—)，男，副教授，主要从事水处理工程设计及理论技术研究。

X52

：A

：1673-159X(2015)01-0090-03

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.01.016