劉俊新 李圭白

　　對于單純用水反沖洗濾池，設計手冊中有濾池各部分水頭損失的計算公式^[1]。對于氣水反沖洗濾池，濾料層處于氣、液、固三相流狀態，配水配氣系統內為氣、液兩相流體，單純以水沖洗時的計算公式已不適用，而從理論上又很難確定出三相或兩相流體的水頭損失，因此需要通過試驗來測定。根據水力學原理，單純用水反沖洗時，濾池各部分的水頭損失可用測壓管水頭差來確定；在氣水反沖洗情況下，由于氣體通入破壞了原流體密度的均勻性，測壓管水頭差不再等同干水頭損失，它反映的是壓力的變化。對于設計，需要知道的正是壓力的差值。因此，以長柄濾頭做為配水配氣系統的氣水反沖洗濾池，由于可不設承托層，其反沖洗氣和水的壓力可表示

　　　　　　　　　　　　H=h₁+h₂+h₃+h₄　　　　　　　(1)

　　式中：H——濾池所需反沖洗氣和水的壓力，m
　　　　　h₁——排水槽頂與反沖洗進水進氣管之間的靜水位差，m
　　　　　h₂——配水配氣系統壓差，m
　　　　　h₃——濾層的壓差，m
　　　　　h₄——富余水頭，m
　　在式(1)中，h₁和h₄是常數，h₂的計算筆者已專門論述^[2]，本文將主要討論h₃的計算方法。

1．試驗裝置

　　以長柄濾頭配水配氣的試驗裝置如圖1所示。濾頭上面填裝0.55m、粒徑為0.5～1.2mm
　　的石英砂濾料，濾料層上面是0.6m的水層。在濾柱的側面安裝有測壓管，以測濾頭、濾料層和水層的水位差。

2．單獨用氣反沖洗時濾池所需反沖洗氣壓力

　　用氣反沖洗前，濾柱和各測壓管內的水位是靜止、相等的。當向濾柱內通入空氣反沖洗時，下面的測壓管水位隨空氣量的增大逐漸低于上面的測壓管水位，即測壓管水頭差為負值。
　　從設計角度考慮，1^# 測壓管水頭表示配氣室內水的壓力，其值在氣反沖前最大、開始后減小，所以開始向配氣室送氣時需要克服的壓力最大，為最不利情況。因此，對于單獨用氣反沖洗濾池，送入濾池底部氣室的空氣壓力可按下式計算：

　　　　　　　　　H=h₁+h₄ 　　　(2)
　　式中符號同前。

　

3．氣水同時反沖洗時濾池所需反沖洗氣和水的壓力

　　在氣水同時反沖洗時，濾池各部分的水頭損失計算比較復雜，特別是濾層處于氣液固三相流狀態，很難從理論上確定其水頭損失。從設計考慮，試驗中主要考察了圖l所示各測壓管水頭差的變化。在每組試驗中，保持水反沖洗強度不變，使氣反沖洗強度由小變大，通過各測壓管可反映出長柄濾頭、濾料層和以上水層的測壓管水頭差的變化。
　　圖2是氣水同時反沖洗時，濾層以及水層的測壓管水頭差的變化情況。由圖可見，其變化具有一定的規律性，試驗中調節水反沖洗強度分別為2、3、6、9 L/s·m²，在氣反沖洗強度>3 L/s·m²后，不同水反沖洗強度所產生的測壓管水頭差基本相同，并隨氣反沖洗強度的增加而略有降低。
　　為了考察氣水同時反沖洗與單獨用水反沖洗時濾層測壓管水頭差之間的關系，以便確定氣水同時反沖洗時濾層壓差的簡便計算方法，試驗中對單獨用水反沖洗時濾層的測壓管水頭差進行了測定，結果如圖3所示。由圖可見，當水反沖洗強度達到4.5～5 L/s·m²時，濾層開始流化，此后濾層的水頭損失基本不變。
　　對照圖2、3中的試驗結果可看出，氣水同時反沖洗時濾層的測壓管水頭差略小于單獨用水反沖洗時濾層流化后的水頭損失。因此，氣水同時反沖洗時濾層的壓差h₃可按單獨用水反沖洗時濾層的水頭損失計算。

4．結論

　　（1）對于單獨用氣反沖洗濾池，送入濾池底部氣室的空氣壓力為排水槽頂與反沖洗進水進氣管之間的靜水位差與富余水頭之和。　　（2）本試驗條件下，氣水同時反沖洗時，送入濾池底部配水配氣室的氣和水的壓力可按下式計算：

　　　　　　　　　　　　H=h₁+h₂+h₃+h₄

　　其中，濾層的壓差h₃可按單獨用水反沖洗時濾層的水頭損失計算。

參考文獻

　　1.上海市政院主編，《給水排水設計手冊》（第3冊）城市給水，中國建筑工業出版社，北京，1986。
　　 2.李圭白、劉俊新, 1989, 長柄濾頭的流體力學特性研究, 中國給水排水, 5(5): 4–8。