从河口环流和水龄到非静力近似下的二次供水水箱环流和水龄数值模拟研究

  随着国内房地产发展和空房率的增加,水箱中水体的使用率下降导致水龄增加,影响水箱内水质。水箱的水平尺度与垂向尺度相当,一般的静力平衡数值模式不能正确模拟水箱流场和水龄。

  河口海岸学国家重点实验室朱建荣教授团队在三维河口海岸海洋数值模式基础上,研发非静力平衡数值模型,加入水龄模块,模拟和比较分析不同工况下水箱内三维流场和水龄时空变化。研究结果表明,总用水量或水箱有效容积是影响水箱水龄的主要因素,其次则是水箱液位变化区间和进水温度。水温会改变水体密度,从而影响水箱环流和水龄。将进出水口位置安排在对角和采用较高的进水流速也可在一定程度上降低水箱水龄。水箱环流和水龄分布在进水阶段主要由进水口决定。水箱二次供水过程中进水过程带来的强烈扰动和对流扩散作用使得水箱内不存在明显的死水区。水箱水龄分布形态主要受水体平流作用,扩散起次要的作用。

图1 实验EX0和EX8中进水阶段表、中、底层(a, b, c)和断面Sec1、Sec2、Sec3(d, e, f)平均流场分布。EX0:为对照组实验,水箱长2 m,宽2 m,高 1.5 m。水箱进出水口位于同侧,进水口位于水面处,距侧边0.2 m;出水口位于距底0.05 m处,距侧边0.2 m。一天内总用水量16 m³(四倍有效容积)。进水流量设定为,进水温度为20 ℃。水箱液位仪设置在距离水箱底部1 m处,最高液位设为100%,最低液位设为90%,起始液位95%;EX8:其他条件不变,进出水口位于对角线
图2 实验EX0 (a-c)、EX11 (d-f)和EX12 (g-i) 中进水阶段表层 (a, d, g)、中层(b, e, h)、底层(c, f, i) 平均水龄分布。EX11:其他条件不变,进水温度为17 ℃;EX12:其他条件不变,进水温度为23 ℃

  朱建荣教授团队受国家水专项资助,开展了上述研究,成果发表于Water Resources Research。目前像上海这样的大城市,原水和水厂出水水质已得到了大幅提升,但饮用水水质问题主要是二次供水中管网和水箱带来的问题。该项研究成果将对我国二次供水中水箱的设计和运行、改善水质提供科学指导。

参考文献:
Rui Ma, Qi Yan, Jianrong Zhu*, 2022. Numerical Simulation of Water Tank Circulation and Water Age Under Different Working Conditions. Water Resources Research, 58, e2021WR031253. https://doi.org/10.1029/2021WR031253.