張家口市康保縣排水管道合理埋深研究★

王玉坤 張玉瑾 卜躍剛 田亞男

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

對于污水處理廠來說，特別是冬季嚴寒地區，污水溫度是一個非常重要的參數，對于污水處理效果影響十分顯著[1,2]。在一定范圍內，污水處理效率隨著水溫提高而增大。我國季節性凍土分布十分廣泛，占國土面積50%以上[3]。管道埋設深度對于地下管道與周圍土壤換熱影響十分顯著，現有地下排水管道埋管深度一般設置在冰凍線以下。由于北方地區冬季氣候嚴寒，地下排水管道內流體溫度較低，微生物活性較差，影響污水處理效果。若出現極端嚴寒天氣，管道內流體溫度過低，可能會發生管道凍脹、凍裂、管道內流體泄漏污染周圍土壤等事故，給污水運輸帶來安全隱患。

本文以張家口市康保縣為例，通過分析氣溫和地溫季節性變化規律，構建管道與土壤間的傳熱模型，分析在不同管道埋深下管道周圍土壤溫度場的變化以及熱量散失情況，并結合實際情況提出合理埋深深度，對于寒冷地區管道鋪設具有指導意義。

1 直埋管道換熱模型的建立

1.1 氣溫和地溫周期性變化規律

張家口市康保縣地處河北省西北部，屬東亞大陸性季風氣候中溫帶亞干旱區，夏季短暫涼爽，冬季漫長嚴寒，雨熱同期。康保縣歷史氣象資料顯示，1960年—2018年平均氣溫為1.89 ℃，且日平均氣溫、日最高氣溫、最低氣溫均呈顯著上升趨勢(P<0.01)。每年最低氣溫低于-20 ℃的天數平均為62.7 d。

大氣溫度以年為周期呈周期性變化，任意深度Z處的土壤溫度受大氣溫度影響，也呈周期性變化[4]。即：

(1)

由于熱力關系不同，四季土壤溫度的垂直分布規律不同，其中，春夏兩季地溫隨著土壤深度的增加而降低，秋冬兩季地溫隨著土壤深度的增加而升高。這是因為春、夏季土壤作為熱匯，熱量從土壤的表層傳遞到深層，故地溫隨著土壤深度的增加而降低；秋、冬季土壤作為熱源，熱量從土壤的深層傳遞到表層，因此，地溫表現為隨著土壤深度的增加而升高[5]。

1.2 埋地管道二維物理模型

因同一深度處，土壤水平方向上的溫度變化較小，計算時可以忽略不計，溫度的變化只發生在沿深度方向上，由此可將大地視為半無限大物體。大氣溫度日變化對較淺深度以內的土壤溫度有較大的影響，更深處土壤只受到旬、月氣溫波動的影響。深度土壤溫度變化相對淺層土壤溫度存在滯后，且隨著土壤深度的增加，溫度的變化幅度降低，當深度增加到一定程度H時，溫度變化幅度接近0，計算過程中可視為恒溫，即不受大氣溫度變化影響，土壤溫度常年處于恒定狀態。當與管道水平距離超過一定值S時，可認為管道內水的溫度變化對于該處土壤溫度沒有影響[6]。圖1為埋地管道換熱區域示意圖。

冬季排水管道內污水流動過程中，不斷向周圍進行熱量傳遞，因而是一個散熱過程。土壤溫度場不僅受環境大氣溫度的影響，更受到管道的影響。管道埋設深度是影響溫度場的重要因素。覆土厚度是指管道外壁頂部到地面的距離，埋設深度是指管道內壁底部到地面的距離。

2 計算結果分析

2.1 參數設定

以季節性凍土分布較廣的河北省康保縣為例，計算合理的排水管道埋深。模擬參數如下：管道為硬聚氯乙烯(UPVC)塑料管，公稱直徑為500 mm，土壤表面對大氣的放熱系數αk=16.8 W/(m2·℃)，污水流速為0.7 m/s，污水初始溫度為15 ℃。

排水管道為重力流管道，依靠管道的傾斜坡度重力自流。生活污水和工業污水的溫度比較高，一般情況下污水在管道內不會凍結，且管道周邊土壤也不會凍結。污水中含有一定量懸浮物，水分占99%以上，故可認為污水的流動遵循一般流體流動的規律。排水管道直線管段上，當流量變化較小且又無沉淀物時，可認為污水的流動接近均勻流。

2.2 管道散熱計算

污水沿管道不斷流動過程中，由于水溫相對周圍土壤溫度較高，熱量逐漸散失，導致了管內的水溫降低。為使管道能夠安全穩定運行，不出現結冰現象，則管段末端水溫要高于0 ℃[7]。圖2為某一段長為L的管道，L取500 m，污水流速為0.70 m/s，水力坡降i=2.00‰，左端為起始點，污水溫度為tR；右端為終點，污水溫度為tL。

計算管道沿線溫度分布通常采用蘇霍夫公式，如式(2)所示：

(2)

其中，g為重力加速度，m/s2；i為水流的水力坡降，m/m；G為污水的質量流量，kg/s；K為總傳熱系數，W/(m2·℃)；D為管道外徑，m；C為污水的比熱容，J/(kg·℃)。

污水在該管道運輸過程中對外散熱較少，溫度變化不明顯。實際過程中由于污水流經多段管道，運輸過程較長，存在污水沿管道溫度降低的情況。

2.3 溫度場計算

由于管道周圍溫度場受多因素影響，計算較為復雜，污水流經管道時間與土壤溫度變化周期(1年)相比太短，將換熱過程視為二維穩態換熱過程。為便于模擬和分析求解作出以下假設：

1)忽略土壤由于水分遷移引起的熱遷移，土壤、污水和管材的物理性質參數為常數；

2)大氣溫度和土壤初始溫度為常數；

3)分析截面取管段的中點位置。

本文采用的是GAMBIT軟件進行幾何結構建模并劃分網格，并用Fluent 6.3對溫度場進行計算。2月張家口康保縣土壤溫度降到最低值，故以此為例進行計算。分別模擬分析該地區排水管道中點的埋設深度為223 cm，263 cm，273 cm，283 cm和293 cm時土壤溫度場，并得到等溫線分布圖，如圖3a)～圖3e)所示。

由于管道內污水溫度高于周圍土壤溫度，故距離管道越近，土壤溫度越高。因此相同深度下，距離管道較近的土壤溫度高于自然土壤溫度。距離管道越近處的土壤等溫線分布越密集，等溫線呈現圓形或者橢圓形，且管道上部等溫線比下部更加密集，表明管道周圍土壤溫度變化的梯度較大，且管道的熱量主要向管道上部散失。

隨著管道埋設深度加大，管道附近土壤溫度受地表溫度影響的程度逐漸減小。7 ℃等溫線隨著管道埋設深度增加而上升，說明深度土壤溫度逐漸上升。當管道埋設深度在273 cm以下時，土壤溫度場變化趨于平穩，不再有大的變化。

從圖中土壤溫度分布圖可知，管道可正常運行，但是由于223 cm深度較淺，高于自然冰凍線，在極寒溫度下可能存在安全隱患。

2.4 計算值和實際值比較

某段管道管長為450 m，管徑0.50 m，水力坡度2.10‰，充滿度0.48，流速為0.72 m/s，取點處管道埋設埋深為225 cm，參數與模擬條件(a)相近。對不同位置溫度進行測量，并與計算值進行比較。以管道上方地表為坐標原點(0，0)，垂直地面方向為縱坐標，與地面水平且與管道軸線方向垂直的方向為橫坐標。結果如表1所示。

表1 測量溫度值和計算溫度值統計表 ℃

可見計算結果和實測值結果基本一致，表明所建模型可靠，可以滿足工程需要。

3 管道埋深確定

排水管網系統的規劃受城市布局，地形以及電纜、燃氣管道，雨水管道和給水管道的布置等因素影響[8]。管道污水在重力作用下從高處流向低處。管網由多段管道組成，上游管道的管徑、坡度等因素將直接影響下游管道的設計。

管道埋深和管徑是影響施工費用的主要因素，管徑和埋設深度越大，費用越高。UPVC管道具有重量輕，耐腐蝕，機械強度大，施工方便等優勢，在該深度范圍內，可滿足載荷的要求。據統計，DN500的UPVC管道的管道埋設深度每增加1 m，施工費用增加約93.15元/m。

污水處理在很大程度上依賴于微生物的活動，在一定范圍內，溫度越高，微生物活性越強，越有利于污水的處理。由文獻[2]可知，污水廠進水溫度對CASS工藝污水處理效果提升明顯，水溫每提升1 ℃，TP去除率提升0.50%，TN去除率提升2.75%。

根據GB 50015—2019建筑給水排水設計規范對排水管道敷設深度的規定，并結合上述以及實際污水沿管道散熱等問題，可將該埋設深度增加0.5 m，整個排水管網可以此方案進行改善。

4 結語

對張家口康保縣各深度土壤溫度分布進行了分析，構建了全年各深度土壤溫度預測模型，并依此構建了直埋管道二維物理模型和傳熱模型。采用蘇霍夫公式對污水沿管線散熱進行分析，并利用FLUENT對不同埋設深度下，對排水管道與周圍土壤溫度場進行計算，計算結果和實測值基本一致。結合相關規范規定，工程造價，載荷以及溫度對微生物活性的影響等因素，提出了合理的排水管道埋設深度。

本研究方法可為寒冷地區地下管道的鋪設提供參考依據。