Hydraulisk effekt av baffles i sedimenteringsdammar

Grunda sedimenteringsdammar för t ex dagvatten kan ha flacka slänter som ofta försummas i hydrauliska bedömningar. Halvskaleförsök med fem olika konfigurationer av baffles och bedömning av uppehållstid visar att oönskade effekter kan uppkomma vid få insatta baffles.

Av: Jörgen Hanaeus

En fysisk pilotmodell av en existerande sedimenteringsdamm har konstruerats. Spårämnesförsök har utförts med Rhodamine  W T och dammen har mellan försöken försetts med olika antal baffles.

Där en baffle sattes in blev resultatet överraskande att kortslutningen ökade. Orsaken bedömdes vara att dammens svagt sluttande väggar inte tagits med i analysen. Med två eller flera baffles insatta förbättrades den hydrauliska effektiviteten. Fler än fyra baffles gav dock endast marginella förbättringar och ansågs inte motiverat. Resultaten gäller små och grunda dammar och stora dammar kan ge andra effekter. 

Sedimenteringsdammar gynnas av långa uppehållstider – eller kanske hellre: avsaknad av korta uppehållstider, kortslutningseffekter. Sedimentering gynnas av laminär strömning och förbättras med tid. 

Flödesbilden i mindre dammar påverkas av flera faktorer: längd/breddförhållande, in- och utloppsarrangemang, insatta väggar (baffles) bottenkonfiguration, temperatur och vindförhållanden. Om kortslutning uppstår kan en del av de partiklar som kommit in, lämna dammen efter mycket kortare tid än vad som anges av den nominella uppehållstiden, V/Q, där V är volymen [m3] och Q är flödet [m³/h]. Konsekvensen blir ofullkomlig sedimentering, vilket kan ge ett oönskat utsläpp av t ex patogena bakterier.

Den allmänna bilden i litteratur på området är att insatta baffles ger en gynnsammare flödesbild för sedimentering. Mestadels är det sant, men utgångspunkten är då att dammväggarna ansatts som vertikala. Väggeffekter kan försummas för stora dammar, men kan, som ska visas här, ha betydelse för mindre dammar med flacka väggar.

Försök

Försöken utfördes i laboratoriet, University of Auckland, i Nya Zeeland och pilotdammen byggdes som en modell av en fullskaledamm, belägen vid en motorväg i Auckland. Fullskaledammen har måtten längd*bredd*djup: 41*15*2,3 m³ och inlopp/utlopp har diametrarna 450/1050 mm.

Pilotdammen gavs en tiofaldig nedskalning och fick alltså måtten (vid ytan) 4,1*1,5*0,23 m³. Inlopp/utlopp 45/105 mm; inloppet beläget mitt på kortsidan och med hjässan strax under vattenytan. Utloppet återfanns mitt på kortsidan och förlängt med 1m ledning. Sidoväggarna lutade 2:1 (horisontell:vertikal) vilket också simulerade fullskaledammen. Pilotdammen tillverkades i transparent akrylplast i en stålram. Vattenflödet kontrollerades med en ventil före inloppsröret och bedömdes kunna anges med ± 1 % noggrannhet. Vid varje försök inväntades stationärt tillstånd.

Baffles placerades på tvären i pilotdammen så att de täckte 70 % av bredden och tätades noga mot botten. Ett referensförsök kördes utan baffle, varefter försök med baffles drevs enligt följande:

1)    En baffle på halva längden

2)    Två baffles i tredjedelspunkterna (avstånd L/3)

3)    Tre baffles i fjärdedelspunkterna (L/4)

4)    Fyra baffles i femtedelspunkterna (L/5) och

5)    Fem baffles i sjättedelspunkterna (L/6).

Varje försök utfördes tre gånger. Spårämnestillsatsen (vid inloppet) var 10 mL av lösningen 1g Rhodamine W T/L

Kortslutning definierades med hjälp av S, där S är t₁₆/t_n , och där t₁₆ innebär tiden tills 16 % av tillsatt spårämne passerat utloppet.  t_n är nominell uppehållstid, V/Q. t₁₆ > 0,4 indikerade en god flödesbild med ringa kortslutning, medan S<0,3 indikerade påtaglig kortslutning.

Medeluppehållstiden definierades som genomsnittlig uppehållstid för en spårämnespartikel i dammen; alltså Σ t*C dt / Σ C dt. 0<t<∞.

Resultat

Resultaten ges för flera parametrar, t ex t₁₆. Den nominella utloppstiden t_n var 12 minuter.

För t₁₆: Utan baffle 3,9 min. Med en baffle 2,0 min. Med två baffles 4,1 min. Med tre baffles 4,8 min och med fem baffles 5,8 min.

Här framgår alltså att konfigurationen med en baffle faller sämre ut än det baffle-fria alternativet.

Slutsatser

Det kan vara klokt att modellera en planerad fullskaledamm där förutsättningarna är som ovan (grunda dammar, lutande sidor, korta uppehållstider). Den förklaring till en-baffle-försämringen som diskuteras är att inkommande vatten studsar mot en lutande sida och att det försämrar spridningen över sektionen.

Källa:  Khan, S.¹⁾, Melville, B.W.¹⁾, Khan, M.M.²⁾, Shoaib,M. ²⁾ & Shamseldin, A.¹⁾ (2017): Effect of baffles on the hydraulic performance of sediment retention ponds. Water Science & Technology, 75.9, pp 1991-1996.

Hela artikeln finns att köpa här.

Författarna från: 

1)    Department of Civil and Environmental Engineering, University of Auckland, New Zeeland.

2)    Department of Civil and Environmental Engineering, Bahauddin Zakariya University. Multan, Pakistan.

Kontakt:  skha121@aucklanduni.ac.nz