地埋式设备水温与气温及埋深的关系研究

穆丹丹 崔思远 刘小昂

（1.中车山东机车车辆有限公司，山东济南 250022；2.江苏中车华腾环保科技有限公司，江苏苏州 215500；3.山东产业技术研究院，山东济南 250102）

1 引言

农村生活污水治理是落实乡村振兴战略的重要内容［1］。近年来，我国很多地区都在积极地进行农村生活污水治理的探索工作［2］，农村生活污水一体化处理设备（以下简称“农污处理设备”）的研制和性能提升成为研究热点。农污处理设备的安装形式大体分为地埋式、地上式和半地埋式3 种，其中，地埋式农污处理设备在百吨级及以下处理规模中应用较广泛。

水温与农污处理设备的关系密切，与微生物活性直接相关。硝化细菌生长的最适温度为20～30 ℃，15 ℃以下时，硝化速度下降，5 ℃时完全停止。反硝化细菌生长的最适温度是20～40 ℃，低于15 ℃时，反硝化细菌的增殖速率和代谢速率降低，反硝化速率下降［3］。由此可见，水温与农污处理设备运行效果直接相关，是影响农污处理设备性能发挥的重要因素，探究水温的变化规律及影响因素十分必要。

孙大明等［4］对重庆实际项目水源侧气象参数进行监测，通过分析长江江水温度与空气温度的变化关系，得到Boltzmann 拟合曲线，并得出73.4%的测试水温与拟合水温的误差在［-1，1］℃之间，具有较高精度。高珊珊等［5］对奥奈达湖夏季气温和不同深度的水温资料进行分析，得到在相同气候背景下，夏季不同深度水温与气温的温差均呈升高趋势，且随着水深增加，水气温差的增加幅度变小。目前我国公开发表的水温监测数据及影响因素研究主要集中在有关江、河、湖、海等地表水上，对农村生活污水处理设备的水温变化规律及影响因素的研究尚不多见。

2 材料与方法

2.1 样本概况

本研究在江苏苏南地区某乡镇安装2 台地埋式农污处理设备，设备主体结构均为玻璃钢材质，且厚度相同。2 台设备的埋设深度不同，高差相差0.4 m，具体情况如下：第1 台设备的罐体直径为2 m，设备表面覆土为0.3 m，设备埋深为2.3 m，以下称“1 号设备”；第2 台设备的罐体直径为2.6 m，设备表面覆土为0.1 m，设备埋深2.7 m，以下称“2 号设备”。

2.2 数据来源与分析

本研究水温数据来源现场监测，水温的测定使用哈希便携式水温测定仪。气温数据来源中国气象局。本研究对2 台地埋式农污处理设备的水温和气温进行了长达1 a 的跟踪监测，监测周期为2022 年1—12 月。本文采用回归分析方法系统地分析了监测期内设备水温与气温的变化特点，同时分析了设备水温与设备埋深的变化关系，以期为地埋式农污处理设备的运行效果分析和性能提升研究提供参考。

3 结果与分析

3.1 设备水温与气温随时间的变化分析

设备水温变化受气温的影响很大［6］，2022 年1 号设备全年水温随时间的变化趋势与气温随时间的变化趋势基本相同，但水温变化比气温变化延后一段时间。

从总体来看，设备水温变化分为水温上升期和水温下降期。设备水温上升期为3—8 月，持续时间6 个月。从3 月月初设备水温逐渐升高，到8 月月底达到峰值，最高值为28.8 ℃。气温呈现先升高后降低的趋势，7 月达到峰值，最高值为37 ℃。在此期间水温较气温具有较低温度，水温较气温低1.2～8.6 ℃，7月水温和气温的温差达到最大值，为8.6 ℃。

将12 个月的数据作为一个闭环分析，即将12月与1 月的数据串联。设备水温下降期为1—2 月、9—12 月，持续时间6 个月。从9 月月初设备水温逐渐下降，到2 月月底达到谷值，最低值为12.1 ℃。气温总体呈现先降低后缓慢上升的趋势，12 月达到谷值，最低值为3 ℃。在此期间水温较气温具有较高温度，水温较气温高0.2～12.8 ℃，12 月水温和气温的温差达到最大值，为12.8℃。

这种水温上升期时水温低于气温、水温下降期时水温高于气温的现象的成因在于水的比热容比空气的比热容大［4］，吸收和释放相同的热量时，水温变化幅度小于气温变化幅度，且水温变化比气温变化具有一定的滞后性。同理分析在相同气候背景下，地上式设备和地埋式设备的水温变化情况。由于土壤的比热容大于空气的比热容，与土壤直接接触的地埋式设备的水温变化幅度要小于与空气直接接触的地上式设备的水温变化幅度。为防止冬季水温过低或昼夜水温变化幅度过大影响设备运行效果，地上式设备冬季通常需要采取保温措施，这也是百吨级及以下处理设备多采用地埋的安装方式的优势所在。

3.2 设备水温随气温的变化分析

根据1 号设备2022 年全年设备水温和气温监测数据，暂不考虑时间因素的影响，分析每个空气温度及其所对应的设备水温。空气温度和设备水温之间并不是简单的线性关系，在同一空气温度下，存在多个设备水温，同时同一设备水温下也对应着多个空气温度。从总体变化趋势来说，空气温度越高，设备水温也越高。说明影响设备水温的因素可能很多，但主要受空气温度的影响，且设备水温与空气温度的关系较复杂。若对同一空气温度下的设备水温求取平均值，则空气温度与相应的设备水温的平均值的对应关系如图1 所示。

用数学模型拟合空气温度和相应设备水温平均值的变化关系，最终选用Sine 模型对上述变化关系进行拟合。

Sine 模型形式为：

拟合曲线结果如图1 所示。拟合曲线方程为：

式中，TW为设备水温平均值，℃；Ta为空气温度，℃。

此拟合模型决定系数R2＝0.970 76。分析拟合曲线的合理性，曲线分为3 段：（1）空气温度小于10 ℃时，设备水温随空气温度升高而降低。此阶段发生在1 月和2 月、12 月，空气温度发生骤降后又缓慢上升，设备水温因水的比热容大，并未出现突然骤降的现象，而是缓慢下降，2 月月底时设备水温出现了最低值，而此时的空气温度并不是最低值，空气温度在12 月时出现最低值。（2）空气温度在10～30 ℃时，设备水温随空气温度的升高而升高，线性关系较明显，这与设备水温主要受空气温度影响相吻合。（3）空气温度大于30 ℃时，设备水温随空气温度变化不明显。此阶段发生在7 月和8 月，空气温度达到一年中最高值，但设备水温能够维持在较稳定的水平。

3.3 设备水温与气温拟合曲线的有效性验证

为验证该拟合曲线的有效性，用2 号设备的水温和气温数据进行分析，将空气温度数据代入拟合曲线方程中，得到设备水温的预测值，将该预测值与设备水温的实测值进行比较，结果如图2 所示。

图2 设备水温预测值与实测值对比

由图2 可见，设备水温的预测值与实际值2 条折线基本可以吻合，但仍存在一定的误差。对拟合曲线的误差率进行统计，设备水温预测值相比于实测值的误差率见表1。误差率大多在小于20%的区间内，在此区间内的样本数量占比为75%，说明该拟合曲线可以较好地表示地埋式农污处理设备的水温与空气温度的相关性。

表1 设备水温预测值与实测值的误差率

3.4 设备水温与设备埋深的相关性分析

2 号设备埋深2.7 m，1 号设备埋深2.3 m，2 号设备埋深比1 号设备埋深深0.4 m。由2022 年全年监测期内2 台设备的水温随时间的变化数据可知，设备埋深对水温的影响比气温对水温的影响明显较小。在水温上升期（3—8 月），2 号设备水温较1 号设备水温略低，且水温差随时间呈变大的趋势。在水温下降期（1—2 月、9—12 月），刚开始2 号设备水温较1 号设备水温略低，但差距越来越小；10 月中旬—12月、1 月期间，2 台设备的水温慢慢重合；从2 月开始，2 号设备水温反超1 号设备水温。这说明设备埋深越深，设备水温变化幅度越小，设备水温越稳定，进而越有利于农污处理设备的性能发挥，这也是严寒地区地埋式农污处理设备通常采取深埋的措施来保持设备水温的原因。

4 结语

通过对江苏苏南地区2 台地埋式设备水温和空气温度全年数据监测，分析了设备水温与空气温度的变化关系，得出3—8 月是设备水温上升期，在此期间水温较空气温度低1.2～8.6 ℃；1—2 月、9—12月是设备水温下降期，在此期间水温较空气温度高0.2～12.8 ℃，水温较空气温度的变化有一定的滞后。通过数学模型拟合空气温度和设备水温平均值的变化关系，得到Sine 拟合曲线，R2达到0.970 76。另外，分析了设备水温与设备埋深的变化关系，得出设备埋深越深，设备水温变化幅度越小，设备水温越稳定，水温对气温敏感程度越弱。上述结论对指导地埋式农污处理设备的应用、安装和运行效果分析提供了一定的参考。