防藍藻濾網在湖泊水環境保護中的應用與探究

胡 靜

（上海勘測設計研究院 上海 200434）

防藍藻濾網在湖泊水環境保護中的應用與探究

胡 靜

（上海勘測設計研究院 上海 200434）

以東太湖防藍藻濾網為對象,通過水槽試驗,研究了不同實驗條件下濾網的透水特性，得出了濾網在不同 阻水比例下的透水性曲線。利用水力學及數值擬合等手段，定量計算濾網等效曼寧糙率，發現濾網曼寧糙率系數隨阻水比例的增大而呈非線性增大趨勢。

濾網；糙率；水槽試驗；東太湖

近年來，太湖藍藻大面積爆發給城市供水帶來了嚴重危機。為了防止藍藻危害吳江市水源地安全，根據江蘇省委、省政府要求，以太湖為水源的取水口一級保護區全部實施圍欄保護工程。擬在藍藻爆發期間，在保護樁之間通過懸掛工業濾網攔截高濃度藍藻水團。鑒于此，本研究通過水槽實驗裝置，測定了濾網的阻水特性，并且得出了不同水深、阻水比例下的糙率值，可為圍欄保護工程的實施提供科學決策依據。

1 水槽試驗分析方法

為定量測定濾網的透水性及糙率，本次試驗在華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室的可變坡式實驗水槽進行，該水槽是集波、流、沙為一體的全自動水流基礎理論研究實驗設備，可進行清水和渾水、恒定流和非恒定流的實驗。水槽全長30m，寬0.7m，高0.5m，試驗段長15m，測驗段長6m。試驗中單點流速測量采用S o n t e k AD V聲學多普勒流速儀和A L E CA E M-H R自容式電磁流速儀記錄。

本次水槽試驗共進行五種模擬方案組次試驗，分別為雙層濾網全斷面阻水方案、單層濾網全斷面阻水方案、單層濾網又考慮底部剪掉10c m、20c m和30c m三種方案。設濾網導致的局部水頭損失為ΔH，則將其等價于L長度的明渠上的沿程損失后，可基于謝才公式（式1）和曼寧公式（式2）推求相應等效曼寧糙率。

式中，V為斷面平均流速；C為謝才系數，謝才系數基于曼寧公式（式2）推求；R為水力半徑，為過水斷面面積W和濕周X的比值；J為水力坡降，為明渠水面單位距離落差，等于發生沿程水頭損失的上下游側水位差與其長度L的比值

式中，n為曼寧糙率系數。將式2代入式1可得濾網等效曼寧糙率計算公式3：

式中，Q為單寬流量；H為下游斷面水深；W為過水斷面面積，因本次試驗用水槽寬度為0.50m，故有W=0.5m×H；X為濕周，因本次試驗用水槽為矩形且寬度為0.50m，故有W=2H+0.5m。

2 試驗結果

試驗直接測量的為上下游水頭差及相應的單寬流量及流速值，僅能得到局部水頭損失，若要折算成等效糙率還需假定一個明渠長度L，L的長度可任意取值，考慮不同網格長度糙率之間的換算和結果的合理性，L暫取100m。

2.1 雙層濾網全斷面阻水方案

雙層濾網全斷面阻水方案下濾網阻水水頭差與單寬流量表現為顯著的乘冪關系（圖1）。雙層濾網全斷面阻水且平均水力半徑為0.165168m條件下，100m長度明渠等效曼寧糙率平均為0.51545。

圖1 雙層濾網全斷面阻水方案下水頭差與單寬流量的關系

2.2 單層濾網全斷面阻水方案

由圖2可見，單層濾網全斷面阻水方案下濾網阻水水頭差與單寬流量也表現為顯著的乘冪關系。將本方案下各組次試驗結果代入式3得單層濾網全斷面阻水且平均水力半徑為0.163526m條件下，100m長度明渠等效曼寧糙率平均為0.22530。

圖2 單層濾網全斷面阻水方案下水頭差與單寬流量的關系

2.3 濾網底部剪掉10cm方案

濾網底部剪掉10c m方案下濾網阻水水頭差與單寬流量仍然表現為顯著的乘冪關系（圖3）。阻水比例80.75%且平均水力半徑為0.170993m條件下，100m長度明渠等效曼寧糙率平均為0.04495。

圖3 單層濾網剪除底部10cm方案下水頭差與單寬流量的關系

2.4 濾網底部剪掉20cm方案

網底部剪掉20c m方案下濾網阻水水頭差與單寬流量仍然表現為顯著的乘冪關系（圖4）。平均阻水比例61.97%且平均水力半徑為0.171261m條件下，100m長度明渠等效曼寧糙率平均為0.02083。

圖4 單層濾網剪除底部20cm方案下水頭差與單寬流量的關系

2.5 濾網底部剪掉30cm方案

底部剪掉30c m方案下濾網阻水水頭差與單寬流量仍然表現為顯著的乘冪關系（5）。阻水比例44.17%且平均水力半徑為0.172540m條件下，100m長度明渠等效曼寧糙率平均為0.01338。

圖5 單層濾網剪除底部30cm方案下水頭差與單寬流量的關系

3 討論

3.1 濾網阻水能力與斷面阻水比例的關系

將本次水槽試驗所得不同阻水比例條件下的等效曼寧糙率系數點繪于直角坐標系下得兩者散點關系圖（圖6）。可見，曼寧糙率系數隨阻水比例的增大而呈非線性增大趨勢，相應多項式擬合方程為（相關系數為0.996）：

圖6 單層圍網阻水比例與等效曼寧糙率系數的關系

3.2 濾網阻水能力與水深條件的關系

為分析阻水比例相同但水深條件不同時濾網阻水能力的變化規律，這里簡單將濾網引起的局部水頭損失簡單概化為兩種，其一為水流流經濾網引起的局部水頭損失，類似于攔污柵水頭損失hl；其二為水流從濾網下部繞過引起的局部水頭損失hj，類似于截門水頭損失。相應水頭損失hl、hj可采用式4和式5形式表達：

式中，ζl、ζj分別為濾網局部水頭損失系數和繞流局部水頭損失系數；v為濾網下游斷面平均流速，等于水流單寬流量q與下游水深的比值H；g為重力加速度。濾網局部水頭損失系數ζl與濾網線材形狀β、線材厚度σ、網眼尺寸d及濾網傾斜角度α有關，參照攔污柵水頭損失計算公式，具體可表達為式6形式。

繞流局部水頭損失系數與截門阻水情況類似，主要與阻水百分比有關，如經典水力學推薦的截門過流引起的局部水頭損失系數與阻水百分比的關系如圖7所示。

圖7 截門阻水百分比與水頭損失系數的關系

由式5和式6可見，當采用相同規格、材質的濾網且濾網放置傾角相同時，對于過水單寬流量相同、阻水百分比相同但水深不同的情況下水流流過濾網網眼產生的局部水頭損失，其水頭損失系數相等，但相應局部水頭損失數值上正比于下游斷面平均流速的平方，即與水深的平方成反比，水深越深，則相應水流通過網眼產生的局部水頭損失越小。

由圖7和式5可見，當采用相同規格、材質的濾網且濾網放置傾角相同時，對于過水單寬流量相同、阻水百分比相同但水深不同的情況下水流繞過濾網下端產生的局部水頭損失，其水頭損失系數亦相等，但相應局部水頭損失數值上正比于下游斷面平均流速的平方，即與水深的平方成反比，水深越深，則相應水流繞過濾網下端產生的局部水頭損失越小。綜上所述，假定過水單寬流量相同，阻水百分比相同，濾網材質、規格以及擺放傾角相同的情況下，不同水深條件下濾網引起的水頭損失關系可由式7定量表達，即濾網造成的水頭損失與水深的平方成反比，水深越深，則相應水流繞過濾網下端產生的局部水頭損失越小。

將式7與式3聯立可得不同水深條件下等效曼寧糙率系數滿足如下關系：

即當過水單寬流量相同，濾網阻水百分比相同，且濾網材質、規格以及擺放傾角均相同的情況下，不同水深條件下濾網產生的等效曼寧糙率系數與相應水力半徑的2/3次方成正比。

4 結論

4.1 雙層濾網全斷面阻水且平均水力半徑為0.165168m條件下，100m長度明渠等效曼寧糙率平均為0.51545。

4.2 單層濾網全斷面阻水且平均水力半徑為0.163526m條件下，100m長度明渠等效曼寧糙率平均為0.22530。

4.3 濾網等效曼寧糙率系數隨阻水比例的增大而呈非線性增大趨勢。4.4當過水單寬流量相同，阻水百分比相同，濾網材質、規格以及擺放傾角相同的情況下，濾網造成的水頭損失與水深的平方成反比，水深越深，則相應水流繞過濾網下端產生的局部水頭損失越小。

4.5 當過水單寬流量相同，阻水百分比相同，濾網材質、規格以及擺放傾角相同的情況下，不同水深條件下濾網造成的等效曼寧糙率系數與水力半徑的三分之二次方成正比。

[1]李煒，徐孝平.水力學[M].武漢:武漢大學出版社，1999.

[2]陳椿庭，姜國干，李桂芬.水工模型試驗[M].北京:水利電力出版社,1985.

胡靜（1983-），男，工程師，從事工程規劃設計。