釘螺隨側(cè)堰分流擴散規(guī)律的研究

劉艾明，徐海濤

（1.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，武漢 430063；2.長江科學(xué)院河流研究所，武漢 430010）

釘螺隨側(cè)堰分流擴散規(guī)律的研究

劉艾明1，徐海濤2

（1.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，武漢 430063；2.長江科學(xué)院河流研究所，武漢 430010）

因行洪、引水使釘螺由垸外向垸內(nèi)擴散是血吸蟲病蔓延的一個重要原因，研究釘螺隨水流擴散規(guī)律對控制血吸蟲病的流行極為重要。首先采用模型試驗和數(shù)值模擬的方法研究了側(cè)堰分流的流場特性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了釘螺隨側(cè)堰分流擴散規(guī)律的實驗研究。結(jié)果表明釘螺隨水流擴散后并不是均勻分布在流場內(nèi)，而是集中分布在側(cè)堰附近上下游以及回流區(qū)域。這一結(jié)論為安全有效地滅螺提供了重要的理論依據(jù)。

釘螺；側(cè)堰；血吸蟲

血吸蟲病是一種自然疫源性疾病，受自然因素影響很大。釘螺是血吸蟲病流行的唯一中間宿主，因此控制釘螺擴散是血吸蟲病流行最重要也是最有效的途徑。

釘螺主要分布在長江流域的湖沼地區(qū)，這些地區(qū)溝渠縱橫交錯，隨著排灌系統(tǒng)逐漸完善，已形成江河連溝渠，溝渠連塘堰，塘堰連田塊，田塊連村莊的格局［1］。所以行洪、引水導(dǎo)致釘螺由垸外向垸內(nèi)擴散，并且這些區(qū)域往往人口密集，更加大了血吸蟲病蔓延的趨勢。而原有的常用滅螺方法如藥物滅螺受到經(jīng)濟和環(huán)境的影響，不可能大范圍地使用。因為滅螺藥物如氯硝柳胺、五氯酚鈉和溴乙酰胺具有毒性，如果大范圍噴灑則會造成生活區(qū)域水體污染，適得其反；另一方面會加大人力和財力負(fù)擔(dān)［2］。

因此要安全有效地控制釘螺擴散，防止血吸蟲病的蔓延，首要的任務(wù)就是要了解釘螺因行洪、引水由垸外向垸內(nèi)擴散的遷移分布規(guī)律，這樣才能安全有效地滅螺。本文首先采用模型試驗和數(shù)值模擬的方法對側(cè)堰分流的流場特性進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了釘螺隨側(cè)堰分流擴散規(guī)律的實驗研究。為安全有效地滅螺提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗?zāi)Ｐ?/h2>

為了模擬天然情形下因行洪、引水灌溉使釘螺由垸外向垸內(nèi)擴隨的規(guī)律，設(shè)計制作了一個側(cè)堰分流循環(huán)水槽系統(tǒng)，其布置如圖1、圖2所示。該水槽系統(tǒng)主要包括3個部分：水槽、水箱和水庫。水槽長16m，寬0.5 m，高0.5 m，水槽兩側(cè)壁為有機玻璃，在水槽一側(cè)壁中間設(shè)有一標(biāo)準(zhǔn)直角三角形堰形出水通道，堰最低點離水槽底部0.2 m。水槽底部用水泥抹平，底坡固定。來流一部分經(jīng)過水槽下泄至水庫；另一部分經(jīng)過側(cè)堰后流至一水箱，然后經(jīng)水箱出口下泄至水庫。在水槽上游設(shè)有矩形薄壁堰控制流量，水槽下游設(shè)有尾門來調(diào)節(jié)水深。水箱長0.94 m，寬0.82 m，水箱出口位于水箱側(cè)壁的中部，距離水箱底部為0.07 m，出口長0.12 m，寬0.1 m。水槽底部壁面比水箱底壁面高0.04 m，其尺寸如圖3所示。

圖1 實驗現(xiàn)場布置圖Fig.1 Experiment scene of side weir flow

圖2 側(cè)堰水流試驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of experiment on side weir flow

圖3 側(cè)堰水流試驗系統(tǒng)平面示意圖Fig.3 Planar diagram of experiment on side weir flow

流場流速測量采用SONTEK公司生產(chǎn)的聲學(xué)多普勒流速儀（Acoustic-doppler veocimeter），簡稱ADV，ADV架設(shè)在水槽上面，由一個可以沿著水槽縱向移動的小車固定，小車上裝有同進(jìn)電機，控制ADV的垂向和橫向移動。x，y，z分別代表水槽的縱向、橫向和垂向。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

側(cè)堰分流流場是具有復(fù)雜自由水面的三維湍流場，本文的湍流模型采用k-ε雙方程模型，自由面的跟蹤采用VOF方法。引入VOF模型的k-ε紊流模型和單相流的k-ε模型形式完全相同，只是密度ρ和分子粘性系數(shù)μ的具體表達(dá)式不同，連續(xù)方程、動量方程和k及ε方程可分別表示如下：

連續(xù)性方程

式中：ρw和ρa分別為水和氣的密度；μw和μa分別為水和氣的分子粘性系數(shù)；αw是水的體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)VOF的思想，它滿足如下的連續(xù)方程

這樣通過對水的體積分?jǐn)?shù)αw的求解，ρ和μ的值通過式（5）、式（6）可以求出。

控制方程采用有限體積法進(jìn)行離散，采用二階迎風(fēng)格式對離散方程中的物理量插值求解，壓力速度的耦合算法采用PISO算法。采用YOUNGS的方法求解VOF體積分?jǐn)?shù)方程［3，4］。

3 試驗及數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

本文分別研究了2種不同分流流量時的流場特性，相應(yīng)水槽上游來流流量和水深分別為Q1＝41.68 L／s，h1＝25.2 cm；Q2＝41.68 L／s，h2＝28.8 cm。

圖4、圖5給出的是水槽右岸5 cm縱斷面處的自由水面線的實測值與計算值的對比，從圖中可以看出，計算值與實測值吻合得很好。

圖4 工況一水槽右岸5 cm縱斷面自由水面線計算值與實測值對比Fig.4 Comparison of free water level lines obtained by measured and calculated data at longitudinal section（5 cm away from right bank of the flume）for case 1

圖5 工況二水槽右岸5 cm縱斷面自由水面線計算值與實測值對比Fig.5 Com parison of free water level lines obtained by measured and calculated data at longitudinal section（5 cm away from right bank of the flume）for case 2

圖6至圖9是水箱水深為1 cm和4 cm處水平面的二維流速矢量分布圖，由圖可見，水箱內(nèi)水流流動都有如下的規(guī)律：

圖6 工況一水箱水深1 cm二維流速分布計算值與實測值對比Fig.6 Experimental and computed velocities of the plane at h＝1 cm for case 1

圖7 工況一水箱水深4 cm二維流速分布計算值與實測值對比Fig.7 Experimental and computed velocities of the plane at h＝4 cm for case 1

圖8 工況二水箱水深1 cm二維流速分布計算值與實測值對比Fig.8 Experimental and computed velocities of the plane at h＝1 cm for case 2

圖9 工況二水箱水深4 cm二維流速分布計算值與實測值對比Fig.9 Experimental and computed velocities of the plane at h＝4 cm for case 2

（1）計算流速分布與實測情況基本一致，不論側(cè)堰分流流量的大小，水箱內(nèi)水流都有一明顯可見的漩渦，漩渦尺度和水箱尺度相當(dāng)，不同水深處的二維流速分布基本一致，只是渦心位置稍微發(fā)生偏移，即越接近水面，渦心位置越向下游偏移，但變化不大。水流從側(cè)堰流出以后向水箱跌落，動能很大，水流摻氣，所以在水跌附近區(qū)域無法由ADV測量其流動。當(dāng)側(cè)堰分流流量增加時，ADV測量的有效區(qū)域減小。所以對于Q2＝41.68 L／s，h2＝28.8 cm這種工況只能測量局部范圍內(nèi)的流場。

（2）渦心位置隨側(cè)堰流量而變化，分流流量越大，渦心位置越靠近上游。另外，下游的流速明顯高于其他區(qū)域的流速。

（3）渦心位置計算值與實測值有一定的偏差，這可能是由于試驗中水箱的底部受到水的沖擊作用，底部為一向下凹陷的曲面，而數(shù)值計算中按照平面來處理；其次三角形堰頂為朝向下游傾斜60°的銳角薄壁，而計算中三角形堰壁面厚度取5 mm，這也產(chǎn)生了偏差。

4 釘螺隨水流輸運擴散

在流場特性研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了釘螺隨流擴散的試驗研究。試驗用釘螺為陰性釘螺，試驗平均水溫在15～18℃左右。每次在側(cè)堰附近投放釘螺100只，觀察釘螺隨水流擴散以及在水箱底部的遷移特點，每次試驗歷時約4 h。釘螺隨流擴散的軌跡和最后的分布如圖10、圖11所示。

圖10 釘螺隨流擴散軌跡示意圖Fig.10 Diffusion traces of oncomelanias along w ith flow

由試驗現(xiàn)場觀測可知，2種工況下釘螺隨流擴散及在水箱底部分布特點相似：

（1）在側(cè)堰附近水流湍急，釘螺為了保護(hù)自己而閉厴，處于“失控”狀態(tài)，象泥沙顆粒一樣隨水流運動，最后沉降在水箱底部。試驗結(jié)束后，釘螺才開厴，向四周爬行。

圖11 工況一釘螺在水箱底部沉降的試驗結(jié)果Fig.11 Sinking positions of oncomelanias for case 1

（2）釘螺隨下泄水流在水箱底部迅速向側(cè)堰上下游和前方滾動。一小部分釘螺很快沉降在水箱后壁面附近的A處和B處；區(qū)域A范圍很小，釘螺密集，呈點狀分布；B區(qū)域釘螺分布比A區(qū)稍微松散；另外大部分釘螺受水流作用，在水底走走停停，有時稍稍浮起，不到一小時，最終滾落在C區(qū)域停留，此處釘螺分布比A區(qū)、B區(qū)散亂，呈片狀分布。

2種工況下，釘螺在水箱底部分布的地點稍有不同，詳見表1。

表1 釘螺沉降位置Table1 Sinking positions of oncomelanias m

（3）在進(jìn)行試驗時，沒有釘螺經(jīng)過水箱的出口擴散到水庫。

綜上所述，釘螺的擴散和分布與流速大小的分布基本上是對應(yīng)的。在水箱內(nèi)，靠近側(cè)堰下游的區(qū)域水流流速較大，而靠近前壁面的流速較小，所以釘螺隨水流迅速向前滾動，在靠近前壁面處則走走停停，有時釘螺還會稍稍上浮，最終在水流的作用下在回流中心區(qū)域停留。因為回流區(qū)域流速較小，再也“無力”將釘螺聚集在一起，所以釘螺分布比較散亂。另外在水箱的角落A和B處也形成了回流，流速較小。所以一小部分釘螺集中沉降在這2個區(qū)域。而且，隨著分流流量的加大，水箱回流中心更加偏向上游和前方，所以釘螺向上游和前方滾動的距離越遠(yuǎn)一些。

5 結(jié) 論

上述2種工況的研究結(jié)果表明，釘螺隨側(cè)堰分流的擴散有如下的規(guī)律：

（1）釘螺并不是均勻地分布在整個流場內(nèi)，而是呈點狀、片狀分布在局部的區(qū)域，釘螺的分布與水箱底部流速大小的分布是對應(yīng)的。大部分釘螺分布在渦心區(qū)域，有一小部分釘螺分布在水箱的上游和下游邊界處也就是流速較小的地方。釘螺因行洪、引水由垸外向垸內(nèi)擴散后，并不會大范圍地均勻分布在洪泛區(qū)內(nèi)，而是分布在速度較小的地方，比如岸邊、回流區(qū)等流速較小的地方。

（2）由出口下泄至水庫的釘螺很少。

上述釘螺隨流擴散的規(guī)律為滅螺提供了有益的借鑒和參考。常用的滅螺方法藥物滅螺是一種簡便的滅螺方式，但在感染水域內(nèi)大范圍地投放滅螺藥物，則會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，破壞生態(tài)，往往得不償失。了解了釘螺在洪泛區(qū)內(nèi)的遷移分布特點，則只需在這些釘螺密集的局部區(qū)域投放藥物，將會很大程度上減小藥物污染，也相應(yīng)地減小了財力、人力。另外，根據(jù)實測情況，隨水箱出口擴散到水庫的釘螺很少甚至沒有釘螺擴散，這也為用流場技術(shù)控制釘螺擴散提供了啟示。另外作者要指出的是，釘螺作為一種生命體，其活動的影響因素是很多的，并且天然情況下洪泛區(qū)內(nèi)的自然環(huán)境也是很復(fù)雜的，所以釘螺隨行洪引水?dāng)U散規(guī)律還需要進(jìn)一步深入的研究。

［1］ 李才寶.涵閘防止釘螺擴散技術(shù)研究進(jìn)展［J］.水利水電快報，1998，（5）：23-26.（LICai-bao.Advances in research on prevention of snails spreading through ulvert and sluice［J］.Express Water Resources＆Hydropower Information，1998，（5）：23-26.（in Chinese））

［2］ 李大美.三峽工程下游釘螺面積的變動趨勢與對策［M］.武漢：武漢水利電力大學(xué)出版社，1997.（LIDamei.Oncomelania area of Three Gorges Project Downstream Change Tendency and Countermeasure［M］.Wuhan：Wuhan Water Conservation Electric Power University Press，1997.（in Chinese））

［3］ HIRT C W，NICHOLS B D.Volume of fluid（VOF）methods for the dynamics of free boundaries［J］.J.Comput.Phys.，1981，39：201-225.

［4］ YOUNGS D L.Time-dependent Multi-material flow with Large fluid distortion［M］.New York：Academic 1982：273-285.

（編輯：劉運飛）

Research on Diffusion Law of Oncomelanias along Side-weir Flow

LIU Ai-ming1，XU Hai-tao2
（1.Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China；2.Yangtze River Scientific Institute，Wuhan 430010，China）

The diffusion of oncomelanias by flood is amain reason of schistosomiasis propagation.Therefore it is the most essential and effective way to control diffusion of oncomelanias along with flood for preventing epidemic of schistosomiasis disease.In this paper the research on the diffusion of oncomelanias along side-weir flow is carried out.The result shows that after diffusion along side-weir flow，oncomelanias do not evenly distribute at floodplain areas，but fall in the place that flow velocity is small，i.e.in the backflow areas and at boundary places of upper reaches and lower reaches of the side-weir breach.Oncomelania’s diffusion law provides an important theory for eliminating oncomelanias.

Oncomelania；side-weir flow；schistosoma

TV132.2

A

1001-5485（2010）04-0001-04

2009-05-05；

2009-07-17

水利部江湖治理與防洪重點實驗室開放研究基金（R2007-05）；武漢理工大學(xué)校青年基金（xjj2007051）

劉艾明（1974-），女，湖北漢川人，講師，主要從事生態(tài)與環(huán)境水力學(xué)研究，（電話）13986288627（電子信箱）lamfluid＠126.com。