基于河道形狀設計達到河流自動攔污模型研究
——使淡水河永湖鎮(zhèn)段河道恢復的方法模型

蘇新裕

(惠州市華禹水利水電工程勘測設計有限公司，廣東 惠州 516000)

1 概 述

淡水河是東江水系二級支流，位于東江一級支流西枝江下游的左岸，發(fā)源于深圳市(原為寶安縣)梧桐山以北；流經(jīng)深圳市、惠州市惠陽區(qū)的淡水街道辦、秋長街道辦、三和經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、永湖鎮(zhèn)及惠州市惠城區(qū)的三棟鎮(zhèn)，在紫溪口匯入西枝江。淡水河全流域集水面積為1 172 km2，河床平均坡降為0.57‰，全河長95 km，河流彎曲度1.57，流域形狀系數(shù)0.305；河流上游和中游上段為河卵石、沙卵石質(zhì)河床，中游下段及下游為沙質(zhì)沙泥質(zhì)河床。淡水河主要支流有坪山水、橫嶺水、洋納水、周田水、沙田水、麻溪水、大坑水。

永湖鎮(zhèn)地處惠州市惠陽區(qū)北部，南距惠陽區(qū)12 km，北距惠州市區(qū)15 km，東距惠州(平潭)飛機場15 km，西距惠(州)深(圳)高速公路15 km?；莅拇蟮?、惠南大道、鎮(zhèn)平公路、莞惠高速公路和惠澳鐵路穿境而過，交通便利，四通八達。在過去，當時人口較少，沒有大規(guī)模的工業(yè)，也未大量使用塑料，河流可以分解有機垃圾，因此河流仍然可以維持生態(tài)平衡。如今，永湖鎮(zhèn)是處在惠淡之間的中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)，屬市級中心鎮(zhèn)，全鎮(zhèn)實施“以農(nóng)為本、工業(yè)立鎮(zhèn)、科教興鎮(zhèn)”戰(zhàn)略，附近地區(qū)的工業(yè)迅速發(fā)展，而用以維護淡水河生態(tài)環(huán)境的環(huán)保設施卻極其不完備，淡水河周邊沒有設立任何垃圾回收站，也沒有現(xiàn)代化的生活垃圾處理設施，工廠的化學廢物和居民的生活垃圾都只能直接排入河中，使淡水河陷入了環(huán)保危機。河流表面鋪滿厚厚的一層垃圾，尤其是塑料垃圾，造成河道堵塞[1]；同時，垃圾的淤積和沉積導致河道行洪斷面減少。

本研究旨在開發(fā)一套收集河流垃圾的模型，以收集河流中垃圾[2]。這項研究的最終目標是設計一個河流垃圾攔截器，以達到以下目的：①利用河流的湍流來捕獲大部分廢物；②基于經(jīng)濟考慮和效率考慮，確定二級支流；③防止廢物進入主水道淡水河；④捕獲進入受保護區(qū)域或從受保護區(qū)域釋放出的河流廢物，易于維護。

通過利用計算流體動力學和粒子示蹤模塊，對河流垃圾截流器的幾種方案進行仿真分析。本研究結(jié)果可作為未來河流垃圾截流器規(guī)劃與發(fā)展的決策參考。

2 設計思路與研究方法

河流垃圾截流器的概念來自于對河流自身狀況的觀察，在一些河流拐彎處，由于河流的湍流使得垃圾被截留，針對這種情況，本研究通過模型模擬以獲得最有效的廢物截留方案。

2.1 河流垃圾截流器天然水道形態(tài)改造初步設計

淡水河及其支流的自然形態(tài)多為直線形、彎曲形和U形。首先，通過簡單的仿真建立、重建或細化多個三維模型，最終得到最合適的模型是直線形狀，但還需要進一步發(fā)展研究。圖1為河流垃圾截流器的工作原理及其安裝方式[3]。

2.2 采用計算流體動力學和粒子示蹤模塊進行模擬

本研究使用的是Comsol Multiphysics 軟件。河流垃圾截留器模型采用計算流體動力學和粒子示蹤模塊的組合建模，通過該軟件仿真建立多個三維河流垃圾截留器模型，進行重建或細化，最終得到適合的河流垃圾截留器模型[4]。本研究的支持數(shù)據(jù)來自相關(guān)機構(gòu)、谷歌地球、直接觀測和攝影，這些數(shù)據(jù)包括河流的寬度和深度、體積流量、地圖和該地區(qū)的地形。由于假設水流帶來的廢物是一種顆粒，因此需要得到廢物的平均體積大小及其密度。

2.3 考慮安裝位置

在考慮河流垃圾截留器模型放置時，應注意場址附近已經(jīng)存在的自然河流的形成和用途：①河流垃圾截留器收集的垃圾必須用起重機吊出，并將垃圾轉(zhuǎn)運到垃圾車中，這些卡車要用來收集垃圾并運到垃圾填埋場或其他地方，因此河流垃圾截留器選址應靠近可用的道路；②選址應靠近干流河流，以保護干流河流免受廢物進入；③由于可能會產(chǎn)生更多的城市固體廢物，該選址應靠近人口最密集的位置；④該站點應利用現(xiàn)有的河流彎道，以最大限度減少工程和建設成本，且這個站點可用作最近社區(qū)的臨時垃圾場。

另一個考慮是當?shù)卣茌牱秶膯栴}。由于淡水河跨越許多地區(qū)，所以河流保護的責任劃分問題較為復雜。假定每個地方政府都對其管轄區(qū)域負責，那么管轄區(qū)政府有責任捕獲進入或從其管轄區(qū)域排出的河流廢物[5-6]。

3 結(jié)果和討論

3.1 為河流垃圾截留器建模所選擇的站點和數(shù)據(jù)準備

選定的站點是位于廣東省惠州市惠陽區(qū)北部的永湖鎮(zhèn)。選擇永湖鎮(zhèn)的原因是該鎮(zhèn)近5年來新增工廠數(shù)量最多，現(xiàn)狀基礎設施不完善，20%的人口習慣于將城鎮(zhèn)固體垃圾排入河流。圖2為淡水河流域水系示意圖，途經(jīng)永湖鎮(zhèn)的支流直接匯入淡水河。圖3為永湖鎮(zhèn)地區(qū)的基本河流類型，包括3種無約束單線組合：直線(圖3(a))、曲折(圖3(b))和蜿蜒(圖3(c))。

圖2 淡水河流域水系示意圖

圖3 基本河流類型

淡水河支流下游部分主要包括低山丘陵和沖積平原兩個地形地貌河道：寬、淺、蜿蜒曲折，不易被淹沒，最近發(fā)生的洪水是由堵塞河流的廢物造成的。

表1為14條支流直接流入淡水河的流量數(shù)據(jù)，日平均流量為2.94 m3/s，平均寬度W為7.9 m。平灘寬度Wbf與平灘深度Dbf之比決定航道內(nèi)的速度和剪應力分布。

表1 跨越永湖鎮(zhèn)地區(qū)的東江水系三級支流

(1)

根據(jù)羅斯根的說法，當比值W/D<12時，則可以假設深度D為2 m，坡度范圍小于2%。

3.2 河流垃圾截留器模型

河流垃圾截留器作為一種運輸工具，其設計并沒有完全覆蓋河流，而是利用河流的水流將廢物引入網(wǎng)中。圖4中的藍線顯示的是仍可用于運輸?shù)暮恿鞅砻娣e。

圖4 河流垃圾截留器3D模型(單位：m)

設RTI寬度W為8 m，深度D為2 m，排水量Q為2.94 m3/s，則：

(2)

其中：U為進水速度，0.18 m/s。

根據(jù)U值，則可以根據(jù)式(3)計算雷諾數(shù)Re：

(3)

其中：L與D相關(guān)；v為水的運動黏度，1×10-6m2/s。

由計算結(jié)果可知，Re非常高(Re=3.6×105，Re>2 000)，因此必須使用湍流模型對流體進行建模。在這種情況下，使用k-ε湍流模型，圖4中的所有邊界都是墻，除了入口和出口，邊界被指定為防滑邊界，無滑移邊界意味著流體相對于邊界的速度為零[7]。采用發(fā)展流作為進口邊界條件，在出口邊界設定恒壓。

在這種情況下，河流廢物被視為一種顆粒。在Comsol Multiphysics軟件中，首先可以通過計算流場來進行粒子跟蹤，然后計算粒子的運動，計算中也使用了重力和阻力等外力，對大粒子的阻力采用席勒-諾伊曼定律計算。河流垃圾多為農(nóng)業(yè)廢棄物和城市固體廢棄物的浮渣，假設為平均密度為680 kg/m3的大木材顆粒、直徑為0.3 m的球，選擇球形是因為無論其方向如何，它對迎面而來的流體呈現(xiàn)相同的面積。

3.3 河流垃圾截留器的模擬

圖5為河流垃圾截留器通道表面速度大小等值線(m/s)和速度矢量(白色箭頭)的分布。由圖5可知，從入口進入的水碰到第一個隔板，隔板將水流分開，形成一個強大的回流區(qū)；溪流繼續(xù)穿過網(wǎng)，將廢物留在網(wǎng)中；當氣流通過第二隔板流向出口時，速度增加。

圖5 通道頂部表面的速度和速度矢量

在圖6中，球形顆粒運動軌跡N=50，平均直徑0.3 m，密度680 kg/m3，水流速度為0.18 m/s。圖6中顯示所有的粒子都被捕獲，3個粒子被捕獲在通道的入口處，其余的47個粒子被捕獲在捕獲區(qū)的網(wǎng)上。水流中顆粒的運動由軌跡線表示，軌跡線的顏色表達式與質(zhì)點的速度成正比，單位為m/s。

圖6 球形顆粒運動軌跡

3.4 河流垃圾截留器的應用

圖7為站點上河流垃圾攔截器的應用示例。圖7中，挖掘機可將廢棄物運進廢料堆，也可直接運進垃圾車，此廢料堆可以作為最近社區(qū)的臨時垃圾場[8]。

圖7 河流垃圾截留器應用實例

4 結(jié) 論

從模擬結(jié)果來看，該設計幾乎可以攔截所有的漂浮垃圾。之所以選擇直線設計，既因為這種形式的河流在惠州地區(qū)很常見，也因為它是有效利用河邊土地的一種方式。但是，要實施河流垃圾截留器，需要找一個低坡度的場地。

該模型設計有效地保護了三級支流穿過的區(qū)域，截留了從該區(qū)域進入或排出的廢棄物。而且?guī)缀跛斜染W(wǎng)大的垃圾也能被捕獲，這是由于河流的寬度不足10m，回收的垃圾仍在起重機臂展內(nèi)，但也可以應用于更大的范圍(二級河流)。