泵站漂浮物攔污柵攔截與過柵試驗研究

仇寶云，劉地，袁連沖，趙通

(1.揚州大學電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127；2.蘇州市職業(yè)大學計算機工程學院，江蘇 蘇州 215000；3.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責任公司，江蘇 南京 210000)

泵站、特別是排澇泵站，取水河道有大量漂浮物，包括水生植物和生活垃圾等，以水草、編織袋、塑料袋為主.為防止大量漂浮物、特別是大尺寸漂浮物隨水流進入水泵，對水泵造成堵塞和破壞，在泵站進口設置攔污柵攔截漂浮物[1].攔污柵是由若干根相距一定間距的柵條、橫梁和外框組成的格柵，要求能夠攔截漂浮物，具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性且過流阻力小[2-4].

但攔污柵也會對泵機組運行產(chǎn)生不利影響：攔污水頭損失導致水泵揚程增大、流量減小、運行費用增加，進水水位下降加劇水泵空化和空蝕，產(chǎn)生振動和噪聲[5].賀淑全[6]通過對某原型泵站研究發(fā)現(xiàn)柵面堵塞比為0.4、柵前平均流速為1.0 m/s 時，攔污水頭損失為0.25 m；而柵面堵塞比為0.7、柵前平均流速為0.8 m/s時，攔污水頭損失急劇增加，高達0.89 m.中小型泵站攔污清污勞動強度大，攔污水頭損失大，而大型泵站清污量大，漂浮物處理難[7].攔污柵結(jié)構(gòu)型式、布置方式、堵塞程度及位置等都會影響攔污效果和泵機組運行[8-10].當柵前水深、流速一定時，攔污柵攔污水頭損失隨柵面堵塞比和柵前流速增大而增大，隨攔污柵傾斜角增大而減小，攔污水頭損失是泵站能耗增加的主要原因之一.

因此，為減小攔污水頭損失和清污量，在保證水泵不堵塞的情況下，允許小體積漂浮物通過水泵到達上游.目前缺少對泵站攔污柵漂浮物攔截與通過條件與規(guī)律的研究.

文中針對泵站攔污和清污問題，應用物理試驗方法，多次觀測不同性質(zhì)和大小漂浮物在隨水流行進過程中的狀態(tài)，記錄被攔污柵攔截和過柵的次數(shù)，通過歸納分析確定合理的攔污柵柵條間距，以確保對一定尺寸漂浮物有較高的攔截率，據(jù)此合理設計攔污柵，能夠在水泵不堵塞的前提下，盡量加大攔污柵柵條間距，讓較小漂浮物通過攔污柵和水泵，減小攔污水頭損失和水泵機組運行費用，降低清污費用，節(jié)省攔污柵制造成本，保證泵站安全和高效運行.

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 試驗裝置

試驗循環(huán)系統(tǒng)由試驗段、泵裝置段、出水測流段和過渡段組成，其中試驗段依次由穩(wěn)流柵、引水道、前池和前池內(nèi)安裝的試驗攔污柵、防護攔污柵組成，如圖1所示.

圖1 試驗循環(huán)系統(tǒng)圖與觀測段

試驗攔污柵和防護攔污柵位于前池后端、進水流道前.試驗攔污柵在前，有多種柵距，用于漂浮物攔截過柵試驗；防護攔污柵在后，用于攔截穿過試驗攔污柵的漂浮物，阻止其進入泵裝置.

試驗攔污柵結(jié)構(gòu)及間距按原型制作，軸流泵站攔污柵柵條間距取為葉輪直徑1/20，根據(jù)試驗裝置實際尺寸，對攔污柵結(jié)構(gòu)尺寸進行設計，各試驗攔污柵結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表1，表中d為柵條間距，l為柵條厚度，h為柵高，b為柵寬.防護攔污柵邊框和橫梁與試驗攔污柵相同，柵條采用直徑2 mm的不銹鋼絲焊接，柵距10 mm.

表1 試驗攔污柵結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

1.2 試驗方法

試驗分別用水花生、枯樹枝、舊布和塑料袋等作為攔污柵的典型漂浮物.水花生選用長度為15,30,40 cm，枯樹枝選用粗細均勻且長度為15，20，30 cm，舊布分牛仔布和棉布2種材質(zhì)，牛仔布選用邊長23 cm×23 cm，13 cm×13 cm，9 cm×9 cm共3種，棉布選用邊長28 cm×28 cm，23 cm×23 cm，13 cm×13 cm，9 cm×9 cm共4種.

試驗過程中，安裝選定的試驗攔污柵，將進水池水位調(diào)節(jié)到合適高度，利用出水管調(diào)節(jié)閥控制水泵工況和水槽流量.將選定的漂浮物隨機多次投放在引水道上游水面，漂浮物隨水流流向前池和試驗攔污柵，觀察試驗過程中漂浮物的運動特性和狀態(tài)以及到達試驗攔污柵時被攔截或穿過攔污柵的過程，并統(tǒng)計過柵次數(shù)，總結(jié)漂浮物過柵的各類情況.考慮到水流中有雜物，試驗采用全寬堰測量流量，計算試驗攔污柵過流斷面平均流速，采用出水管壓力表測量計算水泵揚程來校核流量.

1.3 試驗步驟

1)選擇柵條間距最小的試驗攔污柵安裝就位，試驗裝置按要求水位充水，啟動水泵機組，調(diào)節(jié)水泵出水管上的調(diào)節(jié)閥，使流量滿足需要.

2)對幾種典型不同尺寸試驗漂浮物分別進行試驗.當系統(tǒng)穩(wěn)定后，在同一流速下，將同類型和大小的單個漂浮物多次隨機投放在引水道水流中，漂浮物隨水流流向試驗攔污柵，觀測漂浮物的運動特性和在水中的姿態(tài)、到達試驗攔污柵時被攔截或穿過攔污柵的過程，總結(jié)漂浮物過柵的各類情況，統(tǒng)計漂浮物過柵概率.

3)更換試驗漂浮物的大小尺寸，重復步驟2)，直至同類型漂浮物所有尺寸試驗完畢.

4)更換試驗漂浮物的類型，重復步驟1)，2)和3)，直至所有類型及所有尺寸的漂浮物試驗完畢.

5)更換不同柵條間距攔污柵，重復步驟1)，2)，3)和4)，直至所有柵條間距攔污柵試驗完畢.

6)調(diào)節(jié)水泵出水管調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)試驗流速，重復步驟1)，2)，3)，4)和5)，直至所有試驗流速完成.

2 典型漂浮物攔截與過柵試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果擬合漂浮物過柵概率隨柵條間距的變化規(guī)律，分析不同種類和尺寸的漂浮物過柵概率與水流流速、柵條間距的關(guān)系.

擬合不同水流流速時水花生長度分別為15,30,40 cm的過柵概率與柵條間距關(guān)系曲線.圖2為流速0.574 m/s的試驗結(jié)果.漂浮物過柵概率P與柵條間距關(guān)系為柵條間距越大，漂浮物過柵概率越大.漂浮物尺寸越大，過柵概率越小.由于15 cm枯樹枝長度小于156.4 mm柵距，過柵概率100%；牛仔布和棉布的過柵概率隨柵條間距的增大而增大，牛仔布的線性規(guī)律比棉布的更好，這是由于牛仔布質(zhì)地較硬，在水流中及運動到柵前呈現(xiàn)平鋪狀態(tài)，展現(xiàn)的尺寸大小與原有尺寸相近；而棉布質(zhì)地較軟，易發(fā)生褶皺、成團狀，運動展現(xiàn)的外輪廓尺寸隨機性大.塑料袋的過柵概率隨柵條間距增大而增大，對水流流速影響不大.

圖2 水流流速0.574 m/s時水花生過柵概率隨柵條間距變化

3 典型漂浮物過柵試驗結(jié)果分析

3.1 漂浮物過柵概率試驗結(jié)果統(tǒng)計

1)水花生.擬合水花生的過柵概率P隨水花生長度與柵條間距比值(物距比δ)的關(guān)系如圖3a所示.當物距比小于3.22時，過柵概率隨物距比增大下降較快；當物距比大于3.22時，過柵概率隨物距比增大下降趨于平緩；水花生的過柵概率隨著流速的增大而減小，特別是當物距比較大時，為了保證漂浮物過柵概率不超過某個值(如25%)，當水流流速增大后，可以顯著減小物距比(δ由6.00減小到4.10).當漂浮物尺寸一定時，可適當減小攔污柵柵條密度，從而降低攔污柵制造成本.

2)枯樹枝.擬合枯樹枝過柵概率與物距比的關(guān)系如圖3b所示.當物距比小于2.15時，過柵概率隨物距比增大下降較快；當物距比大于2.15時，過柵概率隨物距比增大下降趨于平緩；物距比小于1.00時，枯樹枝都能過柵.與水花生相反，枯樹枝過柵概率隨著流速增大略有增大，特別是當物距比較大時，為了保證漂浮物過柵概率不超過某個值(如40%)，水流流速增大后，需要顯著增大物距比(δ由3.00增大到3.70)，攔污柵柵條密度增加，成本增大.

3)舊布.擬合單棉布的過柵概率與物距比的關(guān)系如圖3c所示.當物距比小于2.54時，過柵概率隨物距比增大下降較快；當物距比大于2.54時，過柵概率隨物距比增大下降趨于平緩.單棉布的過柵概率隨流速的增加變化不明顯.23 cm×23 cm，13 cm×13 cm，9 cm×9 cm的塊狀牛仔布，在水中的運動呈現(xiàn)出中間平鋪的狀態(tài)，四角有不規(guī)則的翻轉(zhuǎn)，并且整個牛仔布隨水流翻動.28 cm×28 cm,23 cm×23 cm的塊狀單棉布，相對于牛仔布更容易發(fā)生褶皺，隨水流翻轉(zhuǎn)的頻率遠小于牛仔布.13 cm×13 cm,9 cm×9 cm的塊狀舊布，多呈現(xiàn)一種平鋪的狀態(tài)，并且隨著尺寸的減小，發(fā)生褶皺可能性就越小.舊布質(zhì)地和透水性也影響舊布運動姿態(tài).

4)塑料袋.塑料袋過柵概率與物距比的關(guān)系如圖3d所示，幾乎呈線性變化.塑料袋過柵概率受水流流速影響不明顯.干凈塑料袋一般漂浮于水體上層，河流中的塑料袋大多黏附泥土等污物，多懸浮在水中，或處于水體底層.塑料袋大多質(zhì)地柔軟，在水流中易變形成團狀，質(zhì)地較硬的厚塑料袋在水流中呈展開狀，姿態(tài)不易變化.

3.2 漂浮物過柵與攔截分析

3.2.1 漂浮物過柵與攔截機理

漂浮物過柵概率與漂浮物尺寸、質(zhì)地、柵條間距、水流流速及其分布等有關(guān).當漂浮物通過流速不均的斷面或邊界層處時，因受力不均，漂浮物將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、運動姿態(tài)改變，通常會增大漂浮物靠近攔污柵面的流入角(漂浮物長度方向與柵面夾角)，從而增大過柵概率.

設漂浮物長度為L，靠近攔污柵時，與柵面夾角為α，攔污柵柵條間距為d，柵前漂浮物在柵面的投影長度為Lα=Lcosα.分析漂浮物過柵與攔截情況：

1)L

2)d≤L<2d，Lα

3)L≥2d，Lα2d，漂浮物從2根柵條之間或擦著柵條過柵的可能性較小，被2根及以上柵條攔截，或枯樹枝卡在柵條之間的可能性較大.

3.2.2 不同漂浮物過柵概率比較分析

水流流速0.574 m/s時典型漂浮物過柵概率與物距比的關(guān)系如圖4所示.

圖4 典型漂浮物過柵概率與漂浮物長度和柵條間距比值關(guān)系比較

1)水花生與枯樹枝.在物距比和水流流速相同的情況下，水花生的過柵概率略低于枯樹枝.

水花生質(zhì)地較軟，枝椏、葉片、根須多，容易被柵條攔截，甚至被1根柵條攔住，被攔住后在水流作用下脫離柵條過柵的概率較小.而枯樹枝質(zhì)地較硬，不易變形，無葉片、少枝椏，幾乎不會發(fā)生被1根柵條攔截的情況，相同長度時，枯樹枝過柵概率稍大于水花生.

2)舊布與塑料袋.在物距比和水流流速相同的情況下，塑料袋的過柵概率大于舊布.

舊布表面粗糙度大于塑料袋，特別是布紡紗之間存在微小間隙，當受銳緣或尖物作用時，舊布紡紗間隙加大，從而大大增大舊布與柵條之間的摩擦力，舊布與柵條之間摩擦力比塑料袋與柵條之間的摩擦力大得多，舊布一旦被柵條攔截，容易黏住，在水流作用下不易脫離柵條過柵；另一方面，與舊布相比，塑料袋質(zhì)地較軟，在水流中易成團狀，迎水面尺寸較小，更容易從2根柵條之間通過.

3)桿狀硬質(zhì)漂浮物與片狀柔性漂浮物.在物距比和水流流速相同的情況下，桿狀硬質(zhì)漂浮物過柵概率高于片狀柔性漂浮物.

一方面，桿狀硬質(zhì)漂浮物只有長度1個方向尺寸較大，近柵時有很大可能與柵面垂直或近于垂直，因此容易過柵.而片狀柔性漂浮物2個方向尺寸較大，容易被攔截；另一方面，桿狀硬質(zhì)漂浮物與柵條之間的摩擦力較柔性片狀漂浮物與柵條之間的摩擦力小得多，這導致桿狀硬質(zhì)漂浮物在被1根柵條攔截后會繼續(xù)滑移，過柵概率大于柔性片狀漂浮物.

3.3 泵站攔污清污對策

根據(jù)泵站水泵葉輪大小、來流流速、漂浮物種類及尺寸，確定能夠順利通過水泵的典型漂浮物的最大尺寸，將其確定為保證大于該尺寸漂浮物過柵概率小于要求值的攔污柵臨界物距比δc值，用以指導泵站攔污柵設計，在保證水泵安全運行的基礎上，最大程度降低攔污柵制造成本和泵站清污成本.

按葉輪允許通過最大漂浮物尺寸，農(nóng)村河道漂浮物以水花生、雜草、枯樹枝為主，攔截水花生時，臨界物距比δc在3.22左右，攔截枯樹枝時，臨界物距比δc在2.15左右，柵條間距要小于葉輪允許通過最大漂浮物長度的31%；城鎮(zhèn)河道，生活垃圾和工業(yè)垃圾較多，舊布、塑料袋的δc在1.76～2.54，柵條間距與葉輪允許通過最大漂浮物長度的比值在0.50～0.56較合適.

由于柔性片狀漂浮物及干枯草極易纏繞在攔污柵柵條上，特別是塑料袋和棉布，其阻水作用大，一旦攔截在幾根柵條上，會造成柵前柵后水位差顯著增大，因此，設計清污機時，要求清污機的齒耙定位準確、耙齒緊靠柵條側(cè)面，這樣才能有效清除黏附在柵條上的污物.

4 結(jié) 論

1)漂浮物過柵概率與漂浮物長度和柵距之比、漂浮物種類、質(zhì)地和水流流速等因素有關(guān).漂浮物過柵概率隨物距比的增大而減?。凰ㄉ?、枯樹枝等呈長條狀、質(zhì)地較硬的漂浮物過柵概率大于舊布、塑料袋等質(zhì)地柔軟的漂浮物；水花生的過柵概率隨流速增大而減小，枯樹枝相反；舊布過柵概率小于塑料袋；桿狀硬質(zhì)漂浮物的分支越多，過柵概率越小.

2)典型漂浮物過柵概率與物距比的關(guān)系.當物距比小于3.22時，水花生過柵概率隨物距比增大急劇下降，當物距比大于3.22時，過柵概率隨物距比的增大而下降趨于平緩.對枯樹枝，當物距比小于2.15時，過柵概率下降較快；物距比大于2.15時，過柵概率隨物距比增大下降較為平緩.對單棉布，當邊長物距比小于1.76時，過柵概率隨物距比增大下降較快；當物距比大于2.54時，過柵概率隨物距比增大下降趨于平緩；當物距比在1.76～2.54時，過柵概率隨物距比增大下降較慢.水花生的臨界物距比δc為3.22左右，枯樹枝的δc在2.15左右，舊布、塑料袋的δc在1.76～2.54.

3)泵站攔污清污針對性設計.按葉輪允許通過最大漂浮物尺寸，農(nóng)村河道漂浮物主要是水花生、雜草、枯樹枝等，設計時柵條間距要小于水泵葉輪允許通過最大漂浮物尺寸的31%；城鎮(zhèn)河道舊布、塑料袋等生活垃圾和工業(yè)垃圾較多，設計柵條間距要在水泵葉輪允許通過最大漂浮物尺寸的50%～56%倍.在保證水泵機組安全穩(wěn)定運行的基礎上，減小柵條密度，降低攔污柵制造成本，減小攔污柵水力損失和清污量.同時，要求清污機的齒耙定位準確、耙齒緊靠柵條側(cè)面，才能有效清除黏附在柵條上的舊布和塑料袋等漂浮物.