凉水河水环境治理生物填料对河道阻力的影响（杨淑慧,王理许,张春义,王远航）

摘要：结合北京市凉水河水环境治理工程, 利用水槽试验, 研究河道布设生物填料后, 其阻力特性的变化规律。分析了水槽中布设单排、双排生物填料, 在不同生物填料高度、流量等运行条件下,水槽综合糙率系数的变化规律; 定量提出生物填料相对高度与综合糙率系数的相关关系。并根据凉水河河道水力参数及布设的生物填料数量、高度等参数, 提出凉水河布设生物填料后的综合糙率系数值,为论证凉水河水环境治理工程是否影响河道行洪安全提供技术依据。

关键词：生物填料 河道阻力 糙率 水槽试验

中图分类号TV131.2+ 2 文献标志码A 文章编号1673- 4657( 2007) 06- 0017- 05

Effects of biogenic packing on flow r esistance in the water environment tr eatment project of Liangshuihe River YANG Shu- hui WANG Li- xu ZHANG Chun- yi WANG Yuan- hang

( Beijing Hydraulic Research Institute, Beijing, 100044, China)

Abstr act The flow resistance of Liangshuihe River in Beijing with installation of biogenic packing is investigated, through flume test in laboratory. The variation of Manning’s roughness coefficient is analyzed under different discharge and height of the biogenic packing for the circumstances of one and two rows of biogenic packing installed. Based on the experimental results, a linear relationship between Manning’s roughness coefficient and the height of biogenic packing is obtained. According to the relationship, the roughness coefficient of Liangshuihe River is reasonably determined after installation of biogenic packing.

Key words Biogenic packing Flow resistance Manning’s roughness coefficient Flume test

生物接触氧化技术为河道水环境治理方法之一,它通过设置生物填料, 并辅以曝气, 从而对污水进行充氧, 使处于流动状态的污水与生物填料充分接触,利用填料上的生物膜对水体进行净化。布设生物填料必然增加河道对水流的阻力, 河道的综合糙率系数必然增大, 不利于河道行洪。因此, 利用生物填料对河道进行水环境治理的同时, 必须研究河道阻力特性的变化。

北京市凉水河水环境治理所用的生物填料为阿科蔓, 是一种水处理生物科技材料, 应用于水生态环境修复和水污染防治。阿科蔓形似布条, 其一端固定于河床, 在静水中或水流强度很弱时呈直立状, 当水流运动速度较大时呈倾斜倒状, 它对河道的阻力类似于具有一定高度的低矮天然水生植物的作用。水生植物的阻水作用一般与植物的密度和分布、叶尺寸、茎尺寸和强度等因素有关(Green, 2005) [1], 国内外已开展了一些这方面的研究工作。Green ( 2005) [1]对以往关于水下植物如何影响河道阻力的理论模型的研究工作进行了评述, 并提出新的理论模式, 证明河道阻力与植物占河道比例之间的关系是非线性的。Carollo 等( 2005 ) [2] 研究了柔性淹没植物( flexible submergedvegetation) 对阻力的影响, 建立了阻力系数与剪切雷诺数、水深- 植物高之比以及植物弯曲度间的关系,Jarvela ( 2005) [3] 开展了类似的工作; James 等(2004) [4]、Jordanova 等( 2006) [5] 则分别提出了有非淹没植物( emergent vegetation) 存在的河道内阻力系数的模型;Jarvela ( 2002) [6] 对不同的天然植物开展研究, 讨论了植物类型及其不同组合在淹没和非淹没条件下对阻力系数的影响。国内, 顾峰峰等( 2006) [7] 研究了芦苇密度与阻力的关系; 李艳红等( 2004) [8] 研究了水生植物河道中流速、摩阻流速及曼宁糙率系数的垂线分布。

然而, 这些研究多针对天然水生植物的情况,专门针对生物填料对水流阻力的研究还未见报道,而生物填料的材质、安装方式、密度等与天然水生植物毕竟有较大差别, 针对天然水生植物的研究结果难以直接应用于利用生物填料的情形。另外, 实际工程问题中, 综合糙率系数比其他形式的阻力系数更便于应用。为此, 本文利用水槽试验, 研究安装生物填料后河道糙率系数的变化规律, 为分析凉水河布设生物填料对行洪能力的影响提供可靠而又直接的科学依据。

1 试验方法

试验装置由进水管道、电磁流量计、阀门、进水前池、试验水槽和尾门等组成。水槽底坡为5 ‰。水槽一侧边壁为有机玻璃, 另一侧及槽底为水泥砂浆面,水槽长15 m、宽0.4 m、深1.0 m。

根据试验水槽的底坡、断面形状和尺寸以及试验测得各工况的流量、流速和水深等水力参数, 采用曼宁公式和谢才公式计算曼宁糙率系数。

对于均匀流, 断面水力要素沿程不变, 水力坡度可用水槽底坡代替。对于非均匀流, 糙率系数计算过程中, 水力坡度由相邻两断面间的水头损失给出, 水力半径和过水断面面积采用相邻两断面的平均值。

2 试验结果分析

2.1 无生物填料

研究布设生物填料后, 水槽中糙率系数的变化规律, 首先需要明确水槽糙率系数的背景值, 即无生物填料时水槽的糙率系数。为此, 设计了18 组次试验,流量变幅为31.3 ~ 106.9 L/ s、水深范围为0.45 ~ 0.61 m。获得水槽综合糙率系数随流量、平均水深变化的规律,如图1、2 所示。由图可见, 水槽综合糙率值基本不随流量和平均水深而变化, 其平均值约为0.011 2。

由于试验水槽一侧边壁为有机玻璃( 糙率系数可取为0.008, 参阅文献[9 ]) , 另一侧及槽底为水泥砂浆面, 为便于后续研究, 需要确定试验水槽水泥砂浆面的糙率系数, 这可由综合糙率公式反求得到, 由综合糙率公式:

根据水槽综合糙率系数的试验值, 利用上式得到试验水槽的水泥砂浆面糙率系数为0.012 7, 该值介于水泥砂浆面糙率系数经验范围0.012 ～0.014 之内。

2.2 单排生物填料

沿水槽中心线放置一排生物填料, 试验并分析糙率系数与生物填料高度、进水流量、水深的关系。本文引进生物填料的填充率概念, 即: 试验水槽中生物填料体积占水体体积的百分比。

生物填料高度10、20、30 和43 cm 与流量分别为40、60、80 和160 L / s 组合, 水槽中控制不同水位,得出78 组糙率系数的试验数据, 绘制填充率- 糙率系数关系散点图, 见图3。图中显示, 当填充率小于1.0%时, 糙率系数与填充率呈正相关关系, 并且随着填充率的减小, 糙率系数变化幅度减小, 逐渐趋于常数。究其原因, 当填充率较大时, 生物填料较高, 在大流量时, 生物填料易倒伏, 其形态与小流量时的直立状态差别较大, 对糙率系数的影响亦较大, 造成糙率系数变化范围大; 反之, 生物填料高度较低, 直立、倒伏状态对水流阻力的影响相对减小, 糙率系数变化范围随之减小。

水槽中生物填料的宽度、长度不变, 影响填充率值的要素只有生物填料高度。生物填料相对高度- 糙率系数关系与填充率- 糙率系数关系的变化规律相同。因此可以采用生物填料相对高度ha 来代替填充率。

ha=h生/h水 ( 3)

式中: h 生为生物填料高度, cm; h 水为水槽中的平均水深, m。

试验得出最大水深0.8 m 时的糙率系数见表1。表中数据表明, 当生物填料高度一定时, 虽然流量变幅较大, 但糙率系数值的变化范围不大, 变化幅度仅为0.001 ～0.003。绘制0.8 m 水深时生物填料相对高度与平均糙率系数关系如图4 所示, 由图可以看出, 生物填料相对高度与糙率系数为线性正相关关系。

2.3 双排生物填料

水槽中顺水流方向放置2 排生物填料, 2 排生物填料间距20 cm。控制条件与单排生物填料相似, 得出72 组糙率系数的试验数据。试验结果表明, 双排生物填料高度一定时, 水槽施放小流量( 40 L/ s、80 L/ s)、控制小水深, 生物填料处于漂浮直立状态, 对水流阻力较大, 此时水槽中综合糙率系数值较大; 随着水深的增加, 生物填料相对高度逐渐减小, 对水流阻碍作用也减小, 从而综合糙率系数逐渐减小。大流量(120 L/ s、160 L/ s)、水深较小时, 生物填料在水槽中顺水流倒伏, 对水流的阻力作用较直立时减小, 此时水槽的综合糙率系数亦较小于小流量; 随着水深增加,生物填料相对高度逐渐减小, 综合糙率系数随之减小,但变化幅度不大。总之, 生物填料高度一定时, 随水深增加不同流量的糙率系数变化范围逐渐减小, 并趋于常数。

试验得出生物填料相对高度- 糙率系数关系如图5 所示。由图可见, 生物填料相对高度- 糙率系数的变化规律与单排生物填料情况相似, 即: 糙率系数与生物填料相对高度呈正相关关系, 并且随着生物填料高度减小, 糙率系数变化幅度减小, 逐渐趋于常数。

试验给出水深0.8 m 时糙率系数见表2。生物填料高度一定、不同流量糙率系数变化幅度仅为0.002 ～0.009。生物填料相对高度较大时, 糙率系数变幅大, 反之则较小。绘制生物填料相对高度与平均糙率系数关系如图6 所示, 生物填料相对高度与糙率系数散点关系呈线性正相关关系。

2.4 单排、双排生物填料综合分析

综合分析生物填料相对高度- 糙率系数关系见图7。由图7 可知, 单排、双排生物填料相对高度- 糙率系数关系变化基本一致, 生物填料相对高度较高时,其单排或双排布置、直立、倾斜、弯曲等存在形态对水流影响较大, 因此糙率系数变化幅度较大, 相同条件下双排糙率系数略高于单排。生物填料相对高度较小时, 其存在形态对水流的影响范围减小, 糙率系数变化幅度较小。这与Jarvela ( 2002) [6]的水槽试验结果相符。

绘制0.8 m 水深时单排、双排生物填料相对高度与平均糙率系数关系见图8, 其变化规律基本一致,呈线性正相关关系, 直线拟合关系式为:

n = 0.0401ha+ 0.010 9 ( 4)

相关系数为0.993 2, 表明生物填料相对高度与平均糙率系数的线性相关程度高。

4 凉水河糙率系数分析

4.1 凉水河水力参数

根据《凉水河干流综合整治工程( 暗函出口— 旧宫桥段) 初步设计》[10], 以4+430断面为例, 该断面水力要素见表3。凉水河生物填料高度0.70 m, 则正常水位、20 a 一遇洪水、50 a 一遇洪水时, 生物填料的相对高度分别为0.248、0.191、0.159。

4.2 生物填料糙率系数

通过生物填料的相对高度, 由公式( 4) ( 图8)可方便地得到对应于凉水河正常水位、20 a 和50 a 一遇洪水位的综合糙率系数, 根据综合糙率公式反求水槽中生物填料本身的糙率系数见表4, 生物填料本身的糙率系数为0.050 ～0.054。

4.3 凉水河糙率系数

凉水河首部河段河底全部布设生物填料, 每排间距20 cm, 生物填料高0.70 m, 则4 + 430 断面布设生物填料后, 综合糙率系数将发生变化。根据水槽试验得出的生物填料糙率系数, 可求出凉水河综合糙率系数见表5。凉水河布设生物填料后, 4 + 430 断面的综合糙率系数约为0.039 ～0.044。

5 结语

北京市行洪河道普遍存在着水环境污染问题, 布设生物填料是河道水环境治理的主要方法之一。生物填料增加河道阻力, 对河道行洪的影响是设计及管理人员关注的重要问题。本文利用水槽试验, 获得了水槽中布设单排、双排生物填料, 在不同生物填料高度、流量等运行条件下的综合糙率系数变化规律。该成果为论证凉水河水环境治理措施对河道行洪能力的影响提供了技术参数, 同时也可为其他河道的水环境治理所借鉴。

参考文献

[1] Green J C. Modelling flow resistance in vegetated streams:review and development of new theory [J]. Hydrological Processes, 2005, 19(6): 1245- 1259.

[2] Carollo F G, Ferro V, Termini D. Flow resistance law in channels with flexible submerged vegetation [J]. Journal of Hydraulic Engineering- Asce, 2005, 131(7): 554- 564.

[3] Jarvela J. Effect of submerged flexible vegetation on flow structure and resistance [J]. Journal of Hydrology,2005, 307(1- 4): 233- 241.

[4] James C S, Birkhead A L, Jordanova A A, O""Sullivan J J.Flow resistance of emergent vegetation [J]. Journal of Hydraulic Research, 2004, 42(4): 390- 398.

[5] Jordanova A A, James C S, Birkhead A L. Practical estimation of flow resistance through emergent vegetation [J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers -Water Management, 2006, 159(3): 173- 181.

[6] Jarvela J. Flow resistance of flexible and stiff vegetation: a flume study with natural plants [J]. Journal of Hydrology,2002, 269(1- 2): 44- 54.

[7] 顾峰峰, 倪汉根. 芦苇密度与阻力的关系[J]. 水动力学研究与进展, 2006, 21( 5) : 626- 631.

[8] 李艳红, 赵敏. 含植物河流动力学实验研究- 流速、摩阻流速及曼宁糙率系数垂线分布[J]. 水动力学研究与进展, 2004,19(4) : 513- 519.

[9] 赵振兴, 何建京. 水力学[M]. 清华大学出版社.2000.

[10] 北京市水利规划设计研究院. 凉水河干流综合整治工程(暗函出口— 旧宫桥段) 初步设计[Z].2005.

作者简介: 杨淑慧( 1964 — ) , 女, 高级工程师。

来源：《北京水务》2007.6