钉螺随侧堰分流扩散规律的研究

刘艾明，徐海涛

（1.武汉理工大学交通学院，武汉 430063；2.长江科学院河流研究所，武汉 430010）

钉螺随侧堰分流扩散规律的研究

刘艾明1，徐海涛2

（1.武汉理工大学交通学院，武汉 430063；2.长江科学院河流研究所，武汉 430010）

因行洪、引水使钉螺由垸外向垸内扩散是血吸虫病蔓延的一个重要原因，研究钉螺随水流扩散规律对控制血吸虫病的流行极为重要。首先采用模型试验和数值模拟的方法研究了侧堰分流的流场特性，在此基础上进行了钉螺随侧堰分流扩散规律的实验研究。结果表明钉螺随水流扩散后并不是均匀分布在流场内，而是集中分布在侧堰附近上下游以及回流区域。这一结论为安全有效地灭螺提供了重要的理论依据。

钉螺；侧堰；血吸虫

血吸虫病是一种自然疫源性疾病，受自然因素影响很大。钉螺是血吸虫病流行的唯一中间宿主，因此控制钉螺扩散是血吸虫病流行最重要也是最有效的途径。

钉螺主要分布在长江流域的湖沼地区，这些地区沟渠纵横交错，随着排灌系统逐渐完善，已形成江河连沟渠，沟渠连塘堰，塘堰连田块，田块连村庄的格局［1］。所以行洪、引水导致钉螺由垸外向垸内扩散，并且这些区域往往人口密集，更加大了血吸虫病蔓延的趋势。而原有的常用灭螺方法如药物灭螺受到经济和环境的影响，不可能大范围地使用。因为灭螺药物如氯硝柳胺、五氯酚钠和溴乙酰胺具有毒性，如果大范围喷洒则会造成生活区域水体污染，适得其反；另一方面会加大人力和财力负担［2］。

因此要安全有效地控制钉螺扩散，防止血吸虫病的蔓延，首要的任务就是要了解钉螺因行洪、引水由垸外向垸内扩散的迁移分布规律，这样才能安全有效地灭螺。本文首先采用模型试验和数值模拟的方法对侧堰分流的流场特性进行了研究，在此基础上进行了钉螺随侧堰分流扩散规律的实验研究。为安全有效地灭螺提供理论基础。

1 试验模型

为了模拟天然情形下因行洪、引水灌溉使钉螺由垸外向垸内扩随的规律，设计制作了一个侧堰分流循环水槽系统，其布置如图1、图2所示。该水槽系统主要包括3个部分：水槽、水箱和水库。水槽长16m，宽0.5 m，高0.5 m，水槽两侧壁为有机玻璃，在水槽一侧壁中间设有一标准直角三角形堰形出水通道，堰最低点离水槽底部0.2 m。水槽底部用水泥抹平，底坡固定。来流一部分经过水槽下泄至水库；另一部分经过侧堰后流至一水箱，然后经水箱出口下泄至水库。在水槽上游设有矩形薄壁堰控制流量，水槽下游设有尾门来调节水深。水箱长0.94 m，宽0.82 m，水箱出口位于水箱侧壁的中部，距离水箱底部为0.07 m，出口长0.12 m，宽0.1 m。水槽底部壁面比水箱底壁面高0.04 m，其尺寸如图3所示。

图1 实验现场布置图Fig.1 Experiment scene of side weir flow

图2 侧堰水流试验系统示意图Fig.2 Diagram of experiment on side weir flow

图3 侧堰水流试验系统平面示意图Fig.3 Planar diagram of experiment on side weir flow

流场流速测量采用SONTEK公司生产的声学多普勒流速仪（Acoustic-doppler veocimeter），简称ADV，ADV架设在水槽上面，由一个可以沿着水槽纵向移动的小车固定，小车上装有同进电机，控制ADV的垂向和横向移动。x，y，z分别代表水槽的纵向、横向和垂向。

2 数学模型的建立

侧堰分流流场是具有复杂自由水面的三维湍流场，本文的湍流模型采用k-ε双方程模型，自由面的跟踪采用VOF方法。引入VOF模型的k-ε紊流模型和单相流的k-ε模型形式完全相同，只是密度ρ和分子粘性系数μ的具体表达式不同，连续方程、动量方程和k及ε方程可分别表示如下：

连续性方程

式中：ρw和ρa分别为水和气的密度；μw和μa分别为水和气的分子粘性系数；αw是水的体积分数，根据VOF的思想，它满足如下的连续方程

这样通过对水的体积分数αw的求解，ρ和μ的值通过式（5）、式（6）可以求出。

控制方程采用有限体积法进行离散，采用二阶迎风格式对离散方程中的物理量插值求解，压力速度的耦合算法采用PISO算法。采用YOUNGS的方法求解VOF体积分数方程［3，4］。

3 试验及数值模拟计算结果分析

本文分别研究了2种不同分流流量时的流场特性，相应水槽上游来流流量和水深分别为Q1＝41.68 L／s，h1＝25.2 cm；Q2＝41.68 L／s，h2＝28.8 cm。

图4、图5给出的是水槽右岸5 cm纵断面处的自由水面线的实测值与计算值的对比，从图中可以看出，计算值与实测值吻合得很好。

图4 工况一水槽右岸5 cm纵断面自由水面线计算值与实测值对比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

图5 工况二水槽右岸5 cm纵断面自由水面线计算值与实测值对比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

图6至图9是水箱水深为1 cm和4 cm处水平面的二维流速矢量分布图，由图可见，水箱内水流流动都有如下的规律：

图6 工况一水箱水深1 cm二维流速分布计算值与实测值对比Fig.6 Experimental and computed velocities of the plane at h＝1 cm for case 1

图7 工况一水箱水深4 cm二维流速分布计算值与实测值对比Fig.7 Experimental and computed velocities of the plane at h＝4 cm for case 1

图8 工况二水箱水深1 cm二维流速分布计算值与实测值对比Fig.8 Experimental and computed velocities of the plane at h＝1 cm for case 2

图9 工况二水箱水深4 cm二维流速分布计算值与实测值对比Fig.9 Experimental and computed velocities of the plane at h＝4 cm for case 2

（1）计算流速分布与实测情况基本一致，不论侧堰分流流量的大小，水箱内水流都有一明显可见的漩涡，漩涡尺度和水箱尺度相当，不同水深处的二维流速分布基本一致，只是涡心位置稍微发生偏移，即越接近水面，涡心位置越向下游偏移，但变化不大。水流从侧堰流出以后向水箱跌落，动能很大，水流掺气，所以在水跌附近区域无法由ADV测量其流动。当侧堰分流流量增加时，ADV测量的有效区域减小。所以对于Q2＝41.68 L／s，h2＝28.8 cm这种工况只能测量局部范围内的流场。

（2）涡心位置随侧堰流量而变化，分流流量越大，涡心位置越靠近上游。另外，下游的流速明显高于其他区域的流速。

（3）涡心位置计算值与实测值有一定的偏差，这可能是由于试验中水箱的底部受到水的冲击作用，底部为一向下凹陷的曲面，而数值计算中按照平面来处理；其次三角形堰顶为朝向下游倾斜60°的锐角薄壁，而计算中三角形堰壁面厚度取5 mm，这也产生了偏差。

4 钉螺随水流输运扩散

在流场特性研究的基础上进行了钉螺随流扩散的试验研究。试验用钉螺为阴性钉螺，试验平均水温在15～18℃左右。每次在侧堰附近投放钉螺100只，观察钉螺随水流扩散以及在水箱底部的迁移特点，每次试验历时约4 h。钉螺随流扩散的轨迹和最后的分布如图10、图11所示。

图10 钉螺随流扩散轨迹示意图Fig.10 Diffusion traces of oncomelanias along w ith flow

由试验现场观测可知，2种工况下钉螺随流扩散及在水箱底部分布特点相似：

（1）在侧堰附近水流湍急，钉螺为了保护自己而闭厣，处于“失控”状态，象泥沙颗粒一样随水流运动，最后沉降在水箱底部。试验结束后，钉螺才开厣，向四周爬行。

图11 工况一钉螺在水箱底部沉降的试验结果Fig.11 Sinking positions of oncomelanias for case 1

（2）钉螺随下泄水流在水箱底部迅速向侧堰上下游和前方滚动。一小部分钉螺很快沉降在水箱后壁面附近的A处和B处；区域A范围很小，钉螺密集，呈点状分布；B区域钉螺分布比A区稍微松散；另外大部分钉螺受水流作用，在水底走走停停，有时稍稍浮起，不到一小时，最终滚落在C区域停留，此处钉螺分布比A区、B区散乱，呈片状分布。

2种工况下，钉螺在水箱底部分布的地点稍有不同，详见表1。

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

（3）在进行试验时，没有钉螺经过水箱的出口扩散到水库。

综上所述，钉螺的扩散和分布与流速大小的分布基本上是对应的。在水箱内，靠近侧堰下游的区域水流流速较大，而靠近前壁面的流速较小，所以钉螺随水流迅速向前滚动，在靠近前壁面处则走走停停，有时钉螺还会稍稍上浮，最终在水流的作用下在回流中心区域停留。因为回流区域流速较小，再也“无力”将钉螺聚集在一起，所以钉螺分布比较散乱。另外在水箱的角落A和B处也形成了回流，流速较小。所以一小部分钉螺集中沉降在这2个区域。而且，随着分流流量的加大，水箱回流中心更加偏向上游和前方，所以钉螺向上游和前方滚动的距离越远一些。

5 结 论

上述2种工况的研究结果表明，钉螺随侧堰分流的扩散有如下的规律：

（1）钉螺并不是均匀地分布在整个流场内，而是呈点状、片状分布在局部的区域，钉螺的分布与水箱底部流速大小的分布是对应的。大部分钉螺分布在涡心区域，有一小部分钉螺分布在水箱的上游和下游边界处也就是流速较小的地方。钉螺因行洪、引水由垸外向垸内扩散后，并不会大范围地均匀分布在洪泛区内，而是分布在速度较小的地方，比如岸边、回流区等流速较小的地方。

（2）由出口下泄至水库的钉螺很少。

上述钉螺随流扩散的规律为灭螺提供了有益的借鉴和参考。常用的灭螺方法药物灭螺是一种简便的灭螺方式，但在感染水域内大范围地投放灭螺药物，则会造成严重的环境污染，破坏生态，往往得不偿失。了解了钉螺在洪泛区内的迁移分布特点，则只需在这些钉螺密集的局部区域投放药物，将会很大程度上减小药物污染，也相应地减小了财力、人力。另外，根据实测情况，随水箱出口扩散到水库的钉螺很少甚至没有钉螺扩散，这也为用流场技术控制钉螺扩散提供了启示。另外作者要指出的是，钉螺作为一种生命体，其活动的影响因素是很多的，并且天然情况下洪泛区内的自然环境也是很复杂的，所以钉螺随行洪引水扩散规律还需要进一步深入的研究。

［1］ 李才宝.涵闸防止钉螺扩散技术研究进展［J］.水利水电快报，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.三峡工程下游钉螺面积的变动趋势与对策［M］.武汉：武汉水利电力大学出版社，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.

（编辑：刘运飞）

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

水利部江湖治理与防洪重点实验室开放研究基金（R2007-05）；武汉理工大学校青年基金（xjj2007051）

刘艾明（1974-），女，湖北汉川人，讲师，主要从事生态与环境水力学研究，（电话）13986288627（电子信箱）lamfluid＠126.com。