排水管道沉积物水力冲刷技术

刘振华　李怀正　董梦珂

摘 要：城市排水管道淤积现象十分普遍，而淤积会带来管道功能、环境生态、人身安全等方面的风险。传统的一些排水管道清淤技术费时费力效率低，清淤成本过高。水力冲刷技术具有防淤、清淤功能及低成本、易维护的特点，在多个国家和地区得到了应用。文章对排水管道沉积物水力冲刷技术进行了综述，主要介绍了水力冲刷技术的主要技术形式、冲刷效果及其设计方法。

关键词：城市排水；沉积物；水力冲刷技术

1 管道沉积物淤积及清淤技术

排水系统作为一个城市重要基础设施的组成部分，系统的健康与否关系到人们的生活及生存的环境（孙慧修，1996）。然而，排水管道淤积现象在排水系统中十分普遍。管道一旦发生淤积会带来一系列的环境问题，首先由于淤积的存在减小了管道的水力输送空间，进而导致上游发生溢流更加频繁；其次沉积物中含有一定的有机组分，在微生物厌氧过程下会导致硫化氢、硫酸等硫化物的产生，对管道及环境带来不良影响（Gent，1996、汤霞，2013）；另外管道沉积物也是雨天冲刷污染物的主要来源（Ashley，2010、Gasperi，2010）。因此，研究管道沉积物的产生、预防及清除成为一个兼具科学性与应用性的课题。

管道沉积物的产生主要是水力条件的变化造成，当管段流速较低时，流体对颗粒物的携带能力不足以克服其自身沉降的趋势，颗粒产生沉降，在管道底部形成沉积层。随着时间推移，沉积层发生压缩而提高自身稳定性（Cabree，1989）。因此，定期对管道沉积物进行清理是一项具有实际意义的工作。在《城市排水管渠与泵站维护技术规程》中规定排水管渠应定期检查、定期维护，保持良好的水力功能和结构状况（CJJ 68-2007）。

針对排水管道淤积状况与特点，在实际清通中可以针对性地采取合理的疏通方式，以节省人力、物力，提高清通效率。按照清通技术的作用原理不同，现有的排水管道沉积物清通技术可以分为两大类：机械清通技术、水力清通技术。前者包括绞车清淤法（刘丽萍，2002）、通沟机清淤（Dinkelacker，1992）、清淤球（孙勇，1996）等方法。而后者的主要代表如水冲清淤法（李俊，2004）、高压水射法（边艳玲，2003）等，且在水力清淤技术中，许多研究学者将一些成熟的方法申请了相关的专利，如水力平衡阀（Hydrass）（Williams，2009、潘国庆，2007）、水力自净系统（Hydroself）（高安礼，2007）以及真空冲刷系统（BIOGEST）等。

与机械清通技术相比，水力清通技术以其特有的防淤、清淤功能及低成本、易维护的特点（Chebbo，1996、William C，2003、Goormans，2009、Campisano，2006）在许多城市和地区得到了应用，如在德国的Marht Wiesentheid、Gemeinde Schauenburg， Stadt Kirchhain， Markt Grossostheim等城市，美国的密歇根、肯塔基以及加拿大的萨尼亚、科尔本等（EPA/600/R-98/157），管道水力冲刷技术都得到了实际的应用。相比于国外已经存在的众多管道水力冲刷应用案例，该类技术在国内应用并不多见，仅用于上海世博园区泵站调蓄池的Hydroself以及应用于北京地铁宋家庄站的HydroGuard Mini（Hydrass的变形）（李华飞，2012）。

文章针对现排水管道水力冲刷技术进行综述，主要将从水力冲刷技术形式、冲刷效果及设计三个方面进行阐述。

2 排水管道水力冲刷技术形式

现有的较为成熟的排水管道水力冲刷技术主要有三种典型形式，分别是Hydrass、Hydroself以及Biogest，均已申请了相应的专利。这些冲刷技术都是起源于欧洲，并最先在欧洲，尤其是在德国，开展了大量的应用。在清淤原理及过程上，上述三种冲刷技术类似。以一个冲刷循环为例，一个冲刷循环由蓄水、瞬时排水两个过程。其中蓄水过程是将管道内的污水进行集中储存，当蓄水量达到设定量时，瞬时排水过程自动启动，排水形成的冲刷水波对管道底部沉积物产生强烈冲刷作用，达到清淤效果。所述的冲刷技术不同的地方主要在于蓄水的方式不同，Hydrass的蓄水是借助安装在管道内部的铰链门在关闭状态下完成，Hydroself是借助建造在管道壁面一侧的蓄水池通过蓄水完成，而Biogest则是借助真空系统使储水库吸水完成。

2.1 Hydrass

Hydrass起源于法国，现在已经申请为专利技术而应用在各大城市。Hydrass的构造十分简单，如图1所示，是由一扇与管道截面形状相同平衡铰链门组成。Hydrass的工作主要分为以下几个步骤，如图2所示：（1）起始状态：铰链门因自身的重力而处于垂直状态；（2）工作状态：铰链门关闭时，其一侧逐渐蓄积的水推动阀板，铰链门瞬间打开，随后铰链门与水流方向平行，从而形成瞬时的大流量冲刷波将沉积在管道底部的污染物冲起；（3）回复状态：冲刷后，铰链门恢复垂直状态原位，并进入下一个循环。

2.2 Hydroself

起初Hydroself是针对在线式雨水调蓄池而开发，现在已经在管道清洗、截留设施冲刷等方面开展了应用。Hydroself是一种由蓄水池与由翻板闸门（水力控制）配合工作的管道冲刷技术，其组成主要有水力操控翻板闸门、蓄水池、浮板（或者泵）以及阀门，图3所示为一实际应用中的Hydroself构造图。其中浮板（或者泵）提供一定的水压以控制翻板闸门的开闭。Hydroself一般设计成自动运行。自动运行时，冲刷系统根据蓄水池内水位达到了预先设定的高度而自动启动，翻板闸门瞬间打开并形成“溃坝”式的冲刷水波，对管道内的沉积物进行冲刷。

2.3 Biogest

Biogest在结构构造上与Hydroself相似，是后者的一种变形形式。Biogest主要由储水库、真空泵系统组成；其工作原理为系统先对管道内水位进行探测，当管道内水位达到预设高度后，真空泵启动，储水库内空气被排空，进而储水库从管道内吸水直至蓄水池内水位达到预设高度后，真空泵停止工作；此后系统再次对管道内水位进行探测，当管道内水位符合开启隔膜阀条件时，储水库顶部的隔膜阀门开启，瞬间释放出储水库内存水，形成冲刷水流。

3 排水管道水力冲刷技术效果研究

针对排水管道水力冲刷技术，许多研究学者展开过相关试验研究与数值模拟。William C. Pisano（2004）曾针对马萨诸塞州剑桥地区的管道自动冲洗系统进行了分析，该自动冲洗系统收集降雨作为冲洗水并采用快速开启门（quick opening gates）方式完成对管道的冲洗。Bertrand-Krajewski（2006）等人針对Hydrass的清淤效果进行了研究，在法国里昂通过对一处人可进入的蛋形管道进行了为期四年的长期监测，分析了管道沉积物的沉积规律以及Hydrass对管道的冲淤效果，结果表明Hydrass是有效的，沉积物层在冲刷作用下不断往管道下游推移，在经过了9037次冲刷后，沉积物层向管道下游推移了近140m，研究还发现沉积物层重心位置与管道长度的比值与Hydrass的冲刷次数表现出强烈的线性相关性，在经过了超过12000次的观测后拟合出来的线性相关系数达到0.98，冲刷次数每增加一次，前述比值将增加约0.27。Alberto Campisano通过试验及模型研究了冲刷水流对管道沉积物的冲刷效果，试验中采用了0.1、0.13m两种水位的冲刷水流，结果显示，每次冲刷后沉积物层大约向前推移0.10m，而在分别冲刷了25次（0.1m水位）、15次（0.13m水位）后，沉积层基本被完全冲刷；模型分析中，采用了一维非恒定流圣维南方程及欧拉方程，并采用了二阶麦克马克格式进行数值求解，模型计算的结果与试验结果表现出了良好的吻合。Bong等人对冲刷门（tipping flush gate）的水力特性进行了研究，试验中采用d50为0.81mm的沉积物，结果表明，当沉积物厚度增加一倍时，将沉积物层推移1m所需要的冲刷次数平均增加1.45次。Qizhong Guo（2004）等人研究了冲刷门和真空冲刷装置对沉积物的冲刷效果，结果表明，冲刷沉积物量随冲刷装置的初始水位增高而增加，随水槽内水位增加而降低，当冲刷装置上游水位增加一倍的时候，沉积物的冲刷量增加约3倍，而沉积物上覆水在冲刷时对沉积物具有保护作用，当沉积层水位从0升高至2.5cm时，冲刷的沉积物量减少约51%；而冲刷装置的开启高度对冲刷沉积物量影响不大，当冲刷装置上游水位分别为86.4、44.5cm时，冲刷装置开启高度从7.6cm增加至22.9cm， 冲刷沉积物量分别只降低了14%、11%；冲刷门与真空冲刷装置两种方式的对比发现，两者差异性不大，经过6组冲刷试验发现真空冲刷装置的冲刷沉积物量比冲刷门约高6%。Williams（2009）研究了设置有流量控制设施的管道内的沉积与冲刷过程，重点探讨了快速开启门技术（rapid gate opening）的冲刷效果，针对颗粒状沉积物（granular sediment）的冲刷结果表明，每次冲刷的沉积物量主要取决于快开门的操作，而非沉积物负荷；采用300mm开启度的快开门对沉积物的冲刷量是100mm开启度的约30倍；而冲刷90%沉积物所需冲刷次数取决于沉积物类型及快开门的操作。快开门技术可以使大部分沉积物产生冲蚀并随水流冲刷至下游。

4 排水管道水力冲刷技术设计

为了使水力冲刷技术得到实际的应用，有一些研究人员针对相关技术开展了设计方面的研究，以期规范这些技术的设计。Campisano（2007）等人就针对冲刷门（flushing gate）的设计进行研究，在其研究中，主要运用的是一个基于无因次的圣维南-欧拉方程组的数值模拟，通过数值模拟的方式来获得冲刷门的设计参数，比如在管道内的位置、冲刷频率等。Campisano提供了一种设计参考：（a）根据沉积物孔隙度p和管渠坡度i选择其绘制的Ls/D（沉积层推移距离与管径的比值）与冲刷次数n的关系图组；（b）根据管壁相对粗糙系数ε与沉积物d50值选择具体关系图；（c）从具体关系图中可以分析冲刷时不同管道充满度对应的Ls/D值；（d）根据冲刷水量对应的等容曲线进行估计不同充满度下对应的Ls/D值。Campisano的研究结果还表明，随着管道坡度、沉积物孔隙度的增加以及沉积物粒径的减小，冲刷门的冲刷效果更好；在管道内流量一定的条件下，高流量、小次数的冲刷比低流量、多次数冲刷在操作上具有一定的优势。Goormans等人（2009）也对污水管道系统内的冲刷设施系统的设计方法进行了研究，认为冲刷设施在最小管道坡度时应保证冲刷时具有足够的剪切力，其次水动力模拟可以辅助设计冲刷设施的数量及位置，另外Goormans认为与冲刷设施设计时应注意设施所对应的集水面积，应根据于冲刷频率确定集水面积。

5 结束语

作为一种新型的管道清淤技术，水力冲刷技术具有其自身独特优势，维护成本低、防淤、清淤等特点使其受到许多研究人员的青睐，在不断深入研究这类新型技术同时，也积极推进这类技术的应用，尤其在国外，成功应用的案例较多。

现阶段在国内的管道清淤工作仍是以机械清通为主，其存在的问题也给水力冲刷技术的引入提供了契机，但一项新技术的应用需要结合实际情况进行针对性改进。水力平衡阀Hydrass技术的关键在于蓄水时的封闭性、冲刷时的通畅性，国内的排水管道往往由于源头控制不善等原因导致污水中缠绕性垃圾较多，这些垃圾很容易缠绕在Hydrass的平衡铰链上，导致蓄水不足、排水不畅而使其丧失既有功能。因此，应用Hydrass时须考虑在设施前端设置拦截措施或改善源头控制措施。Hydroself、Biogest十分类似，只是两者的蓄水方式不同，这两项技术的关键在于保证一定地下蓄水池容，这就要求在排水系统规划设计时给予考虑，而在排水系统已经建设完成的城市，新建地下蓄水池实施难度较大，因此，限制了这两项技术的应用。但对于待建、在建的城市排水系统可以考虑应用。同时，Hydroself、Biogest技术的蓄水池如果可以做成可移动式，结合运输车，这样可以在需要清通的地方应用这类技术，将大大提高其应用范围，同时也更加灵活、机动性更强。

参考文献

[1]Alberto Campisano， Enrico Creaco， Carlo Modica. Experimental and numerical analysis of the scouring effects of flushing waves on sediment deposits[J].Journal of Hydrology， 2004，299：324-334.

[2]A. Campisano， E. Creaco， C. Modica. Dimensionless approach for the design of flushing gates in sewer channels[J]， 2007，133（8）：964-972.

[3]Ashley R M， Fraser A， Burrows R， Blanksby J. The management of sediment in combined sewers[J]. Urban Water， 2010，2：263-275.

[4]C. H. J. Bong， T. L. Lau， A. Ab. Ghani. Hydraulics characteristics of tipping sediment flushing gate[J].Water Science & Technology， 2013，68（11）：2397-2406.

[5]Chebbo， G.， Laplace， D.， Bachoc， A.， Sanchez， Y.， and Le Guennec， B. Technical solutions envisaged in managing solids in combined sewer networks[J].Water Science & Technology， 1996，33（9）：237-234.

[6]CJJ 68-2007.城鎮排水管渠与泵站维护技术规程 [S].

[7]Gasperi J， Gromaire M C， Kafi M， Moilleron R， Chebbo G. Contributions of wastewater， runoff and sewer deposit erosion to wet weather pollutant loads in combined sewer systems[J].Water Research， 2010，44： 5875-5886.

[8]J. Gasperi， M. C. Gromaire， M. Kafi， R. Moilleron， G. Chebbo. Contributions of wastewater， runoff and sewer deposit erosion to wet weather pollutant loads in combined sewer systems[J]， Water Research， 2010，44：5875-5886.

[9]J.-L. Bertrand-Krajewski， J.-P. Bardin， C. Gibello. Long term monitoring of sewer sediment accumulation and flushing experiments in a man-entry sewer[J]， Water Science & Technology， 2006，54（6）：109-117.

[10]K. J. Williams， S. J. Tait， R. M. Ashley. In-sewer sedimentation associated with active flow control[J]， 2009，60.1：55-63.

[11]Qizhong Guo， Chi-Yuan Fan， Ramjee Raghaven， Richard Field. Gate and Vacuum Flushing of Sewer Sediment： Laboratory Testing[J].Journal of Hydraulic Engineering， 2004，130：463-466.

[12]R. W. Crabtree. Sediments in sewers[J].Journal of Water & Environment， 1989，3（6）：569-578.

[13]T. Goormans， D. Engelen， R. Bouteligier， P. Willems and J. Berlamont. Design of self-cleansing sanitary sewer systems with the use of flushing devices[J].Water Science and Technology， 2009，60.4：901-908.

[14]U.S.EPA. Sewer and Tank Sediment Flushing： Case Studies[J]. 1998， EPA/600/R-98/157.

[15]William C. Pisano， Owen C. O'Riordan， Frank J. Ayotte， James R. Barsanti， Dennis L. Carr. Automated Sewer and Drainage Flushing Systems in Cambridge， Massachusetts[J].Journal of Hydraulic Engineering， 2003，129（4）：260-266.

[16]William C. Pisano， Steve L. White， Owen O'Riordian. Implementation of Automated Sewer and Drainage Flushing Systems in Cambridge， Mass[J].Water Resources， 2004：1-10.

[17]边艳玲，董巍.排水管道中的清淤方法[J].黑龙江水利科技，2003，3：95.

[18]高安礼.窨井清掏机器人研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[19]李俊.城市排水管道的清淤问题[J].黑龙江水利科技，2004.

[20]李华飞.大管径排水管道水力清淤技术研究[D].重庆：重庆大学，2012.

[21]刘丽萍，白春燕.试谈排水管道的清淤问题[J].黑龙江科技信息，2002.

[22]潘国庆.不同排水体制的污染负荷及控制措施研究[D].北京：北京建筑工程学院，2007.

[23]孙勇，孙向东，孙建宇，等.排水管道清淤方法及开发新设备的构想[J].给水排水，1996，22（8）：52-54.

[24]孙慧修.排水工程（上册）第4版[M].北京：中国建筑公业出版社，1999.

[25]汤霞，陈卫兵，李怀正.城市排水系统沉积物特性及清淤方式研究进展[J].城市道桥与防洪，2013，3：106-110.

作者简介：刘振华（1990-），男，江西萍乡人，同济大学环境科学与工程学院硕士研究生。