旋流排螺模型初步试验研究

王家生，闵凤阳，魏国远，李凌云，王俊洲

（长江科学院河流研究所，武汉 430010）

旋流排螺模型初步试验研究

王家生，闵凤阳，魏国远，李凌云，王俊洲

（长江科学院河流研究所，武汉 430010）

一些传统的水利血防措施（沉螺池、中层取水等）受多种条件的制约，工程效益难以充分发挥，研究新的水利血防措施势在必行。本研究借鉴旋流排沙的原理，研制了旋流排螺模型，并通过模型试验研究装置内的水流特性及排螺效果。结果表明：流量增大，流速以及紊动强度也随之增大；切向流速的径向分布中，靠近边壁的流速较大；在测流垂线上，切向流速分布中则以表层流速为最大；隔板对水流挤压使得在隔板边缘出现较大的轴向流速；模型内缘的径向流速比外缘径向流速更大。轴向紊动强度的分布为中上层大、底层小。在试验流量下，投入一定数量的钉螺，观测到模型排螺率达100%，表明旋流排螺技术是一种行之有效的排螺工程措施。

水利血防；旋流排螺；模型试验；水流结构；排螺率

2015，32（01）：28－32

1 研究背景

血吸虫病是我国主要寄生虫病之一，历史已久，传播广泛，危害严重。钉螺是血吸虫最大的病源载体，是血吸虫的唯一中间宿主。实践证明，控制钉螺扩散可有效阻断血吸虫病在当地的传播与流行。

随水流扩散是钉螺扩散的主要方式，而涵闸和渠道是钉螺扩散的主要途径，控制涵闸渠道钉螺扩散是水利血防工作的重点之一。传统的阻螺工程措施包括沉螺池和中层取水2种，沉螺池通过降低流速使钉螺沉淀［1］；中层取水工程避开表层和底层有螺水体，从中层无螺水体取水［2］。国内一些学者也开展了阻螺技术方面的研究工作，如吴昭武等［3］采用深层过水和设置防旋挡板的原理设计渠道分支口防钉螺扩散装置；李大美等［4］根据钉螺的生态水力学特性和计算水动力学（CFD）模拟计算结果设计无螺取水技术；方雄等［5］参考固液分离技术，结合钉螺的生物、物理特性采用水力旋流器分离钉螺。上述这些阻螺措施在控制钉螺扩散方面发挥了巨大作用，但易受多种条件的制约，工程的效益难以得到充分发挥，因此急需研究控制涵闸和渠道钉螺扩散的新技术和新方法来适应新形势的需求。

旋流排螺模型是借鉴旋流排沙的原理，通过模型内产生的螺旋流使水和钉螺分离。旋流排沙装置已在新疆等地的灌溉、引水等工程中得到了大量应用，其沉沙、排沙设施占用场地面积小而且排沙效率高，结构也较为简单。虽然钉螺与泥沙运动规律有一定的相似性，然而钉螺运动有其特有的规律，如何借鉴已有的旋流排沙技术和原理，使其适用于控制钉螺扩散，还需要进一步深入研究。本文通过模型试验研究旋流排螺模型的流场特性以及其阻螺效果。

2 试验装置与测试方法

2.1 试验装置及测试仪器

本试验在长江科学院九万方实验基地进行，试验装置采用旋流排螺模型。旋流排螺模型尺寸为：漏斗室直径2 m；漏斗径向底坡1/4.75；进水管宽0.3 m，高0.3 m；悬板宽0.3 m，长度为180°半圆周；在漏斗室高一半的部位留有1/4圆的缺口作溢水口；漏斗底孔直径为0.1 m，旋流排螺模型构造见图1。模型进水管道与圆柱相切，底孔连接窄水槽通过三角堰测量流量，连接底孔的管道设有阀门，可以通过调节阀门控制底孔出流流量；上部溢流口连接宽水槽，通过三角堰测量其流量，试验装置平面布置见图2。含螺水流从进水口进入模型后，钉螺会沿螺旋轨迹向底孔运动，再经底孔排入窄水槽，上部清水则从溢流口溢出到宽水槽中；窄水槽内收集钉螺进行灭螺处理，如果钉螺溢出到宽水槽会造成下游钉螺扩散。进口流量采用量水堰控制；利用Sonteck公司生产的Micro ADV三维流速仪（工作频率16MHz）观测装置内的流场。

图1 旋流排螺模型结构Fig.1 Structure of the vortex basin for oncomelania

图2 试验装置平面布置Fig.2 Floor p lan of the test equipment

2.2 测线布置及测试方法

试验流量为25，30，35L/s。共布置11个测流垂线，具体位置如图3所示，每个测线轴向上布置一定数量的测点，通过ADV测试各流量下切向、径向、轴向的流速及紊动强度。在进水口处用导管投放一定数量、大小不等的钉螺（尺寸为8.0 mm×3.0 mm～10 mm×5.0 mm和5.0 mm×3.0 mm～6.0 mm× 3.0 mm），测流试验后，排干宽水槽和窄水槽中的水，收集不同水槽内的钉螺。

图3 测线布置Fig.3 Layout ofmeasuring lines

2.3 数据分析及处理

通过winADV软件将ADV相关系数小于70%的流速数据过滤，计算各测点的三维时均流速；紊动强度是由脉动流速的均方根值来表征，即样品的标准偏差，如轴向的紊动强度为RMS［Vz′］＝。本文中的排螺效率为，其中S1为在窄水槽中回收的钉螺数目，S为在旋流排螺模型中投放的钉螺总数。

3 试验结果与分析

3.1 切向时均流速分布

前人关于漏斗螺旋流的切向流速分布规律，一直存在着2种不同的观点。一种观点认为螺旋流由外区的强迫涡与内区的自由涡耦合而成［6］，而另一种观点认为螺旋流运动为Rankine组合涡，即为核心区的强迫涡与外区的自由涡的耦合［7］。在自由涡区切向速度Vθ＝C/r，即流速随半径的增大而减小；在强迫涡区切向速度Vθ＝ωr，流速随半径的增大而增大。笔者认为螺旋流场的水流结构是与模型的边界条件即模型半径、底孔半径、进口与出口的形式位置、底坡等因素相关的。

通过试验数据可以看出，切向时均流速随着流量的增加而增大，整体上呈现的是越靠近边壁区域，流速越大。1号测线位于水流经隔板的出口处，其切向流速在不同流量下均是最大的。各流量下切向流速的轴向分布主要为表层流速最大，中下层流速较小，近似于明渠水流中的流速分布。如图4（a）所示，在30 L/s流量下1，2，3号和位于内缘的测线（如6号测线）的切向流速沿轴向从下往上逐渐增大，表层流速最大；外缘测线（如4号测线）在中下层流速最小，底层和表层的流速较大。如图4（b）所示，随流量增加，在35 L/s流量下1，2，3号和位于内缘的测线切向流速仍是表层最大，但底层流速有所增加；其余测线流速分布规律较小流量情况基本不变。

整体时均流速是水流切向、径向和轴向3个方向流速的合成速度，在本次试验中，切向流速的尺度比径向和轴向流速大得多，整体时均流速分布主要受切向流速分布的影响，因此本文不对整体时均流速再作分析。

3.2 径向时均流速分布

径向时均流速是表征水流向模型中心的速度，方向以指向中心为正，是影响钉螺能否输移到模型中心的重要因素。关于径向流速分布规律的研究资料较少，周著等人［8］认为，靠近底面的径向流速较大，而沿轴向逐渐减小；靠近中心区域的径向流速较大，而沿径向逐渐减小。

图4 不同流量下切向时均流速的轴向分布Fig.4 Time-average tangential velocity distribution along vertical direction in the presence of different flow rates

在旋流排螺模型中，径向流速分布比较复杂，不同垂线受到边界条件如隔板、底孔、溢流口的影响，流速分布有较大差异。通过试验数据可以看出，径向时均流速随着流量的增加而增大，位于内缘的测线（如9，10号测线）径向流速比外缘测线的径向流速大。流量25 L/s和流量35 L/s下的径向流速分布基本相同，3，10，11号测线径向流速基本为负值，其余测线径向流速正向占绝大多数；由图5（a）可见靠近溢流口处的2，3号测线，受到溢流口出流的影响，2号测线表层径向流速为负值，3号测线径向流速全部为负值。在流量35 L/s下，1，2，9号测线上，径向流速全为正向，而3，10，11号测线，径向流速绝大部分为负值；2号测线位于溢流口处流速为正，对于抑制钉螺溢出有利。靠近底部的点的径向流速较大，这表明漏斗底部有较强的底流，有利于底部钉螺向底孔输送。

图5 不同流量下径向时均流速的轴向分布Fig.5 Time-average radial velocity distribution along vertical direction in the presence of different flow rates

3.3 轴向时均流速分布

轴向（垂直方向）的流速是影响钉螺下沉的重要因素，本次试验中以向上为正向。从观测的结果来看，轴向流速大小要比切向流速小1个数量级，大多区域的轴向流速的大小只有几厘米每秒。

整体上轴向流速随着流量的增加而增大。进口流量的变化对于流场轴向流速分布的改变比较明显。随着流量的增加，7号测线的轴向流速由正值变成全为负值，6号测线轴向流速由负值变成全为正值，其余测线流速分布均有不同程度的变化。由图6可以看出，由于隔板对水流的挤压，邻近隔板的区域如1，2，3号测线都出现较大的正向轴向流速，上部分轴向速度为正，下部分轴向速度为负。2，3号测线位于溢流口附近，表层的轴向流速最大；在隔板出口处有水涌起，此处（1号测线）的向上流速是所有测线中最大的。向上的轴向流速对钉螺的沉降是极为不利的，有可能使钉螺从溢流口溢出。

图6 不同流量下轴向时均流速的轴向分布Fig.6 Time-average vertical velocity distribution along vertical direction in the presence of different flow rates

3.4 轴向紊动强度

关于紊动强度对钉螺的沉速影响的研究较少，R.Meyer曾指出紊动的作用将减低泥沙颗粒的沉速；Murray［9］的试验表明，颗粒沉速减小的程度随其紊动强度的增大而增大。本文选取轴向紊动强度的分布规律进行介绍。

整体上轴向紊动强度随着流量的增加而增大，靠近外缘的紊动强度比内缘的紊动强度略大。在各流量下，紊动强度最大的出现在1号测线。如图7（a）所示，在30 L/s流量下不同测线的轴向紊动强度在轴向的分布比较稳定，基本上都是中层或上层紊动强度较大，而往底层其轴向紊动强度减小。在模型中层，水体受到进口射流影响，上层受隔板、溢流口的影响，水流比较不稳定；模型底层边界条件稳定，紊动强度较小，这有利于钉螺的沉降。如图7（b）所示，随流量的增加，在35 L/s流量下不同垂线上的紊动强度的分布变化差异变大，1号测线仍然是中上层紊动强度最大，而其余测线轴向上紊动最大强度的位置变为下层或近底层。

图7 不同流量下1，2，3号测线轴向紊动强度的轴向分布Fig.7 Vertical turbulence intensity distribution of p lot 1 p lot 2 and p lot 3 along vertical direction in the presence of different flow rates

3.5 排螺效率

排沙漏斗不仅可以有效地处理推移质泥沙，而且可同时处理悬移质泥沙，对于粒径＞0.5 mm的推移质泥沙截沙达100%，粒径﹤0.5 mm的悬移质泥沙截沙率达90%以上［10］。钉螺与泥沙运动规律有一定的相似性，用几何尺寸来比较，最小体积的钉螺也比悬沙最大颗粒大，然而由于钉螺的比重小于泥沙的比重，若以悬沙的最大沉速作为判别钉螺能否以悬移方式扩散的标准，则河流中成螺一般不能以悬移方式扩散［1］。以推移质形式运动的钉螺，比含大量悬移质的泥沙更容易被排除。

含螺水流进入装置后，钉螺随水流在模型内部沿螺旋线运动，在指向中心的径向水流作用下向模型中心运动；越靠近中心，水流整体流速越小，钉螺越容易沉降；且钉螺愈向下沉，整体流速随水深增加而减小，钉螺逐渐沉淀在模型底部，在较强的底流作用下进入底孔被排出。由表1看出，在3个不同流量下，钉螺的排螺率均达100%。

表1 旋流排螺模型的排螺效果Table 1 Trap efficiency of oncomelania by vortex basin in experimental tests

A.R.Keshavarzi等人［11］的研究表明，在入口射流的影响下会产生2个螺旋二次流：一个形成于进口射流之下靠近底部，这是形成向底孔流动的重要原因；另一个形成于射流上部，形成于上部的螺旋流使得钉螺不能在模型中沉降，且将其带出溢流口。在射流入口之上、溢流口位置之下布置1个隔板，能够减弱上部螺旋流，延缓它的形成，并增强底部螺旋流。隔板的布置减弱了将钉螺带出溢流口的二次流，增加了钉螺运动到溢流口的距离，延长了钉螺在模型中的运动时间，有利于钉螺的沉降；同时，隔板会加大水流径向流速，促使钉螺更快地向底孔输移，并具有减弱进入漏斗水流紊动强度，稳定水流的作用［12］。

4 结 论

旋流排螺装置结构小，排螺率高且耗水率小。旋流排螺模型中的水流结构是与模型的边界条件如隔板位置、进口与出口条件、底坡等因素相关的。切向流速的轴向分布主要为表层流速最大，中下层流速较小，越靠近边壁，切向流速越大。内缘测线上的径向流速比外缘测线上的径向流速大，靠近溢流口的部位受溢流口出流影响，表层径向流速基本为负值；漏斗底部有较强的底流，靠近底部径向流速较大。由于隔板对水流的挤压，邻近隔板的区域出现较大的向上轴向流速。在模型中上层，水体受到进口射流以及隔板、溢流口的影响，水流比较不稳定，轴向紊动强度的分布为中上层大、底层小。

从排螺效果来看，3个流量下钉螺的排除效率都为100%，这表明了旋流排螺技术是一种有效的排螺工程措施。流量的增大会使得模型中的水流结构发生改变，模型内流速变大，钉螺从进口到中间底部出水口的时间变短，同时轴向流速的增加使得钉螺不易下沉，钉螺被带出溢流口的几率增加。当流量继续增大，关于模型能否继续有效排除钉螺的研究还待进一步开展。

［1］张 威，熊正安，潘庆?w，等.钉螺扩散方式及防止钉螺扩散工程研究［J］.人民长江，1993，（8）：45－47.（ZHANGWei，XIONG Zheng-an，PAN Qing-shen，etal.Diffusion and Prevention ofOncomelania［J］.Yangtze River，1993，（8）：45－47.（in Chinese））

［2］杨先祥，徐兴建，刘建兵，等.钉螺动水沉降及运动方式的实验研究［J］.中国血吸虫病防治杂志，1994，（3）：137－139.（YANG Xian-xiang，XU Xing-jian，LIU Jian-bing，etal.Experimental Research on Subsidence and Motion Pattern of Snails in Current Water［J］.Chinese Journal of Schistosomiasis Control，1994，（3）：137－139.（in Chinese））

［3］吴昭武，卓尚炯，吴秋泉，等.渠道分支口防钉螺扩散装置的实验研究［J］.中国血吸虫病防治杂志，2003，15（4）：298－299.（WU Zhao-wu，ZHUO Shang-jiong，WU Qiu-quan，et al.Experiment of Instrument Preventing from Snails in Canals［J］.Chinese Journal of Schistosomiasis Control，2003，15（4）：298－299.（in Chinese））

［4］李大美，王祥三，赖永根.无螺取水设计［J］.水电能源科学，2001，19（3）：85－88.（LI Da-mei，WANG Xiang-san，LAI Yong-gen.Design of Water Intakes for Oncomelania Control［J］.Hydroelectric Energy，2001，19（3）：85－88.（in Chinese））

［5］方 雄，尹常明.水力旋流防螺装置研究［J］.中国血吸虫病防治杂志，2004，16（6）：461－462.（FANG Xiong，YIN Chang-ming.A New Setting of Waterpower Revolving Flow for Preventing Oncomelania Snails［J］.Chinese Journal of Schistosomiasis Control，2004，16（6）：461－462.（in Chinese））

［6］CECEN K，BAYAZITM.Some Laboratory Studies of Sediment Controlling Structures［C］∥Proceedings of the Ninth Congress of ICID.International Society for Infectious Diseases，Moscow，July 28－August2，1975：107－111.

［7］ANWAR H O.Turbulent Flow in a Vortex［J］.Journal of Hydraulic Research，1969，7（1）：1－29.DOI：10.1080/00221686909500252.

［8］周 著，唐 毅，吴持恭.排沙漏斗水流结构及对输沙过程的影响［J］.水动力学研究与进展：A辑，1996，（2）：181－187.（ZHOU Zhu，TANG Yi，WU Chi-gong.Flow Field Measurements of the Sand Funnel and Its Influence on Sediment Transport［J］.Chinese Journal of Hydrodynamics，1996，（2）：181－187.（in Chinese））

［9］MURRAY SP.Settling Velocities and Vertical Diffusion of Particles in Turbulent Water［J］.Journal of Geophysical Research，1970，75（9）：1647－1654.

［10］侯 杰，王顺久.全沙排沙漏斗浑水流场特性及输沙规律［J］.泥沙研究，2000，（6）：30－39.（HOU Jie，WANG Shun-jiu.Sediment Fluid Flow Field Characteristics of the Sand Funnel and Its Sediment Transport Law［J］.Journal of Sediment Research，2000，（6）：30－39.（in Chinese））

［11］KESHAVARZIA R，GHEISIA R.Trap Efficiency of Vortex Settling Chamber for Exclusion of Fine Suspended Sediment Particles in Irrigation Canals［J］.Irrigation and Drainage，2006，55（4）：419－434.

［12］邱秀云，侯 杰，周 著.排沙漏斗的流场特性及输沙机理［J］.中国农村水利水电，1999，（4）：3－6.（QIU Xiuyun，HOU Jie，ZHOU Zhu.Flow Field Characteristics of Desilting Funnel and Its Sediment-bearing Mechanism［J］.China Rural Water and Hydropower，1999，（4）：3－6.（in Chinese） ）

（编辑：陈 敏）

Prelim inary M odel Test of Vortex Basin for Oncomelania Control

WANG Jia-sheng，MIN Feng-yang，WEIGuo-yuan，LILing-yun，WANG Jun-zhou
（River Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

As some traditionalwater conservancymeasures for schistosomiasis control（settling basin for oncomelania snail，and middle layer water intake projects）are restricted by a variety of conditions，it is imperative to conduct research on new measures of schistosomiasis control.In this research，vortex basin for oncomelania was developed based on the principles of desilting funnel，and model experimentwas carried out to research the flow characteristics and trap efficiency of oncomelania by the vortex basin.Results show that as flow rate increases，the flow velocity and turbulence intensity increases.The tangential velocity decreases bymoving from the center of themodel towards sidewall along radial direction and by moving from the bottom ofmodel to water surface along vertical direction.Large vertical velocity is found near the edge of deflector caused by the compress of deflector.Radial velocity at the inner edge is larger than that in outer regions.Vertical turbulence intensity inmiddle and upper partof flow is higher than that in low layer.Under different flow rates，a certain number of oncomelania snails are fed into themodel and it is observed that the trap efficiency reaches 100%.It shows that vortex basin for oncomelania is an effective engineeringmeasure.

schistosomiasis control；vortex basin for oncomelania；model experiment；flow structure；trap efficiency

R532.2；TV149.2

A

1001－5485（2015）01－0028－05

10.3969/j.issn.1001－5485.2015.01.006

2014－03－25；

2014－04－28

长江水利委员会血防项目（CKSG2013136/HL）

王家生（1976－），男，河南桐柏人，教授级高级工程师，主要从事水利血防、河流生态等研究，（电话）027－82927225（电子信箱）wangjiasheng2002＠126.com。

闵凤阳（1983－），男，湖北当阳人，工程师，硕士，主要从事河流生态及水利血防方面的研究，（电话）15172498397（电子信箱）minfengyang1983＠163.com。