升降式三角堰闸在生态排水沟中的应用及效应

邓海龙，谢亨旺，刘方平，李 昂，廖 伟

(江西省灌溉试验中心站 江西省农业高效节水与面源污染防治重点实验室 水利部鄱阳湖水资源水生态环境研究中心 江西 南昌 330201)

控水建筑物是生态沟拦截系统的重要组成部分，它在蓄积排水、调节适宜水位、促进沟内水生植物良好生长，延长农田排水在沟中的停留时间，发挥生态沟道对农田排水中所携带的氮磷等营养物质的吸附、吸收和降解功效起到了重要的作用。

常规排水系统只是单纯从水量方面满足农业高产和排水的要求，而未考虑排水沟渠净化水质的功效。为了满足排水系统原有的排水功能，又能起到改善农田生态环境的功效[1]，必须在原有排水系统的基础上构建新式生态型排水沟。由于常规排水系统是无控制的，必须改无控制排水系统为合理控制排水系统。目前，量水建筑物的种类有三角堰、矩形堰、预制宽顶堰等[2],它们的显著特点是固定式挡水，在遇到强降雨的情况下，需要提起或者打开堰(坝)体，恢复排水沟的排洪功能。因此，研发一种既能挡水又可以活动调节水位的量水建筑物就显得尤为必要。

1 升降式三角堰闸介绍

1.1 工作原理

升降式三角堰闸是结合运用流体力学、机械工程学及信息控制技术，研制而成的一种既能测量农田排水沟的排水量，又能调节并控制农田排水沟水深的升降式三角堰闸。通过电机旋转，带动与三角堰板相连接的螺旋杆上的启闭机实现上下移动。电机转速为1 500 转/min，启闭机的滑轮倍率为24。在工程过程中，矩形闸板和量水三角堰板平行叠装在不锈钢一体式闸室内，矩形闸板位于不锈钢闸室的底部，凹形闸板可依靠外力带动与其相连接的螺旋杆，实现上下移动，三角堰板与滑槽衔接，安插在凹型闸板上组合成一个整体式的三角量水堰。

1.2 结构组成

升降式三角堰闸是将拦水板和量水三角堰板平行叠装在一个框架内，组合形成一个量水三角堰板可升降的一体式闸门。升降式三角堰闸由不锈钢一体式闸室、矩形闸板、凹形闸板、三角堰板、启闭设备及通信设备等构成。如图1所示。

1-矩形闸板；2-凹形闸板；3-三角堰板；4-滑槽；5-止水橡胶；6-倒勾；7-门槽；8-螺旋孔；9-螺旋杆；10-连接杆；11-圆形旋转柄；12-不锈钢一体式闸室；13-预留孔；14-保护箱图1 升降式三角堰闸正视图Fig.1 Elevation view of lifting triangular weir sluice

1.3 主要功能

常规排水系统主要功能只是单纯从水量方面满足农业高产和排水的要求。安装升降式三角堰闸的生态型排水沟，流经区域更多，水流路径更长，水力效率和有效容积比升高有效解决了排水系统同时具备减污功能与合理控制排水的功能。

1.4 特定要求

当渠道水位在上升或者有壅水不利于量水堰精准测量时，可以提升量水堰高度，使过堰水流可始终保持理想的自由流计量状态，并创造出能够精准的测量条件[3]。矩形闸板在三角量水堰提升时，能够拦住渠道水流必须经过量水堰计量才能流过。当遇到强降雨天气是，这是就要提前将量水堰板和拦水板一起向上提起，全部放开渠道，实现排洪目的[4～8]，这时渠道的排水量按照闸孔自由出流的公式来进行计算。

2 升降式三角堰闸的主要特点

(1)升降式三角堰闸沿用了三角堰易于安装，造价便宜，容易量测水量，在旱季可以储水，管理简单等优点，当闸体上游段有碎片、垃圾等漂浮物时，可将三角堰板取出，增加过流断面尺寸，有利于垃圾、碎片等漂浮物下泄。

(2)升降式三角堰闸具备了普通闸门挡水、泄水的功能，又融合了三角堰量水的功能；同时，为满足不同类型排水沟道内不同湿地植被适宜生长水深的需要，通过升降三角堰板来调节排水沟道内蓄水的深度。

3 试验与应用

本试验在江西省灌溉试验中心站南昌县向塘实验基地生态型排水沟进行开展，对升降式三角量水设备量水精度及生态型排水沟的水力参数变化情况进行分析。升降式三角堰闸的宽度为0.50 m，底部的矩形拦水板的宽度为0.40 m,高度为0.20 m，三角堰板的宽度为0.30 m,堰高0.15 m。

3.1 水位量水精度试验分析

本系统量水设备选用XD-WSS超声波液位计，它是是以超声波技术与现代数字微处理技术相结合的监测技术产品。该仪器具有低功耗、隐匿性安装特点是专门针对野外应用而设计的，安装简单，性能稳定，精度高，可全面实现无人值守，内置GPRS通讯模块可直接与信息中心通讯，实现数据的无线远距离传输。

图2 升降式三角堰闸侧视图Fig.2 Side view of Lifting triangular weir sluice

图3 升降式三角堰闸的现场效果图Fig.3 Scene of lifting triangular weir sluice

在超声波液位计的正下方的位置，通过人工用水尺观测渠道内水位的大小，作为人工观测数据。在同一时刻获取XD-WSS超声波液位计的水位数据记为仪器自记数据。

从上述分析结果中可以看出，XD-WSS超声波液位计自计的数据与人工观测的数据相对误差范围在0～2.17%，均在5%的控制范围内。XD-WSS超声波液位计自动测量的精度满足要求。

3.2 有堰时不同排水强度下生态沟的水力参数分析

以种植菖蒲的生态沟为例，对其水力停留时间分布曲线进行分析，数据选自2013年和2014年罗丹明示踪试验数据。

表1 人工观测数据与XD-WSS超声波液位计自记数据分析表Tab.1 The analysis of the manual measurement and the automatic measurement of XD-WSS

(1)不同排水强度下生态沟的流速分析由图4可以看出：2013年和2014年生态沟流速变化趋势基本一致，不同排水流量下无堰时的流速要高于有堰工况，原因是有堰时三角堰的拦截作用使得沟内水位雍高，流速减缓。并表现出流速随着流量的增加呈现非线性增加，甚至会出现一定降低的现象。

图4 不同排水流量生态沟的流速Fig.4 The flow rate of the ecological ditch with different drainage flow

(2)不同排水强度下生态沟的平均停留时间分析。由图5可以看出：不同排水流量下有堰时水流的实际平均停留时间均高于无堰情况。在无堰情况下，示踪剂的实际平均停留时间随着流量的增加逐渐降低，且当流量较大或较小时，变化趋于平缓；有堰情况下，示踪剂流出沟段的时间表现出有所延长的现象。

图5 不同排水流量生态沟的平均停留时间Fig.5 Average residence time of ecological gully with different drainage flow

(3)不同排水强度下生态沟的有效容积分析。有效容积比为实际水力停留时间与理论停留时间的比值，表示湿地系统的有效利用情况，公式如下：

(1)

式中：Veffective为示踪剂流经过的有效容积，m3；Vtotal为湿地总体积，m3；e为湿地有效容积比。

由图6可以看出：有堰情况下，不同排水流量下有堰时沟段的有效容积比高于无堰时，分析其原因为：由于三角堰的拦截使水流与植物充分接触，提高了有效容积比。

(4)不同排水强度下生态沟的水力效率分析。水力效率是水流在湿地内分布的均匀程度，综合反映了湿地内部水流的状态，间接表明了污染物在湿地系统内部的转移输送、停留时间及被降解的能力，计算公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中：λ为水力效率；e为有效容积比；N为混合槽数；tp为沟段出口示踪剂浓度达到最大时所用的时间；tn为理论平均停留时间，h；tmean实际平均停留时间，h；σ2为方差，用于描述示踪剂浓度的响应曲线相对于分布平均值的分散范围。

由图7可以看出：有堰情况下，生态沟的水力效率均普遍高于无堰工况下的水力效率。主要原因是受到三角堰的拦截影响，致使生态沟内水体流速降低，水流停留时间延长，水流与植物充分接触，有效容积比得到提高。

图6 不同排水流量生态沟的有效容积比Fig.6 Effective volume ratio of ecological gully with different drainage flow

图7 不同排水流量生态沟的水力效率Fig.7 Hydraulic efficiency of ecological ditch with different drainage flow

图8 示范区平面布置图Fig.8 The layout plan of demonstration area

取样时期进口浓度/(mg·L)-1TNNH+4-NTP出口浓度TNNH+4-NTP去除率/%TNNH+4-NTP201606245.522.5940.342.010.7120.1563.59 72.55 55.88 201609201.460.1630.21.120.10.09723.29 38.65 51.50

3.3 应用效果分析

为了探究农田排水沟塘湿地系统在有堰运行管理模式下对农田面源污染物氮磷的去除效果，于2016在江西省南昌县向塘镇高田村礼坊自然村典型示范区展开早、晚稻生育期间农田排水取样检测。示范区面积约66.92 hm2，其中水域面积6.61 hm2，包括村前门塘3.53 hm2，村塘2 hm2。村地势低洼，遇强降雨容易产生内涝。根据地形，以东南方位的灌水入口点为高程基点20.0 m，西北向高程19.44 m，中部地区19.10～19.33 m，西南方位为19.63 m，东南方高程为19.43～20.0 m，最低点位于东北方位，为19.19 m，且为该地区的出口。两条生态型排水沟，一条长度约245.5 m，沟顶宽2～7.5 m，沟深0.6～1.5 m，淤积深度0.3～1.03 m；另一条长度约614.84 m，沟顶宽1.2～8.5 m，沟深0.6～2.5 m，淤积深度0.4～1.65 m,并安装升降式三角堰闸3处。生态沟内种植当地水生植物，茭白、芦苇、莲藕、水荠菜，边坡采取土质边坡与生态袋护坡相结合的方式，生态塘中央安装两处面积为20 m2的生态浮岛，两岸边坡种植常绿鸢尾、皇冠泽苔草、千屈菜、梭鱼草、再力花等水生植物。

综合监测数据分析得出：该示范区通过工程建设可减少总氮排放量0.17 t,折算为2 796.45 g/hm2，减少总磷排放量0.01 t，折算为111.9 g/hm2，按照防护费用法计算，环境效益达到1.80 万元。

4 结 语

升降式三角堰闸经过两年的试验与应用，及时发现问题，不断改进和完善，应用结果表明：升降式三角堰闸具有操作方便、功耗小、测量精度可靠、性能稳定等优点；安装升降式三角堰闸的生态沟，沟内水体流速降低，水流停留时间延长，水流与植物充分接触，有效容积比得到提高，对污染物质起到了较好的截留净化效果，当流量在0.5～2.8 L/s时，有堰情况下沟段的水力性能较好，当流量较大时，有堰时沟段滞留区比无堰时大，造成较大的厌氧区，不利于污染物的降解，当流量较小时，两种工况下污水的水力停留时间均较长，均能与污染物充分接触。所以，对安装堰闸条件下的生态沟，应当调节三角堰板的高度，控制适宜的水深，控制水体流速，发挥出生态沟对污染物质最好的截留净化效果,对保护鄱阳湖“一湖清水”具有重要的作用。

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