新型河道拦污防汛装置设计研究

梁契宗，刘莹，杨俊杰

（黑龙江大学水利电力学院，黑龙江 哈尔滨150080）

0 引言

如今，在水利工程河道的管理中，因各产业在飞速发展，人口密度也在逐步增大，导致大量的生活垃圾和产业垃圾不断的进入了河流，加上水生植物的泛滥发展，河流的污染逐步加剧，河流内的垃圾和水生植物如果不实时清算，将会给河流水的质量带来巨大的影响，像这样发展下去，不但影响人们的日常生活用水，而且对水的质量也会有造成很大的影响。除此之外，在河流上的垃圾清算起来比普通的垃圾清理较难，通常来说，在河流中对垃圾的拦截工作是由拦污栅来实现的，再经由人工的过程来将污染物或废物垃圾进一步的清理。可是，如今的技术中的拦污栅不能达到限时拦污也不能在河流排洪时起到防汛的作用，而且采取的拦污栅并不容易清洁干净，当停留的时间久了还会造成拦污栅因为堵塞而导致河水发臭现象，被滞留的垃圾或者水草也会侵蚀拦污栅并且腐烂，不仅导致河水发臭，还会影响拦污栅的拦截效果，使水质量以正反馈的形式不断恶化。由此可见，发明一种结构较为简单，节约人力资源，维护方便，且能高效的拦截污染物，实现河道自行清理滞留垃圾，并且可以实时限流，从而达到防汛的河道拦污防汛栅，具有很好的发展前景。

袁乃华[1]结合了谏壁抽水站进行研究，对抓斗式、回转式两种形式河道清污装置的方案进行了比较，得出抓斗式清污机制造价格较低、安装容易而且可靠性较高的结论。韩向远[2]结合泵站清污机进行研究，得出粟站需要具备河道清污功能和河道管理功能的结论，并建议人们采用挖掘机清污来代替单一功能菜站的专用河道清污机。吴淳[3]结合河道浮式拦污排进行研究，得出如果先行排漂，可以提高拦污、清污的能力，避免拦污栅因堵塞严重而造成停机的结论。钟永[4]结合了水电站拦污栅因堵塞而造成机组效率下降问题的研究，通过观察拦污栅清污前后机组调速器协联的关系，分析水头损失的原因，提出了避免和消除拦污栅堵塞增大水头损失的措施。方勇耕等[5]结合低水头河床式水电站水轮机进水口拦污栅经常严重堵塞的情况进行研究，讨论了外扩式拦污栅存在的问题，并提出其改进措施。何德峰等[6]简要分析比较现有儿种中小型水电站和泵站拦污栅清污机的形式及特点，提出污物处理方式和今后水电站和果站建设中选用清污机时应注意的问题。杨俊敬等[7]通过对清污机的主要参数和造价进行分析，得出了经济孔口的大小。曹瑚[8]通过江都抽水站东阐拦污栅的应用实践，对大型排灌泵站清污机应用及其存在的问题进行了研究。陶爱忠等[9]介绍了回转式清污机因水草而粘连的解决方案。刘军[10]介绍了南水北调江苏境内清污机的使用和需求。滕海波等[11]介绍了江苏省尘应站清污机系统的应用优点、运行经验及存在的不足。马蒂纳格兰德尔[12]介绍了德国巴特阿巴赫水电站的世界上最大的液压回转式拦污栅清污机[12]。胡嵩等[13]介绍了目前应用于粟站进水口的回转式（清污机、钢丝绳牵引格栅式清污机、移动式清污机）的特点。任玉珊等[14-15]简要的介绍了水电站用浮式清污机的结构和工作原理，并详细的分析了设计特点，以及设计思想的先进性，其设计具有较好的经济性和适用性。

基于以上学者的研究，本文提出并设计了一种新型水利河道拦污防汛装置[16]（以下简称“新型河道拦污防汛装置”），并同时解决了传统拦污装置在使用过程中存在的问题：

（1）拦污装置的拦污效率差；

（2）拦污装置不具备防汛功能；

（3）拦污装置不能自动收集垃圾的功能和实时限流；

（4）拦污装置容易出现挡板前的淤泥堆积、流通不畅的现象。

1 本文研究问题的描述

如今，在我国河流密布地区的河道管理工作中往往存在环境污染严重，导致河道水质量下降的问题。如长江、珠江、黄河、松花江、海河、辽河、淮河等七大重点流域的支流中都存在着不同程度的水环境污染。并且在这七大流域的支流中会因为缺少防汛装置无法在汛期实时调控水流，继而导致城市洪涝灾害的发生。下文将以水利河道拦污防汛装置作为研究对象，对其栅栏装置进行较为深入的探讨与研究，设计了一种具有高效率、高智能化（实时限流），既能实现拦污功能，又能实现防汛功能的新型拦污防汛装置，来解决上述的水环境污染和城市洪涝灾害难以调控的问题。主要从装置结构和实施方法以及可行性分析介绍了该新型拦污防汛装置的方案设计、可行性及优越性。为河道管理中水环境污染和城市洪涝灾害难以调控等河流整治问题提供了一条新的解决思路。

2 新型拦污防汛装置的方案设计

2.1 新型拦污防汛装置方案设计的总体思路

为了解决河道管理中河道污染逐渐加重、河道缺少防汛工具的问题，本文设计了一种新型拦污防汛装置，其方案设计的总体思路如下：

（1）利用驱动装置驱动活动刮板相向运动，实现垃圾能够集中的漂浮收集在挡板内侧，防止了垃圾随水流的随意飘动，便于清洁人员集中清除垃圾。从而高效地达到自动收集垃圾与清理河道垃圾的拦污功能；

（2）利用栅栏底部的条形通孔挡板，有效地使栅栏后侧的卷折挡板降落，从而起到条形通孔起到限流泄洪的作用；

（3）利用挡板前侧顶端的卷折挡板，有效地使调节该卷折挡板的升降，达到调节挡板上条形通孔的面积，从而起到实时限流的作用。

（4）利用挡板前侧的转轴及转轮，有效地使控制箱内部的驱动电机控制转轴转动，从而带动转轮转动，达到对挡板前的河底淤泥进行搅拌的作用，从避免挡板前的淤泥堆积，防止流通不畅现象的形成。

2.2 方案设计的装置结构及实施方法

2.2.1 方案设计的装置结构

为了改善我国河道管理中存在的污染逐渐加重而导致的水质量下降和河道缺少防汛工具的现状，避免河流的水质量下降和流通不畅、限流泄洪等问题的发生，并达到自动收集垃圾清理河道的功能和实时限流的效果，本方案中设计的新型河道拦污防汛装置各个部件的构成如图1所示，图中序号及其所代表的的元器件见表1。

图1 水利河道拦污防汛装置结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of the water interception and flood control device

2.2.2 方案设计的实施方法

由图1(a)～1(c)可知：一种水利河道拦污防汛装置包括固定架1、栅栏2、挡板3、条形通孔4、上滑轨5、下滑轨6、活动刮板7、驱动装置8、拦污板9、第一收纳腔10、卷折挡板11、第一控制箱12、转轴13、转轮14、第二收纳腔15、第二控制箱16和限位槽17，固定架1设置有两根，两个固定架1之间分别设置有栅栏2和挡板3，挡板3上开设有条形通孔4，栅栏2的顶端与底端的前侧壁分别设置有上滑轨5和下滑轨6，上滑轨5与下滑轨6之间滑动安装有活动刮板7，驱动装置8设置于上滑轨5顶端，两个固定架1的外侧壁上均安装有拦污板9，下滑轨6底端设置有第一收纳腔10，第一收纳腔10内部安装有卷折挡板11，卷折挡板11安装在辊轴上，辊轴的两端均转动安装在第一收纳腔10内壁上，挡板3的左右两侧于固定架1上分别固定安装有第一控制箱12，两侧的第一控制箱12之间转动连接有转轴13，转轴13上固定设置有转轮14，第二收纳腔15固定设置于栅栏2后侧壁顶端，第二收纳腔15的一端固定安装有第二控制箱16，栅栏2后侧壁底端设置有限位槽17。

具体的，栅栏2位于挡板3的正上方且与挡板3固定连接，活动刮板7设置有两个且两个活动刮板7均位于栅栏2的中央处，活动刮板7上设置有圆形通孔且两个活动刮板7相向运动，两个拦污板9的横截面为直角U型且相对设置，两个拦污板9相对应的侧壁上设置有圆形通孔，第一控制箱12内部设置有两个驱动电机，两个驱动电机的输出轴分别与第一收纳腔10内的辊轴一端和转轴13的一端固定连接，第二收纳腔15内部设置的装置与结构与第一收纳腔10的内部设置保持一致，第二控制箱16内部设置有驱动电机，驱动电机输出轴与第二收纳腔15内的辊轴的一端固定连接，第一收纳腔10与第二收纳腔15的底端均开设有供卷折挡板11通过的矩形开口，第二收纳腔15与限位槽17上下对应。

2.3 新型拦污防汛装置的工作原理

2.3.1 方案设计的拦污功能实现的工作过程

本装置使用时，将水利河道拦污防汛栅的栅栏整体按照a河道的宽度生产完成后，将拦污防汛栅整体树立并安装牢固，安装时将设置有活动刮板7的一侧正对河水顺流的方向，此时栅栏2能够对河道内的垃圾进行拦截，然后启动驱动装置8，驱动装置8驱动两个活动刮板7相向运动，从而将栅栏2表面的垃圾推移到两侧的拦污板9内，此时拦污板9将垃圾收集堆放在一起，方便河道清洁人员的集中清理。

2.3.2 方案设计的防汛功能的工作过程

当有洪水发生时，通过控制第二控制箱16内的驱动电机从而控制第二收纳腔15内的卷折挡板11下降，直至卷纸挡板11降落至限位槽17内，从而将栅栏2进行遮挡，行使防汛功能，此时水流可从栅栏2底端的挡板3上的条形通孔4流过，从而起到泄洪的作用，同时可根据洪水的流量大小，启动第一控制箱12内的驱动电机，对第一收纳腔10内的卷折挡板11进行升降调节，对条形通孔4的通过面积进行调节，从而起到限流泄洪的作用，第一控制箱12内与转轴13连接的驱动电机启动，转轴13转动，从而带动转轮14转动，使得转轮14搅动挡板4跟前的淤泥，使得淤泥分散便于从条形通孔4通过，避免堵塞现象发生。

3 新型拦污防汛装置方案设计的可行性分析

3.1 实验的可行性对比分析

根据杨兴丽[17]在对拦污装置可行性对比实验分析的研究，设计了如下实验。本实验采用莲叶一体化的水花生段作为拦截对象，实验时将水花生段均勾放入前河流中，让其随水的流动分别流到传统拦污栅和新型拦污防汛装置，等到水花生在拦污栅前聚集完毕并稳定后，精准的测量拦污栅中前后的水位差（即拦污阻力）。实验分别将前水深设置为：280 mm、300 mm、320 mm、340 mm、360 mm；流量分别设置为：2.50×10-3m3/s、2.40×10-3m3/s、2.20×10-3m3/s、2.10×10-3m3/s、2.00×10-3m3/s；水花生的体积分别设置为：0×10-3m3、5×10-3m3、10×10-3m3、15×10-3m3、20×10-3m3：等到水花生在拦污栅前聚集完毕并稳定后，对拦污栅前后水位差进行了精准的测量。

3.1.1 拦污阻力随水花生体积的变化规律的对比实验分析

图3 水深340 mm时新型拦污防汛装置拦污阻力随水花生量的变化Fig.3 Change of fouling resistance of new type of anti-smashing and antismashing device with water peanut volume when water depth is 340 mm

如图2、3所示，在5个不同流速下，不管是传统拦污装置还是新型拦污防汛装置，在水流的流速大于临界流速时，拦污阻力随水花生量的增加均成抛物线状增加，抛物线斜率也会随流速的增大而增大，但增速逐渐放缓，当流速增大到一定程度后即达到临界流速时，抛物线斜率开始减小，直到抛物线斜率为0，此时如流速继续增大，随水花生量的增加，拦污阻力的增加值很小。

从图2和图3的实验数据的比较，可以看在相同的水流的流速和水花生体积时，新型拦污防汛装置在水头损失上都优于传统拦污装置，并且新型拦污防汛装置在较低流速或较低的水花生体积时，新型拦污防汛装置相对于传统拦污装置的拦污水头损失率更少，优势更明显。

3.1.2 拦污阻力随流速的变化规律的对比实验分析

栅前水深HS=340 mm定值，栅前水花生体积分 别 为：5×10-3m3、10×10-3m3、15×10-3m3、20×10-3m3时，传统拦污装置与新型拦污防汛装置的拦污阻力随流速的变化如图4、5所示。从图4中可见，传统拦污装置在水流的流速小于临界流速时，水花生会在栅前聚集，阻塞栅面的水花生团枝叶之间会较疏松，后续的水花生大多会呈现出向来流方向铺幵的现象，较少会呈现出量水花生下潜的现象，从中可见水花生团的阻水效果不明显；随流速增大，水花生依旧会在栅前聚集，阻塞栅面的水花生团枝叶间隙也会逐渐减小，但下潜水花生的量会逐渐增多，栅面阻塞面积会逐渐增大，水花生团的阻水效果会愈加明显。随着流速增大，拦污阻力曲线会先缓慢上升（即在V=0.20×10-3m3/s～0.21×10-3m3/s段），再急剧上升（即在V=0.21×10-3m3/s～0.22×10-3m3/s段），等流速增大到一定程度后（即当V=0.21×10-3m3/s时）曲线趋于平缓，即流速增大到一定程度后，水花生枝叶间隙会达到饱和，透水率不再减小，拦污阻力也不会再增加，

即达到了极限值。实验时，放入进水池中的水花生数量越多，以上趋势会越明显，从图7中可见新型拦污防汛装置的拦污阻力与传统拦污装置也有与类似的趋势。

从图6和图7的实验数据的比较，可以看在相同的水流的流速和固有水头损失或10 L水花生水头损失、15 L水花生水头损失、20 L水花生水头损失时的条件，新型拦污防汛装置在水头损失上都优于传统拦污装置，并且新型拦污防汛装置在较低流速或较低的水花生体积时，新型拦污防汛装置相对于传统拦污装置的拦污水头损失率更加少，优势更加明显。

图4 传统拦污装置在水深时污阻力随流速的变化Fig.4 Variation of fouling resistance with flow rate in traditional water traps at water depth

图5 新型拦污防汛装置在水深340 mm时拦污阻力随流速的变化Fig.5 Change of fouling resistance with flow rate when the new interception and anti-snag device is 340 mm

3.1.3 拦污阻力随栅前水深的变化规律的对比实验分析

流量Q=2.24×10-3m3/s固定不变，即流量不变，栅前水花生体积分别为：5×10-3m3、10×10-3m3、15×10-3m3、20×10-3m3时，拦污阻力随栅前水深的变化如图6和图7所示。

图6 传统拦污装置在流量Q=2.24×10-3 m3时拦污阻力随栅前水深的变化Fig.6 The variation of the fouling resistance with the water depth before the gate at the flow rate Q=2.24×10-3 m3

图7 新型拦污防汛装置在流量Q=2.24×10-3 m3时拦污阻力随栅前水深的变化Fig.7 The change of the fouling resistance with the water depth before the grid at the flow rate Q=2.24×10-3 m3

如图6、7所示，传统拦污装置与新型拦污防汛装置的拦污阻力随栅前水深增加呈类似直线状递减，且在水花生量不同时，直线斜率也会不同。传统拦污装置在栅前水花生为10×10-3m3/s时，Hj～Hs线斜率约为-0.85，栅前水花生为时15×10-3m3/s，线斜率约为-1.35，两折线的斜率相差较大，随栅前水深的逐渐增加，两折线汇交于一点，即随水深的逐渐加，不同量水花生的拦污阻力差值减小较快，如图栅前水深为360 mm时，栅前水花生为10×10-3m3时的拦污阻力和栅前水花生为15×10-3m3/s时的拦污阻力基本相等，此后随着水深的不断增加，两个水头损失会相等且大小也将不再发生变化。从图9中可见新型拦污防汛装置的拦污阻力也有与传统拦污装置类似的趋势。

从图6和图7的实验数据的比较中，可以看出：在相同的水深和固有水头损失或10 L水花生水头损失、15 L水花生水头损失、20 L水花生水头损失的条件时，新型拦污防汛装置在水头损失上都优于传统拦污装置，并且新型拦污防汛装置在较低流速或较低的水花生体积时，新型拦污防汛装置相对于传统拦污装置的拦污水头损失率更加少，优势更加明显。

表3 传统拦污栅与新型河道拦污防汛装置的比较Table 3 Comparison of traditional trash racks and new river channel pollution control devices

3.2 技术实施的可行性

对本方案进行了如下的技术实施可行性分析。由本文设计的总体思路可知，该方案设计中的新型拦污防汛装置，相比于传统拦污防汛装置，该装置利用驱动装置驱动活动刮板相向运动，实现垃圾能够集中的漂浮收集在挡板内侧，防止了垃圾随水流的随意飘动，便于清洁人员集中清除垃圾。从而高效地达到自动收集垃圾清理河道的功能；利用栅栏底部的条形通孔挡板，有效地使栅栏后侧的卷折挡板降落，从而起到条形通孔起到限流泄洪的作用；用挡板前侧顶端的卷折挡板，有效地使调节该卷折挡板的升降，达到调节挡板上条形通孔的面积，从而起到实时限流的作用；利用挡板前侧的转轴及转轮，有效地使控制箱内部的驱动电机控制转轴转动，从而带动转轮转动，达到对挡板前的河底淤泥进行搅拌的作用，从避免挡板前的淤泥堆积，防止流通不畅现象的形成。最终实现了拦污防汛对河道管理效率的最大化。由此，该装置具有节能环保、低排放、高效率以及智能控制等优点。并且，根据本新型拦污防汛装置的方案设计，可以有效的避免污染逐渐加重的问题，从而使河道水的质量上升，以及弥补了河道缺少的防汛工具的现象，而且实现了限流泄洪和实时限流的作用，提高了拦污装置的利用率。从而，实现了高效的拦污防汛效果。并且，较普通拦污装置节能效果更显著，该装置具有很大的市场空间和推广价值。从上述中可见，本方案设计的技术在实施具有一定的可行性。

4 本方案设计新型河道拦污防汛装置的特色与创新之处

新型拦污防汛装置的特色与优越性，如下文所述，传统拦污栅与新型河道拦污防汛装置的比较详见表3。

（1）本文的新型河道拦污防汛装置具有自动收集垃圾的功能，驱动装置驱动活动刮板相向运动，从而将栅栏前侧拦截的垃圾向两边刮除，结合栅栏两侧挡板的设置，使得垃圾能够集中的漂浮收集在挡板内侧，防止了垃圾随水流的随意飘动，便于清洁人员集中清除垃圾。

（2）本文的新型河道拦污防汛装置的栅栏底部设置有挡板，挡板上开设有条形通孔，使得栅栏后侧的卷折挡板降落后，通过条形通孔起到限流泄洪的作用，挡板前侧顶端设置有卷折挡板，通过调节该卷折挡板的升降，能够调节挡板上条形通孔的面积，从而达到能够实时限流的作用。

（3）本文的新型河道拦污防汛装置的挡板前侧设置有转轴，转轴上设置有转轮，控制箱内部的驱动电机控制转轴转动，从而带动转轮转动，对挡板前的河底淤泥进行搅拌，避免挡板前的淤泥堆积，造成流通不畅。

5 结语

本文以水利河道拦污防汛装置为研究对象，对其栅栏装置进行了较深入的改进和创新，设计了一种具有既能实现拦污功能，又能实现防汛功能，高效率、高智能化（实时限流）的新型拦污防汛装置，并为用户节省了因为水质量降低而导致大量的大量资金耗费。根据其装置改进后的拦污防汛原理，可以最大限度的提高拦污装置的拦污效率和防汛实时限流功能，避免了传统拦污装置在河道低效率拦污以及河道缺少防汛装置的现象，并高效率防止了垃圾随水流的随意飘动，在相同条件下，明显的优于传统拦污装置性能。本文中提出并设计的高效拦污和具有实时限流防汛的河道拦污防汛装置，为解决河道管理中拦污低效以及缺少防汛装置的设计与发展提供了一条新思路，并适用于我国大多河流地区往往存在污染逐渐加重的环境，提高了拦污装置的使用率，促进了拦污装置在国大多河流地区的推广与普及。从上述中可见，本文所研究与设计的新型拦污防汛装置在不久的将来将会得到推广，具有广阔的应用前景和市场空间。