泵站漂浮物拦污栅拦截与过栅试验研究
2022-06-23仇宝云刘地袁连冲赵通
仇宝云，刘地，袁连冲，赵通
(1.扬州大学电气与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127；2.苏州市职业大学计算机工程学院，江苏 苏州 215000；3.南水北调东线江苏水源有限责任公司，江苏 南京 210000)
泵站、特别是排涝泵站，取水河道有大量漂浮物，包括水生植物和生活垃圾等，以水草、编织袋、塑料袋为主.为防止大量漂浮物、特别是大尺寸漂浮物随水流进入水泵，对水泵造成堵塞和破坏，在泵站进口设置拦污栅拦截漂浮物[1].拦污栅是由若干根相距一定间距的栅条、横梁和外框组成的格栅，要求能够拦截漂浮物，具有足够的强度、刚度和稳定性且过流阻力小[2-4].
但拦污栅也会对泵机组运行产生不利影响：拦污水头损失导致水泵扬程增大、流量减小、运行费用增加，进水水位下降加剧水泵空化和空蚀，产生振动和噪声[5].贺淑全[6]通过对某原型泵站研究发现栅面堵塞比为0.4、栅前平均流速为1.0 m/s 时，拦污水头损失为0.25 m；而栅面堵塞比为0.7、栅前平均流速为0.8 m/s时，拦污水头损失急剧增加，高达0.89 m.中小型泵站拦污清污劳动强度大，拦污水头损失大，而大型泵站清污量大，漂浮物处理难[7].拦污栅结构型式、布置方式、堵塞程度及位置等都会影响拦污效果和泵机组运行[8-10].当栅前水深、流速一定时，拦污栅拦污水头损失随栅面堵塞比和栅前流速增大而增大，随拦污栅倾斜角增大而减小，拦污水头损失是泵站能耗增加的主要原因之一.
因此，为减小拦污水头损失和清污量，在保证水泵不堵塞的情况下，允许小体积漂浮物通过水泵到达上游.目前缺少对泵站拦污栅漂浮物拦截与通过条件与规律的研究.
文中针对泵站拦污和清污问题，应用物理试验方法，多次观测不同性质和大小漂浮物在随水流行进过程中的状态，记录被拦污栅拦截和过栅的次数，通过归纳分析确定合理的拦污栅栅条间距，以确保对一定尺寸漂浮物有较高的拦截率，据此合理设计拦污栅，能够在水泵不堵塞的前提下，尽量加大拦污栅栅条间距，让较小漂浮物通过拦污栅和水泵，减小拦污水头损失和水泵机组运行费用，降低清污费用，节省拦污栅制造成本，保证泵站安全和高效运行.
1 试验装置与试验方法
1.1 试验装置
试验循环系统由试验段、泵装置段、出水测流段和过渡段组成，其中试验段依次由稳流栅、引水道、前池和前池内安装的试验拦污栅、防护拦污栅组成，如图1所示.
图1 试验循环系统图与观测段
试验拦污栅和防护拦污栅位于前池后端、进水流道前.试验拦污栅在前，有多种栅距，用于漂浮物拦截过栅试验；防护拦污栅在后，用于拦截穿过试验拦污栅的漂浮物，阻止其进入泵装置.
试验拦污栅结构及间距按原型制作，轴流泵站拦污栅栅条间距取为叶轮直径1/20，根据试验装置实际尺寸，对拦污栅结构尺寸进行设计，各试验拦污栅结构数据见表1，表中d为栅条间距，l为栅条厚度，h为栅高，b为栅宽.防护拦污栅边框和横梁与试验拦污栅相同，栅条采用直径2 mm的不锈钢丝焊接，栅距10 mm.
表1 试验拦污栅结构数据
1.2 试验方法
试验分别用水花生、枯树枝、旧布和塑料袋等作为拦污栅的典型漂浮物.水花生选用长度为15,30,40 cm，枯树枝选用粗细均匀且长度为15，20，30 cm，旧布分牛仔布和棉布2种材质，牛仔布选用边长23 cm×23 cm，13 cm×13 cm，9 cm×9 cm共3种，棉布选用边长28 cm×28 cm，23 cm×23 cm，13 cm×13 cm，9 cm×9 cm共4种.
试验过程中，安装选定的试验拦污栅，将进水池水位调节到合适高度，利用出水管调节阀控制水泵工况和水槽流量.将选定的漂浮物随机多次投放在引水道上游水面，漂浮物随水流流向前池和试验拦污栅，观察试验过程中漂浮物的运动特性和状态以及到达试验拦污栅时被拦截或穿过拦污栅的过程，并统计过栅次数，总结漂浮物过栅的各类情况.考虑到水流中有杂物，试验采用全宽堰测量流量，计算试验拦污栅过流断面平均流速，采用出水管压力表测量计算水泵扬程来校核流量.
1.3 试验步骤
1)选择栅条间距最小的试验拦污栅安装就位，试验装置按要求水位充水，启动水泵机组，调节水泵出水管上的调节阀，使流量满足需要.
2)对几种典型不同尺寸试验漂浮物分别进行试验.当系统稳定后，在同一流速下，将同类型和大小的单个漂浮物多次随机投放在引水道水流中，漂浮物随水流流向试验拦污栅，观测漂浮物的运动特性和在水中的姿态、到达试验拦污栅时被拦截或穿过拦污栅的过程，总结漂浮物过栅的各类情况，统计漂浮物过栅概率.
3)更换试验漂浮物的大小尺寸，重复步骤2)，直至同类型漂浮物所有尺寸试验完毕.
4)更换试验漂浮物的类型，重复步骤1)，2)和3)，直至所有类型及所有尺寸的漂浮物试验完毕.
5)更换不同栅条间距拦污栅，重复步骤1)，2)，3)和4)，直至所有栅条间距拦污栅试验完毕.
6)调节水泵出水管调节阀，调节试验流速，重复步骤1)，2)，3)，4)和5)，直至所有试验流速完成.
2 典型漂浮物拦截与过栅试验结果
根据试验结果拟合漂浮物过栅概率随栅条间距的变化规律，分析不同种类和尺寸的漂浮物过栅概率与水流流速、栅条间距的关系.
拟合不同水流流速时水花生长度分别为15,30,40 cm的过栅概率与栅条间距关系曲线.图2为流速0.574 m/s的试验结果.漂浮物过栅概率P与栅条间距关系为栅条间距越大，漂浮物过栅概率越大.漂浮物尺寸越大，过栅概率越小.由于15 cm枯树枝长度小于156.4 mm栅距，过栅概率100%；牛仔布和棉布的过栅概率随栅条间距的增大而增大，牛仔布的线性规律比棉布的更好，这是由于牛仔布质地较硬，在水流中及运动到栅前呈现平铺状态，展现的尺寸大小与原有尺寸相近；而棉布质地较软，易发生褶皱、成团状，运动展现的外轮廓尺寸随机性大.塑料袋的过栅概率随栅条间距增大而增大，对水流流速影响不大.
图2 水流流速0.574 m/s时水花生过栅概率随栅条间距变化
3 典型漂浮物过栅试验结果分析
3.1 漂浮物过栅概率试验结果统计
1)水花生.拟合水花生的过栅概率P随水花生长度与栅条间距比值(物距比δ)的关系如图3a所示.当物距比小于3.22时，过栅概率随物距比增大下降较快；当物距比大于3.22时，过栅概率随物距比增大下降趋于平缓；水花生的过栅概率随着流速的增大而减小，特别是当物距比较大时，为了保证漂浮物过栅概率不超过某个值(如25%)，当水流流速增大后，可以显著减小物距比(δ由6.00减小到4.10).当漂浮物尺寸一定时，可适当减小拦污栅栅条密度，从而降低拦污栅制造成本.
2)枯树枝.拟合枯树枝过栅概率与物距比的关系如图3b所示.当物距比小于2.15时，过栅概率随物距比增大下降较快；当物距比大于2.15时，过栅概率随物距比增大下降趋于平缓；物距比小于1.00时，枯树枝都能过栅.与水花生相反，枯树枝过栅概率随着流速增大略有增大，特别是当物距比较大时，为了保证漂浮物过栅概率不超过某个值(如40%)，水流流速增大后，需要显著增大物距比(δ由3.00增大到3.70)，拦污栅栅条密度增加，成本增大.
3)旧布.拟合单棉布的过栅概率与物距比的关系如图3c所示.当物距比小于2.54时，过栅概率随物距比增大下降较快；当物距比大于2.54时，过栅概率随物距比增大下降趋于平缓.单棉布的过栅概率随流速的增加变化不明显.23 cm×23 cm，13 cm×13 cm，9 cm×9 cm的块状牛仔布，在水中的运动呈现出中间平铺的状态，四角有不规则的翻转，并且整个牛仔布随水流翻动.28 cm×28 cm,23 cm×23 cm的块状单棉布，相对于牛仔布更容易发生褶皱，随水流翻转的频率远小于牛仔布.13 cm×13 cm,9 cm×9 cm的块状旧布，多呈现一种平铺的状态，并且随着尺寸的减小，发生褶皱可能性就越小.旧布质地和透水性也影响旧布运动姿态.
4)塑料袋.塑料袋过栅概率与物距比的关系如图3d所示，几乎呈线性变化.塑料袋过栅概率受水流流速影响不明显.干净塑料袋一般漂浮于水体上层，河流中的塑料袋大多黏附泥土等污物，多悬浮在水中，或处于水体底层.塑料袋大多质地柔软，在水流中易变形成团状，质地较硬的厚塑料袋在水流中呈展开状，姿态不易变化.
3.2 漂浮物过栅与拦截分析
3.2.1 漂浮物过栅与拦截机理
漂浮物过栅概率与漂浮物尺寸、质地、栅条间距、水流流速及其分布等有关.当漂浮物通过流速不均的断面或边界层处时，因受力不均，漂浮物将产生旋转、运动姿态改变，通常会增大漂浮物靠近拦污栅面的流入角(漂浮物长度方向与栅面夹角)，从而增大过栅概率.
设漂浮物长度为L，靠近拦污栅时，与栅面夹角为α，拦污栅栅条间距为d，栅前漂浮物在栅面的投影长度为Lα=Lcosα.分析漂浮物过栅与拦截情况：
1)L 2)d≤L<2d，Lα 3)L≥2d，Lα 3.2.2 不同漂浮物过栅概率比较分析 水流流速0.574 m/s时典型漂浮物过栅概率与物距比的关系如图4所示. 图4 典型漂浮物过栅概率与漂浮物长度和栅条间距比值关系比较 1)水花生与枯树枝.在物距比和水流流速相同的情况下，水花生的过栅概率略低于枯树枝. 水花生质地较软，枝桠、叶片、根须多，容易被栅条拦截，甚至被1根栅条拦住，被拦住后在水流作用下脱离栅条过栅的概率较小.而枯树枝质地较硬，不易变形，无叶片、少枝桠，几乎不会发生被1根栅条拦截的情况，相同长度时，枯树枝过栅概率稍大于水花生. 2)旧布与塑料袋.在物距比和水流流速相同的情况下，塑料袋的过栅概率大于旧布. 旧布表面粗糙度大于塑料袋，特别是布纺纱之间存在微小间隙，当受锐缘或尖物作用时，旧布纺纱间隙加大，从而大大增大旧布与栅条之间的摩擦力，旧布与栅条之间摩擦力比塑料袋与栅条之间的摩擦力大得多，旧布一旦被栅条拦截，容易黏住，在水流作用下不易脱离栅条过栅；另一方面，与旧布相比，塑料袋质地较软，在水流中易成团状，迎水面尺寸较小，更容易从2根栅条之间通过. 3)杆状硬质漂浮物与片状柔性漂浮物.在物距比和水流流速相同的情况下，杆状硬质漂浮物过栅概率高于片状柔性漂浮物. 一方面，杆状硬质漂浮物只有长度1个方向尺寸较大，近栅时有很大可能与栅面垂直或近于垂直，因此容易过栅.而片状柔性漂浮物2个方向尺寸较大，容易被拦截；另一方面，杆状硬质漂浮物与栅条之间的摩擦力较柔性片状漂浮物与栅条之间的摩擦力小得多，这导致杆状硬质漂浮物在被1根栅条拦截后会继续滑移，过栅概率大于柔性片状漂浮物. 根据泵站水泵叶轮大小、来流流速、漂浮物种类及尺寸，确定能够顺利通过水泵的典型漂浮物的最大尺寸，将其确定为保证大于该尺寸漂浮物过栅概率小于要求值的拦污栅临界物距比δc值，用以指导泵站拦污栅设计，在保证水泵安全运行的基础上，最大程度降低拦污栅制造成本和泵站清污成本. 按叶轮允许通过最大漂浮物尺寸，农村河道漂浮物以水花生、杂草、枯树枝为主，拦截水花生时，临界物距比δc在3.22左右，拦截枯树枝时，临界物距比δc在2.15左右，栅条间距要小于叶轮允许通过最大漂浮物长度的31%；城镇河道，生活垃圾和工业垃圾较多，旧布、塑料袋的δc在1.76～2.54，栅条间距与叶轮允许通过最大漂浮物长度的比值在0.50～0.56较合适. 由于柔性片状漂浮物及干枯草极易缠绕在拦污栅栅条上，特别是塑料袋和棉布，其阻水作用大，一旦拦截在几根栅条上，会造成栅前栅后水位差显著增大，因此，设计清污机时，要求清污机的齿耙定位准确、耙齿紧靠栅条侧面，这样才能有效清除黏附在栅条上的污物. 1)漂浮物过栅概率与漂浮物长度和栅距之比、漂浮物种类、质地和水流流速等因素有关.漂浮物过栅概率随物距比的增大而减小；水花生、枯树枝等呈长条状、质地较硬的漂浮物过栅概率大于旧布、塑料袋等质地柔软的漂浮物；水花生的过栅概率随流速增大而减小，枯树枝相反；旧布过栅概率小于塑料袋；杆状硬质漂浮物的分支越多，过栅概率越小. 2)典型漂浮物过栅概率与物距比的关系.当物距比小于3.22时，水花生过栅概率随物距比增大急剧下降，当物距比大于3.22时，过栅概率随物距比的增大而下降趋于平缓.对枯树枝，当物距比小于2.15时，过栅概率下降较快；物距比大于2.15时，过栅概率随物距比增大下降较为平缓.对单棉布，当边长物距比小于1.76时，过栅概率随物距比增大下降较快；当物距比大于2.54时，过栅概率随物距比增大下降趋于平缓；当物距比在1.76～2.54时，过栅概率随物距比增大下降较慢.水花生的临界物距比δc为3.22左右，枯树枝的δc在2.15左右，旧布、塑料袋的δc在1.76～2.54. 3)泵站拦污清污针对性设计.按叶轮允许通过最大漂浮物尺寸，农村河道漂浮物主要是水花生、杂草、枯树枝等，设计时栅条间距要小于水泵叶轮允许通过最大漂浮物尺寸的31%；城镇河道旧布、塑料袋等生活垃圾和工业垃圾较多，设计栅条间距要在水泵叶轮允许通过最大漂浮物尺寸的50%～56%倍.在保证水泵机组安全稳定运行的基础上，减小栅条密度，降低拦污栅制造成本，减小拦污栅水力损失和清污量.同时，要求清污机的齿耙定位准确、耙齿紧靠栅条侧面，才能有效清除黏附在栅条上的旧布和塑料袋等漂浮物.
3.3 泵站拦污清污对策
4 结 论
