基于河道形状设计达到河流自动拦污模型研究——使淡水河永湖镇段河道恢复的方法模型

苏新裕

(惠州市华禹水利水电工程勘测设计有限公司，广东 惠州 516000)

1 概 述

淡水河是东江水系二级支流，位于东江一级支流西枝江下游的左岸，发源于深圳市(原为宝安县)梧桐山以北；流经深圳市、惠州市惠阳区的淡水街道办、秋长街道办、三和经济开发区、永湖镇及惠州市惠城区的三栋镇，在紫溪口汇入西枝江。淡水河全流域集水面积为1 172 km2，河床平均坡降为0.57‰，全河长95 km，河流弯曲度1.57，流域形状系数0.305；河流上游和中游上段为河卵石、沙卵石质河床，中游下段及下游为沙质沙泥质河床。淡水河主要支流有坪山水、横岭水、洋纳水、周田水、沙田水、麻溪水、大坑水。

永湖镇地处惠州市惠阳区北部，南距惠阳区12 km，北距惠州市区15 km，东距惠州(平潭)飞机场15 km，西距惠(州)深(圳)高速公路15 km。惠澳大道、惠南大道、镇平公路、莞惠高速公路和惠澳铁路穿境而过，交通便利，四通八达。在过去，当时人口较少，没有大规模的工业，也未大量使用塑料，河流可以分解有机垃圾，因此河流仍然可以维持生态平衡。如今，永湖镇是处在惠淡之间的中心乡镇，属市级中心镇，全镇实施“以农为本、工业立镇、科教兴镇”战略，附近地区的工业迅速发展，而用以维护淡水河生态环境的环保设施却极其不完备，淡水河周边没有设立任何垃圾回收站，也没有现代化的生活垃圾处理设施，工厂的化学废物和居民的生活垃圾都只能直接排入河中，使淡水河陷入了环保危机。河流表面铺满厚厚的一层垃圾，尤其是塑料垃圾，造成河道堵塞[1]；同时，垃圾的淤积和沉积导致河道行洪断面减少。

本研究旨在开发一套收集河流垃圾的模型，以收集河流中垃圾[2]。这项研究的最终目标是设计一个河流垃圾拦截器，以达到以下目的：①利用河流的湍流来捕获大部分废物；②基于经济考虑和效率考虑，确定二级支流；③防止废物进入主水道淡水河；④捕获进入受保护区域或从受保护区域释放出的河流废物，易于维护。

通过利用计算流体动力学和粒子示踪模块，对河流垃圾截流器的几种方案进行仿真分析。本研究结果可作为未来河流垃圾截流器规划与发展的决策参考。

2 设计思路与研究方法

河流垃圾截流器的概念来自于对河流自身状况的观察，在一些河流拐弯处，由于河流的湍流使得垃圾被截留，针对这种情况，本研究通过模型模拟以获得最有效的废物截留方案。

2.1 河流垃圾截流器天然水道形态改造初步设计

淡水河及其支流的自然形态多为直线形、弯曲形和U形。首先，通过简单的仿真建立、重建或细化多个三维模型，最终得到最合适的模型是直线形状，但还需要进一步发展研究。图1为河流垃圾截流器的工作原理及其安装方式[3]。

2.2 采用计算流体动力学和粒子示踪模块进行模拟

本研究使用的是Comsol Multiphysics 软件。河流垃圾截留器模型采用计算流体动力学和粒子示踪模块的组合建模，通过该软件仿真建立多个三维河流垃圾截留器模型，进行重建或细化，最终得到适合的河流垃圾截留器模型[4]。本研究的支持数据来自相关机构、谷歌地球、直接观测和摄影，这些数据包括河流的宽度和深度、体积流量、地图和该地区的地形。由于假设水流带来的废物是一种颗粒，因此需要得到废物的平均体积大小及其密度。

2.3 考虑安装位置

在考虑河流垃圾截留器模型放置时，应注意场址附近已经存在的自然河流的形成和用途：①河流垃圾截留器收集的垃圾必须用起重机吊出，并将垃圾转运到垃圾车中，这些卡车要用来收集垃圾并运到垃圾填埋场或其他地方，因此河流垃圾截留器选址应靠近可用的道路；②选址应靠近干流河流，以保护干流河流免受废物进入；③由于可能会产生更多的城市固体废物，该选址应靠近人口最密集的位置；④该站点应利用现有的河流弯道，以最大限度减少工程和建设成本，且这个站点可用作最近社区的临时垃圾场。

另一个考虑是当地政府管辖范围的问题。由于淡水河跨越许多地区，所以河流保护的责任划分问题较为复杂。假定每个地方政府都对其管辖区域负责，那么管辖区政府有责任捕获进入或从其管辖区域排出的河流废物[5-6]。

3 结果和讨论

3.1 为河流垃圾截留器建模所选择的站点和数据准备

选定的站点是位于广东省惠州市惠阳区北部的永湖镇。选择永湖镇的原因是该镇近5年来新增工厂数量最多，现状基础设施不完善，20%的人口习惯于将城镇固体垃圾排入河流。图2为淡水河流域水系示意图，途经永湖镇的支流直接汇入淡水河。图3为永湖镇地区的基本河流类型，包括3种无约束单线组合：直线(图3(a))、曲折(图3(b))和蜿蜒(图3(c))。

图2 淡水河流域水系示意图

图3 基本河流类型

淡水河支流下游部分主要包括低山丘陵和冲积平原两个地形地貌河道：宽、浅、蜿蜒曲折，不易被淹没，最近发生的洪水是由堵塞河流的废物造成的。

表1为14条支流直接流入淡水河的流量数据，日平均流量为2.94 m3/s，平均宽度W为7.9 m。平滩宽度Wbf与平滩深度Dbf之比决定航道内的速度和剪应力分布。

表1 跨越永湖镇地区的东江水系三级支流

(1)

根据罗斯根的说法，当比值W/D<12时，则可以假设深度D为2 m，坡度范围小于2%。

3.2 河流垃圾截留器模型

河流垃圾截留器作为一种运输工具，其设计并没有完全覆盖河流，而是利用河流的水流将废物引入网中。图4中的蓝线显示的是仍可用于运输的河流表面积。

图4 河流垃圾截留器3D模型(单位：m)

设RTI宽度W为8 m，深度D为2 m，排水量Q为2.94 m3/s，则：

(2)

其中：U为进水速度，0.18 m/s。

根据U值，则可以根据式(3)计算雷诺数Re：

(3)

其中：L与D相关；v为水的运动黏度，1×10-6m2/s。

由计算结果可知，Re非常高(Re=3.6×105，Re>2 000)，因此必须使用湍流模型对流体进行建模。在这种情况下，使用k-ε湍流模型，图4中的所有边界都是墙，除了入口和出口，边界被指定为防滑边界，无滑移边界意味着流体相对于边界的速度为零[7]。采用发展流作为进口边界条件，在出口边界设定恒压。

在这种情况下，河流废物被视为一种颗粒。在Comsol Multiphysics软件中，首先可以通过计算流场来进行粒子跟踪，然后计算粒子的运动，计算中也使用了重力和阻力等外力，对大粒子的阻力采用席勒-诺伊曼定律计算。河流垃圾多为农业废弃物和城市固体废弃物的浮渣，假设为平均密度为680 kg/m3的大木材颗粒、直径为0.3 m的球，选择球形是因为无论其方向如何，它对迎面而来的流体呈现相同的面积。

3.3 河流垃圾截留器的模拟

图5为河流垃圾截留器通道表面速度大小等值线(m/s)和速度矢量(白色箭头)的分布。由图5可知，从入口进入的水碰到第一个隔板，隔板将水流分开，形成一个强大的回流区；溪流继续穿过网，将废物留在网中；当气流通过第二隔板流向出口时，速度增加。

图5 通道顶部表面的速度和速度矢量

在图6中，球形颗粒运动轨迹N=50，平均直径0.3 m，密度680 kg/m3，水流速度为0.18 m/s。图6中显示所有的粒子都被捕获，3个粒子被捕获在通道的入口处，其余的47个粒子被捕获在捕获区的网上。水流中颗粒的运动由轨迹线表示，轨迹线的颜色表达式与质点的速度成正比，单位为m/s。

图6 球形颗粒运动轨迹

3.4 河流垃圾截留器的应用

图7为站点上河流垃圾拦截器的应用示例。图7中，挖掘机可将废弃物运进废料堆，也可直接运进垃圾车，此废料堆可以作为最近社区的临时垃圾场[8]。

图7 河流垃圾截留器应用实例

4 结 论

从模拟结果来看，该设计几乎可以拦截所有的漂浮垃圾。之所以选择直线设计，既因为这种形式的河流在惠州地区很常见，也因为它是有效利用河边土地的一种方式。但是，要实施河流垃圾截留器，需要找一个低坡度的场地。

该模型设计有效地保护了三级支流穿过的区域，截留了从该区域进入或排出的废弃物。而且几乎所有比网大的垃圾也能被捕获，这是由于河流的宽度不足10m，回收的垃圾仍在起重机臂展内，但也可以应用于更大的范围(二级河流)。