中小型河道清淤技术方案设计研究

李嘉陵

(广东华迪工程管理有限公司，广州 510000)

1 工程背景

某河道底层淤积属于含水量较大的软黏土，平均含水率61%，平均容重1.1 g/cm3，具有高压缩性和低强度特性，常常以流塑形态存在。受自然和人为因素的影响，淤积物富含不同种类的营养元素，同时工业废水排放使淤积物中的Ni、Cr、Cm、pb、Zn和Cd等重金属含量明显超标，河道水质污染问题日趋严重[1]。为提高河道水资源的质量，恢复河道生态系统的良性循环，同时减少河道清淤带来的污染源问题，有必要对河道的清淤技术展开专项研究。

2 河道清淤方案

目前，常用的清淤方法包括排干清淤、水下清淤以及环保清淤3种方式。排干清淤具有施工流程简单、能处理大型、复杂垃圾等优势，但需要将河道水抽干，增加了临时围堰的工程费用；水下清淤一般分为抓斗式清淤、泵吸式清淤、普通绞吸式清淤、斗轮式清淤等，此种方式需要借助水上施工平台将淤泥从河道底部抽出，并堆放至指定位置，工作受环境的影响，施工效率一般；环保清淤是利用环保绞吸式清淤对河道水质进行优化，同时控制清淤时对水体环境的扰动，可以防止污染淤泥二次扩散的能力，能够处理大面积的受污染淤泥，具有对周边环境影响小、定位精度高等特点，但是淤泥弃场会占用大量土地资源，机械设备噪声也会给周边居民带来一定干扰[2-6]。

为充分发挥河道底层淤积物的经济社会价值，在河道清淤和水质净化基础上，可考虑将淤积物应用于农业生产。河道清淤+农田利用的技术方案不仅可以实现河道水质净化，提升河道防洪、蓄水能力，同时还可以将淤积物中的絮状物当作肥料用于农田灌溉，从而实现人、水、社会的和谐发展[7]。因此，有必要形成一套成熟的河道清淤和农田利用系统。该系统包括两个部分：第一部分是清淤系统，包括河底吸污口和出污池等结构组成，出污池布置在河道两岸边坡上，主要作用是将河道底层污染污泥抽出并储存在出污池；第二部分是农田利用系统，该系统包括进水池、小型电灌站、出水池、输水渠道等多个结构，主要作用是将出污池污泥通过净化和分离，将水重新排入河道或者用于其它用水，分类清理出来的絮状物可作为肥料进行农田灌溉。河道清淤和农田利用系统工作原理见图1。

图1 河道清淤和农田利用系统工作原理示意

3 清淤方案优化设计

3.1 模型建立

选取该河道长200 m的直线段作为研究对象，河道进出口宽度为20 m，河底宽度为10 m，河道深度为5 m(平均水深3.5 m+平均淤积深度1.5 m)，河道平均比降为1/4 500，河道的平均流速为0.5 m/s，河道固体壁面粗糙度指数取值为0.022，河道边坡的平均指数取值为1.0。利用ANSYS软件构建河道清淤系统模型，模型网格采用四面体划分，沿河道长宽方向取网络模块，沿深度方向将水流划分为10层。为提高模拟精度，对河体排污口附近采取部分网格加密处理，将模型划分为约760万个网格数量，见图2。

图2 河道清淤系统模型网格划分

3.2 方案设计

为了达到最佳的清淤效果，对河道清淤系统的吸污口布设进行方案设计，对吸污口个数、吸污口口径与河底宽度的比值两种参数对河道吸污口附近水流流态的影响进行对比分析。方案1-方案4保持吸污口口径与河底宽度的比值(0.9)不变，吸污口个数分别设置为4个、3个、2个和1个；方案5-方案6保持吸污口个数不变，吸污口口径与河底宽度的比值分别为0.7和0.5。河底吸污口几何参数和布置形式的具体布设方案见表1。

表1 河底吸污口具体布设方案

3.3 河道不冲流速

要想达到对河底淤泥的清除效果，必须使河水流速大于等于河道的不冲流速，因此引入河道的不冲流速：

V不冲=kQ0.1

(1)

式中：k为河道的不冲流速系数，取值情况见表2，在本河道工程中，河底淤积物容重为1.1 g/cm3，属于轻黏壤土，因此k值取0.57；Q为河道的设计流量值，本文Q=(20+10)×3.5÷2×0.5=26.25 m3/s。

表2 不同土壤性质k取值

通过计算，可得本河道的不冲流速为0.79 m/s。因此，要想达到河道底部的清淤效果，必须使流速大于等于0.79 m/s。

3.4 模拟结果分析

3.4.1 吸污口数量对流速的影响

当吸污口口径/河底宽度=0.9时，不同吸污口数量下入口前河道底部的平均流速见表3。从表3中可知，方案1有4个吸污口，由于河道上部水流被吸入上游的吸污口，同时水力损失的存在，使得下游吸污口的流速依次降低，即1#流速>2#流速>3#流速>4#流速，各吸污口底部流速高速区的覆盖面也在逐渐减小，吸污口对流速影响半径从上游到下游依次递减，最大底部冲刷流速为1#吸污口的0.51 m/s，不满足流速大于等于0.79 m/s的冲刷流速要求；方案2布设3个吸污口，1#、2#、3#吸污口的底部平均流速分别为0.69、0.61和0.55 m/s，均不满足大于等于不冲刷流速的要求；方案3布设2个吸污口，1#、2#吸污口的底部平均流速分别为0.71和0.63 m/s，也不满足大于等于不冲刷流速的要求；方案4仅布设1个吸污口，底部平均流速达到0.83 m/s，满足大于等于不冲刷流速的基本要求。从分析结果来讲，底部吸污口平均流速随着吸污口数量的减少而逐渐增大，因此当河道长度一定时，吸污口的数量并不是越多越好，吸污口的数量应满足底部平均流速大于等于不冲刷流速的基本要求。

表3 不同吸污口数量布设方案下底部流速特征

3.4.2 吸污口口径与河底宽度比值对流速的影响

当吸污口数量为1时，不同吸污口口径与河底宽度比值下的水力特征参数见表4。从表4中可知，随着吸污口口径的逐渐减小，河道底部的冲刷平均流速、流速分布均匀度以及断面过水量均呈逐渐增大的变化特征，方案4、方案5、方案6的底部平均冲刷流速分别为0.83、0.86和0.91 m/s，均满足大于等于不冲刷流速的相关要求；当吸污口口径减小后，吸污口的断面过水量逐渐增大，表明适当减小吸污口口径，可以提高清淤效率，但是过水断面还不是影响清淤效果的最主要指标。对于清除河道底部絮状沉积物的目的来讲，需要增大水平方向的流速，同时减小垂直深度方向的水流流速，此时流速分布均匀度显得格外重要。从不同深度的流速分布均匀度可以看到，方案6的流速分布均匀度最高，表明在此方案下的水流流态最好，可以达到最佳的清淤效果。

通过上述模拟计算分析，综合对比水流流速、流速断面均匀度以及断面过水量3个指标认为，当吸污口口径/河底宽度=0.5、吸污口数量为1个时，河道清淤系统的工作性能最优。

4 结 语

采用理论分析与数值模拟相结合的方式，对中小型河道的清淤技术方案进行了优化分析。结论如下：

1) 当吸污口口径/河底宽度一定时，随着吸污口数量的增加，吸污口底部冲刷平均流速、吸污口对流速影响半径以及底部流速高速区的覆盖面均呈逐渐减小的变化特征；当吸污口数量为1时，底部平均流速达到0.83 m/s，满足大于等于不冲刷流速的基本要求。

2) 当吸污口数量为1时，随着吸污口口径的逐渐减小，河道底部的冲刷平均流速、流速分布均匀度以及断面过水量均呈逐渐增大；当吸污口口径/河底宽度=0.5、吸污口数量为1个时，河道清淤系统的工作性能最优。