防蓝藻滤网在湖泊水环境保护中的应用与探究

胡 静

（上海勘测设计研究院 上海 200434）

防蓝藻滤网在湖泊水环境保护中的应用与探究

胡 静

（上海勘测设计研究院 上海 200434）

以东太湖防蓝藻滤网为对象,通过水槽试验,研究了不同实验条件下滤网的透水特性，得出了滤网在不同 阻水比例下的透水性曲线。利用水力学及数值拟合等手段，定量计算滤网等效曼宁糙率，发现滤网曼宁糙率系数随阻水比例的增大而呈非线性增大趋势。

滤网；糙率；水槽试验；东太湖

近年来，太湖蓝藻大面积爆发给城市供水带来了严重危机。为了防止蓝藻危害吴江市水源地安全，根据江苏省委、省政府要求，以太湖为水源的取水口一级保护区全部实施围栏保护工程。拟在蓝藻爆发期间，在保护桩之间通过悬挂工业滤网拦截高浓度蓝藻水团。鉴于此，本研究通过水槽实验装置，测定了滤网的阻水特性，并且得出了不同水深、阻水比例下的糙率值，可为围栏保护工程的实施提供科学决策依据。

1 水槽试验分析方法

为定量测定滤网的透水性及糙率，本次试验在华东师范大学河口海岸学国家重点实验室的可变坡式实验水槽进行，该水槽是集波、流、沙为一体的全自动水流基础理论研究实验设备，可进行清水和浑水、恒定流和非恒定流的实验。水槽全长30m，宽0.7m，高0.5m，试验段长15m，测验段长6m。试验中单点流速测量采用S o n t e k AD V声学多普勒流速仪和A L E CA E M-H R自容式电磁流速仪记录。

本次水槽试验共进行五种模拟方案组次试验，分别为双层滤网全断面阻水方案、单层滤网全断面阻水方案、单层滤网又考虑底部剪掉10c m、20c m和30c m三种方案。设滤网导致的局部水头损失为ΔH，则将其等价于L长度的明渠上的沿程损失后，可基于谢才公式（式1）和曼宁公式（式2）推求相应等效曼宁糙率。

式中，V为断面平均流速；C为谢才系数，谢才系数基于曼宁公式（式2）推求；R为水力半径，为过水断面面积W和湿周X的比值；J为水力坡降，为明渠水面单位距离落差，等于发生沿程水头损失的上下游侧水位差与其长度L的比值

式中，n为曼宁糙率系数。将式2代入式1可得滤网等效曼宁糙率计算公式3：

式中，Q为单宽流量；H为下游断面水深；W为过水断面面积，因本次试验用水槽宽度为0.50m，故有W=0.5m×H；X为湿周，因本次试验用水槽为矩形且宽度为0.50m，故有W=2H+0.5m。

2 试验结果

试验直接测量的为上下游水头差及相应的单宽流量及流速值，仅能得到局部水头损失，若要折算成等效糙率还需假定一个明渠长度L，L的长度可任意取值，考虑不同网格长度糙率之间的换算和结果的合理性，L暂取100m。

2.1 双层滤网全断面阻水方案

双层滤网全断面阻水方案下滤网阻水水头差与单宽流量表现为显著的乘幂关系（图1）。双层滤网全断面阻水且平均水力半径为0.165168m条件下，100m长度明渠等效曼宁糙率平均为0.51545。

图1 双层滤网全断面阻水方案下水头差与单宽流量的关系

2.2 单层滤网全断面阻水方案

由图2可见，单层滤网全断面阻水方案下滤网阻水水头差与单宽流量也表现为显著的乘幂关系。将本方案下各组次试验结果代入式3得单层滤网全断面阻水且平均水力半径为0.163526m条件下，100m长度明渠等效曼宁糙率平均为0.22530。

图2 单层滤网全断面阻水方案下水头差与单宽流量的关系

2.3 滤网底部剪掉10cm方案

滤网底部剪掉10c m方案下滤网阻水水头差与单宽流量仍然表现为显著的乘幂关系（图3）。阻水比例80.75%且平均水力半径为0.170993m条件下，100m长度明渠等效曼宁糙率平均为0.04495。

图3 单层滤网剪除底部10cm方案下水头差与单宽流量的关系

2.4 滤网底部剪掉20cm方案

网底部剪掉20c m方案下滤网阻水水头差与单宽流量仍然表现为显著的乘幂关系（图4）。平均阻水比例61.97%且平均水力半径为0.171261m条件下，100m长度明渠等效曼宁糙率平均为0.02083。

图4 单层滤网剪除底部20cm方案下水头差与单宽流量的关系

2.5 滤网底部剪掉30cm方案

底部剪掉30c m方案下滤网阻水水头差与单宽流量仍然表现为显著的乘幂关系（5）。阻水比例44.17%且平均水力半径为0.172540m条件下，100m长度明渠等效曼宁糙率平均为0.01338。

图5 单层滤网剪除底部30cm方案下水头差与单宽流量的关系

3 讨论

3.1 滤网阻水能力与断面阻水比例的关系

将本次水槽试验所得不同阻水比例条件下的等效曼宁糙率系数点绘于直角坐标系下得两者散点关系图（图6）。可见，曼宁糙率系数随阻水比例的增大而呈非线性增大趋势，相应多项式拟合方程为（相关系数为0.996）：

图6 单层围网阻水比例与等效曼宁糙率系数的关系

3.2 滤网阻水能力与水深条件的关系

为分析阻水比例相同但水深条件不同时滤网阻水能力的变化规律，这里简单将滤网引起的局部水头损失简单概化为两种，其一为水流流经滤网引起的局部水头损失，类似于拦污栅水头损失hl；其二为水流从滤网下部绕过引起的局部水头损失hj，类似于截门水头损失。相应水头损失hl、hj可采用式4和式5形式表达：

式中，ζl、ζj分别为滤网局部水头损失系数和绕流局部水头损失系数；v为滤网下游断面平均流速，等于水流单宽流量q与下游水深的比值H；g为重力加速度。滤网局部水头损失系数ζl与滤网线材形状β、线材厚度σ、网眼尺寸d及滤网倾斜角度α有关，参照拦污栅水头损失计算公式，具体可表达为式6形式。

绕流局部水头损失系数与截门阻水情况类似，主要与阻水百分比有关，如经典水力学推荐的截门过流引起的局部水头损失系数与阻水百分比的关系如图7所示。

图7 截门阻水百分比与水头损失系数的关系

由式5和式6可见，当采用相同规格、材质的滤网且滤网放置倾角相同时，对于过水单宽流量相同、阻水百分比相同但水深不同的情况下水流流过滤网网眼产生的局部水头损失，其水头损失系数相等，但相应局部水头损失数值上正比于下游断面平均流速的平方，即与水深的平方成反比，水深越深，则相应水流通过网眼产生的局部水头损失越小。

由图7和式5可见，当采用相同规格、材质的滤网且滤网放置倾角相同时，对于过水单宽流量相同、阻水百分比相同但水深不同的情况下水流绕过滤网下端产生的局部水头损失，其水头损失系数亦相等，但相应局部水头损失数值上正比于下游断面平均流速的平方，即与水深的平方成反比，水深越深，则相应水流绕过滤网下端产生的局部水头损失越小。综上所述，假定过水单宽流量相同，阻水百分比相同，滤网材质、规格以及摆放倾角相同的情况下，不同水深条件下滤网引起的水头损失关系可由式7定量表达，即滤网造成的水头损失与水深的平方成反比，水深越深，则相应水流绕过滤网下端产生的局部水头损失越小。

将式7与式3联立可得不同水深条件下等效曼宁糙率系数满足如下关系：

即当过水单宽流量相同，滤网阻水百分比相同，且滤网材质、规格以及摆放倾角均相同的情况下，不同水深条件下滤网产生的等效曼宁糙率系数与相应水力半径的2/3次方成正比。

4 结论

4.1 双层滤网全断面阻水且平均水力半径为0.165168m条件下，100m长度明渠等效曼宁糙率平均为0.51545。

4.2 单层滤网全断面阻水且平均水力半径为0.163526m条件下，100m长度明渠等效曼宁糙率平均为0.22530。

4.3 滤网等效曼宁糙率系数随阻水比例的增大而呈非线性增大趋势。4.4当过水单宽流量相同，阻水百分比相同，滤网材质、规格以及摆放倾角相同的情况下，滤网造成的水头损失与水深的平方成反比，水深越深，则相应水流绕过滤网下端产生的局部水头损失越小。

4.5 当过水单宽流量相同，阻水百分比相同，滤网材质、规格以及摆放倾角相同的情况下，不同水深条件下滤网造成的等效曼宁糙率系数与水力半径的三分之二次方成正比。

[1]李炜，徐孝平.水力学[M].武汉:武汉大学出版社，1999.

[2]陈椿庭，姜国干，李桂芬.水工模型试验[M].北京:水利电力出版社,1985.

胡静（1983-），男，工程师，从事工程规划设计。