劉振華　李懷正　董夢珂

摘 要：城市排水管道淤積現(xiàn)象十分普遍，而淤積會帶來管道功能、環(huán)境生態(tài)、人身安全等方面的風險。傳統(tǒng)的一些排水管道清淤技術(shù)費時費力效率低，清淤成本過高。水力沖刷技術(shù)具有防淤、清淤功能及低成本、易維護的特點，在多個國家和地區(qū)得到了應(yīng)用。文章對排水管道沉積物水力沖刷技術(shù)進行了綜述，主要介紹了水力沖刷技術(shù)的主要技術(shù)形式、沖刷效果及其設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：城市排水；沉積物；水力沖刷技術(shù)

1 管道沉積物淤積及清淤技術(shù)

排水系統(tǒng)作為一個城市重要基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分，系統(tǒng)的健康與否關(guān)系到人們的生活及生存的環(huán)境（孫慧修，1996）。然而，排水管道淤積現(xiàn)象在排水系統(tǒng)中十分普遍。管道一旦發(fā)生淤積會帶來一系列的環(huán)境問題，首先由于淤積的存在減小了管道的水力輸送空間，進而導(dǎo)致上游發(fā)生溢流更加頻繁；其次沉積物中含有一定的有機組分，在微生物厭氧過程下會導(dǎo)致硫化氫、硫酸等硫化物的產(chǎn)生，對管道及環(huán)境帶來不良影響（Gent，1996、湯霞，2013）；另外管道沉積物也是雨天沖刷污染物的主要來源（Ashley，2010、Gasperi，2010）。因此，研究管道沉積物的產(chǎn)生、預(yù)防及清除成為一個兼具科學性與應(yīng)用性的課題。

管道沉積物的產(chǎn)生主要是水力條件的變化造成，當管段流速較低時，流體對顆粒物的攜帶能力不足以克服其自身沉降的趨勢，顆粒產(chǎn)生沉降，在管道底部形成沉積層。隨著時間推移，沉積層發(fā)生壓縮而提高自身穩(wěn)定性（Cabree，1989）。因此，定期對管道沉積物進行清理是一項具有實際意義的工作。在《城市排水管渠與泵站維護技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定排水管渠應(yīng)定期檢查、定期維護，保持良好的水力功能和結(jié)構(gòu)狀況（CJJ 68-2007）。

針對排水管道淤積狀況與特點，在實際清通中可以針對性地采取合理的疏通方式，以節(jié)省人力、物力，提高清通效率。按照清通技術(shù)的作用原理不同，現(xiàn)有的排水管道沉積物清通技術(shù)可以分為兩大類：機械清通技術(shù)、水力清通技術(shù)。前者包括絞車清淤法（劉麗萍，2002）、通溝機清淤（Dinkelacker，1992）、清淤球（孫勇，1996）等方法。而后者的主要代表如水沖清淤法（李俊，2004）、高壓水射法（邊艷玲，2003）等，且在水力清淤技術(shù)中，許多研究學者將一些成熟的方法申請了相關(guān)的專利，如水力平衡閥（Hydrass）（Williams，2009、潘國慶，2007）、水力自凈系統(tǒng)（Hydroself）（高安禮，2007）以及真空沖刷系統(tǒng)（BIOGEST）等。

與機械清通技術(shù)相比，水力清通技術(shù)以其特有的防淤、清淤功能及低成本、易維護的特點（Chebbo，1996、William C，2003、Goormans，2009、Campisano，2006）在許多城市和地區(qū)得到了應(yīng)用，如在德國的Marht Wiesentheid、Gemeinde Schauenburg， Stadt Kirchhain， Markt Grossostheim等城市，美國的密歇根、肯塔基以及加拿大的薩尼亞、科爾本等（EPA/600/R-98/157），管道水力沖刷技術(shù)都得到了實際的應(yīng)用。相比于國外已經(jīng)存在的眾多管道水力沖刷應(yīng)用案例，該類技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用并不多見，僅用于上海世博園區(qū)泵站調(diào)蓄池的Hydroself以及應(yīng)用于北京地鐵宋家莊站的HydroGuard Mini（Hydrass的變形）（李華飛，2012）。

文章針對現(xiàn)排水管道水力沖刷技術(shù)進行綜述，主要將從水力沖刷技術(shù)形式、沖刷效果及設(shè)計三個方面進行闡述。

2 排水管道水力沖刷技術(shù)形式

現(xiàn)有的較為成熟的排水管道水力沖刷技術(shù)主要有三種典型形式，分別是Hydrass、Hydroself以及Biogest，均已申請了相應(yīng)的專利。這些沖刷技術(shù)都是起源于歐洲，并最先在歐洲，尤其是在德國，開展了大量的應(yīng)用。在清淤原理及過程上，上述三種沖刷技術(shù)類似。以一個沖刷循環(huán)為例，一個沖刷循環(huán)由蓄水、瞬時排水兩個過程。其中蓄水過程是將管道內(nèi)的污水進行集中儲存，當蓄水量達到設(shè)定量時，瞬時排水過程自動啟動，排水形成的沖刷水波對管道底部沉積物產(chǎn)生強烈沖刷作用，達到清淤效果。所述的沖刷技術(shù)不同的地方主要在于蓄水的方式不同，Hydrass的蓄水是借助安裝在管道內(nèi)部的鉸鏈門在關(guān)閉狀態(tài)下完成，Hydroself是借助建造在管道壁面一側(cè)的蓄水池通過蓄水完成，而Biogest則是借助真空系統(tǒng)使儲水庫吸水完成。

2.1 Hydrass

Hydrass起源于法國，現(xiàn)在已經(jīng)申請為專利技術(shù)而應(yīng)用在各大城市。Hydrass的構(gòu)造十分簡單，如圖1所示，是由一扇與管道截面形狀相同平衡鉸鏈門組成。Hydrass的工作主要分為以下幾個步驟，如圖2所示：（1）起始狀態(tài)：鉸鏈門因自身的重力而處于垂直狀態(tài)；（2）工作狀態(tài)：鉸鏈門關(guān)閉時，其一側(cè)逐漸蓄積的水推動閥板，鉸鏈門瞬間打開，隨后鉸鏈門與水流方向平行，從而形成瞬時的大流量沖刷波將沉積在管道底部的污染物沖起；（3）回復(fù)狀態(tài)：沖刷后，鉸鏈門恢復(fù)垂直狀態(tài)原位，并進入下一個循環(huán)。

2.2 Hydroself

起初Hydroself是針對在線式雨水調(diào)蓄池而開發(fā)，現(xiàn)在已經(jīng)在管道清洗、截留設(shè)施沖刷等方面開展了應(yīng)用。Hydroself是一種由蓄水池與由翻板閘門（水力控制）配合工作的管道沖刷技術(shù)，其組成主要有水力操控翻板閘門、蓄水池、浮板（或者泵）以及閥門，圖3所示為一實際應(yīng)用中的Hydroself構(gòu)造圖。其中浮板（或者泵）提供一定的水壓以控制翻板閘門的開閉。Hydroself一般設(shè)計成自動運行。自動運行時，沖刷系統(tǒng)根據(jù)蓄水池內(nèi)水位達到了預(yù)先設(shè)定的高度而自動啟動，翻板閘門瞬間打開并形成“潰壩”式的沖刷水波，對管道內(nèi)的沉積物進行沖刷。

2.3 Biogest

Biogest在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上與Hydroself相似，是后者的一種變形形式。Biogest主要由儲水庫、真空泵系統(tǒng)組成；其工作原理為系統(tǒng)先對管道內(nèi)水位進行探測，當管道內(nèi)水位達到預(yù)設(shè)高度后，真空泵啟動，儲水庫內(nèi)空氣被排空，進而儲水庫從管道內(nèi)吸水直至蓄水池內(nèi)水位達到預(yù)設(shè)高度后，真空泵停止工作；此后系統(tǒng)再次對管道內(nèi)水位進行探測，當管道內(nèi)水位符合開啟隔膜閥條件時，儲水庫頂部的隔膜閥門開啟，瞬間釋放出儲水庫內(nèi)存水，形成沖刷水流。

3 排水管道水力沖刷技術(shù)效果研究

針對排水管道水力沖刷技術(shù)，許多研究學者展開過相關(guān)試驗研究與數(shù)值模擬。William C. Pisano（2004）曾針對馬薩諸塞州劍橋地區(qū)的管道自動沖洗系統(tǒng)進行了分析，該自動沖洗系統(tǒng)收集降雨作為沖洗水并采用快速開啟門（quick opening gates）方式完成對管道的沖洗。Bertrand-Krajewski（2006）等人針對Hydrass的清淤效果進行了研究，在法國里昂通過對一處人可進入的蛋形管道進行了為期四年的長期監(jiān)測，分析了管道沉積物的沉積規(guī)律以及Hydrass對管道的沖淤效果，結(jié)果表明Hydrass是有效的，沉積物層在沖刷作用下不斷往管道下游推移，在經(jīng)過了9037次沖刷后，沉積物層向管道下游推移了近140m，研究還發(fā)現(xiàn)沉積物層重心位置與管道長度的比值與Hydrass的沖刷次數(shù)表現(xiàn)出強烈的線性相關(guān)性，在經(jīng)過了超過12000次的觀測后擬合出來的線性相關(guān)系數(shù)達到0.98，沖刷次數(shù)每增加一次，前述比值將增加約0.27。Alberto Campisano通過試驗及模型研究了沖刷水流對管道沉積物的沖刷效果，試驗中采用了0.1、0.13m兩種水位的沖刷水流，結(jié)果顯示，每次沖刷后沉積物層大約向前推移0.10m，而在分別沖刷了25次（0.1m水位）、15次（0.13m水位）后，沉積層基本被完全沖刷；模型分析中，采用了一維非恒定流圣維南方程及歐拉方程，并采用了二階麥克馬克格式進行數(shù)值求解，模型計算的結(jié)果與試驗結(jié)果表現(xiàn)出了良好的吻合。Bong等人對沖刷門（tipping flush gate）的水力特性進行了研究，試驗中采用d50為0.81mm的沉積物，結(jié)果表明，當沉積物厚度增加一倍時，將沉積物層推移1m所需要的沖刷次數(shù)平均增加1.45次。Qizhong Guo（2004）等人研究了沖刷門和真空沖刷裝置對沉積物的沖刷效果，結(jié)果表明，沖刷沉積物量隨沖刷裝置的初始水位增高而增加，隨水槽內(nèi)水位增加而降低，當沖刷裝置上游水位增加一倍的時候，沉積物的沖刷量增加約3倍，而沉積物上覆水在沖刷時對沉積物具有保護作用，當沉積層水位從0升高至2.5cm時，沖刷的沉積物量減少約51%；而沖刷裝置的開啟高度對沖刷沉積物量影響不大，當沖刷裝置上游水位分別為86.4、44.5cm時，沖刷裝置開啟高度從7.6cm增加至22.9cm， 沖刷沉積物量分別只降低了14%、11%；沖刷門與真空沖刷裝置兩種方式的對比發(fā)現(xiàn)，兩者差異性不大，經(jīng)過6組沖刷試驗發(fā)現(xiàn)真空沖刷裝置的沖刷沉積物量比沖刷門約高6%。Williams（2009）研究了設(shè)置有流量控制設(shè)施的管道內(nèi)的沉積與沖刷過程，重點探討了快速開啟門技術(shù)（rapid gate opening）的沖刷效果，針對顆粒狀沉積物（granular sediment）的沖刷結(jié)果表明，每次沖刷的沉積物量主要取決于快開門的操作，而非沉積物負荷；采用300mm開啟度的快開門對沉積物的沖刷量是100mm開啟度的約30倍；而沖刷90%沉積物所需沖刷次數(shù)取決于沉積物類型及快開門的操作。快開門技術(shù)可以使大部分沉積物產(chǎn)生沖蝕并隨水流沖刷至下游。

4 排水管道水力沖刷技術(shù)設(shè)計

為了使水力沖刷技術(shù)得到實際的應(yīng)用，有一些研究人員針對相關(guān)技術(shù)開展了設(shè)計方面的研究，以期規(guī)范這些技術(shù)的設(shè)計。Campisano（2007）等人就針對沖刷門（flushing gate）的設(shè)計進行研究，在其研究中，主要運用的是一個基于無因次的圣維南-歐拉方程組的數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬的方式來獲得沖刷門的設(shè)計參數(shù)，比如在管道內(nèi)的位置、沖刷頻率等。Campisano提供了一種設(shè)計參考：（a）根據(jù)沉積物孔隙度p和管渠坡度i選擇其繪制的Ls/D（沉積層推移距離與管徑的比值）與沖刷次數(shù)n的關(guān)系圖組；（b）根據(jù)管壁相對粗糙系數(shù)ε與沉積物d50值選擇具體關(guān)系圖；（c）從具體關(guān)系圖中可以分析沖刷時不同管道充滿度對應(yīng)的Ls/D值；（d）根據(jù)沖刷水量對應(yīng)的等容曲線進行估計不同充滿度下對應(yīng)的Ls/D值。Campisano的研究結(jié)果還表明，隨著管道坡度、沉積物孔隙度的增加以及沉積物粒徑的減小，沖刷門的沖刷效果更好；在管道內(nèi)流量一定的條件下，高流量、小次數(shù)的沖刷比低流量、多次數(shù)沖刷在操作上具有一定的優(yōu)勢。Goormans等人（2009）也對污水管道系統(tǒng)內(nèi)的沖刷設(shè)施系統(tǒng)的設(shè)計方法進行了研究，認為沖刷設(shè)施在最小管道坡度時應(yīng)保證沖刷時具有足夠的剪切力，其次水動力模擬可以輔助設(shè)計沖刷設(shè)施的數(shù)量及位置，另外Goormans認為與沖刷設(shè)施設(shè)計時應(yīng)注意設(shè)施所對應(yīng)的集水面積，應(yīng)根據(jù)于沖刷頻率確定集水面積。

5 結(jié)束語

作為一種新型的管道清淤技術(shù)，水力沖刷技術(shù)具有其自身獨特優(yōu)勢，維護成本低、防淤、清淤等特點使其受到許多研究人員的青睞，在不斷深入研究這類新型技術(shù)同時，也積極推進這類技術(shù)的應(yīng)用，尤其在國外，成功應(yīng)用的案例較多。

現(xiàn)階段在國內(nèi)的管道清淤工作仍是以機械清通為主，其存在的問題也給水力沖刷技術(shù)的引入提供了契機，但一項新技術(shù)的應(yīng)用需要結(jié)合實際情況進行針對性改進。水力平衡閥Hydrass技術(shù)的關(guān)鍵在于蓄水時的封閉性、沖刷時的通暢性，國內(nèi)的排水管道往往由于源頭控制不善等原因?qū)е挛鬯欣p繞性垃圾較多，這些垃圾很容易纏繞在Hydrass的平衡鉸鏈上，導(dǎo)致蓄水不足、排水不暢而使其喪失既有功能。因此，應(yīng)用Hydrass時須考慮在設(shè)施前端設(shè)置攔截措施或改善源頭控制措施。Hydroself、Biogest十分類似，只是兩者的蓄水方式不同，這兩項技術(shù)的關(guān)鍵在于保證一定地下蓄水池容，這就要求在排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計時給予考慮，而在排水系統(tǒng)已經(jīng)建設(shè)完成的城市，新建地下蓄水池實施難度較大，因此，限制了這兩項技術(shù)的應(yīng)用。但對于待建、在建的城市排水系統(tǒng)可以考慮應(yīng)用。同時，Hydroself、Biogest技術(shù)的蓄水池如果可以做成可移動式，結(jié)合運輸車，這樣可以在需要清通的地方應(yīng)用這類技術(shù)，將大大提高其應(yīng)用范圍，同時也更加靈活、機動性更強。

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作者簡介：劉振華（1990-），男，江西萍鄉(xiāng)人，同濟大學環(huán)境科學與工程學院碩士研究生。