蘇新裕

(惠州市華禹水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 惠州 516000)

1 概 述

淡水河是東江水系二級(jí)支流，位于東江一級(jí)支流西枝江下游的左岸，發(fā)源于深圳市(原為寶安縣)梧桐山以北；流經(jīng)深圳市、惠州市惠陽(yáng)區(qū)的淡水街道辦、秋長(zhǎng)街道辦、三和經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、永湖鎮(zhèn)及惠州市惠城區(qū)的三棟鎮(zhèn)，在紫溪口匯入西枝江。淡水河全流域集水面積為1 172 km2，河床平均坡降為0.57‰，全河長(zhǎng)95 km，河流彎曲度1.57，流域形狀系數(shù)0.305；河流上游和中游上段為河卵石、沙卵石質(zhì)河床，中游下段及下游為沙質(zhì)沙泥質(zhì)河床。淡水河主要支流有坪山水、橫嶺水、洋納水、周田水、沙田水、麻溪水、大坑水。

永湖鎮(zhèn)地處惠州市惠陽(yáng)區(qū)北部，南距惠陽(yáng)區(qū)12 km，北距惠州市區(qū)15 km，東距惠州(平潭)飛機(jī)場(chǎng)15 km，西距惠(州)深(圳)高速公路15 km?；莅拇蟮?、惠南大道、鎮(zhèn)平公路、莞惠高速公路和惠澳鐵路穿境而過(guò)，交通便利，四通八達(dá)。在過(guò)去，當(dāng)時(shí)人口較少，沒(méi)有大規(guī)模的工業(yè)，也未大量使用塑料，河流可以分解有機(jī)垃圾，因此河流仍然可以維持生態(tài)平衡。如今，永湖鎮(zhèn)是處在惠淡之間的中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)，屬市級(jí)中心鎮(zhèn)，全鎮(zhèn)實(shí)施“以農(nóng)為本、工業(yè)立鎮(zhèn)、科教興鎮(zhèn)”戰(zhàn)略，附近地區(qū)的工業(yè)迅速發(fā)展，而用以維護(hù)淡水河生態(tài)環(huán)境的環(huán)保設(shè)施卻極其不完備，淡水河周邊沒(méi)有設(shè)立任何垃圾回收站，也沒(méi)有現(xiàn)代化的生活垃圾處理設(shè)施，工廠(chǎng)的化學(xué)廢物和居民的生活垃圾都只能直接排入河中，使淡水河陷入了環(huán)保危機(jī)。河流表面鋪滿(mǎn)厚厚的一層垃圾，尤其是塑料垃圾，造成河道堵塞[1]；同時(shí)，垃圾的淤積和沉積導(dǎo)致河道行洪斷面減少。

本研究旨在開(kāi)發(fā)一套收集河流垃圾的模型，以收集河流中垃圾[2]。這項(xiàng)研究的最終目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)河流垃圾攔截器，以達(dá)到以下目的：①利用河流的湍流來(lái)捕獲大部分廢物；②基于經(jīng)濟(jì)考慮和效率考慮，確定二級(jí)支流；③防止廢物進(jìn)入主水道淡水河；④捕獲進(jìn)入受保護(hù)區(qū)域或從受保護(hù)區(qū)域釋放出的河流廢物，易于維護(hù)。

通過(guò)利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和粒子示蹤模塊，對(duì)河流垃圾截流器的幾種方案進(jìn)行仿真分析。本研究結(jié)果可作為未來(lái)河流垃圾截流器規(guī)劃與發(fā)展的決策參考。

2 設(shè)計(jì)思路與研究方法

河流垃圾截流器的概念來(lái)自于對(duì)河流自身狀況的觀(guān)察，在一些河流拐彎處，由于河流的湍流使得垃圾被截留，針對(duì)這種情況，本研究通過(guò)模型模擬以獲得最有效的廢物截留方案。

2.1 河流垃圾截流器天然水道形態(tài)改造初步設(shè)計(jì)

淡水河及其支流的自然形態(tài)多為直線(xiàn)形、彎曲形和U形。首先，通過(guò)簡(jiǎn)單的仿真建立、重建或細(xì)化多個(gè)三維模型，最終得到最合適的模型是直線(xiàn)形狀，但還需要進(jìn)一步發(fā)展研究。圖1為河流垃圾截流器的工作原理及其安裝方式[3]。

2.2 采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和粒子示蹤模塊進(jìn)行模擬

本研究使用的是Comsol Multiphysics 軟件。河流垃圾截留器模型采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和粒子示蹤模塊的組合建模，通過(guò)該軟件仿真建立多個(gè)三維河流垃圾截留器模型，進(jìn)行重建或細(xì)化，最終得到適合的河流垃圾截留器模型[4]。本研究的支持?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)自相關(guān)機(jī)構(gòu)、谷歌地球、直接觀(guān)測(cè)和攝影，這些數(shù)據(jù)包括河流的寬度和深度、體積流量、地圖和該地區(qū)的地形。由于假設(shè)水流帶來(lái)的廢物是一種顆粒，因此需要得到廢物的平均體積大小及其密度。

2.3 考慮安裝位置

在考慮河流垃圾截留器模型放置時(shí)，應(yīng)注意場(chǎng)址附近已經(jīng)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須用起重機(jī)吊出，并將垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)到垃圾車(chē)中，這些卡車(chē)要用來(lái)收集垃圾并運(yùn)到垃圾填埋場(chǎng)或其他地方，因此河流垃圾截留器選址應(yīng)靠近可用的道路；②選址應(yīng)靠近干流河流，以保護(hù)干流河流免受廢物進(jìn)入；③由于可能會(huì)產(chǎn)生更多的城市固體廢物，該選址應(yīng)靠近人口最密集的位置；④該站點(diǎn)應(yīng)利用現(xiàn)有的河流彎道，以最大限度減少工程和建設(shè)成本，且這個(gè)站點(diǎn)可用作最近社區(qū)的臨時(shí)垃圾場(chǎng)。

另一個(gè)考慮是當(dāng)?shù)卣茌牱秶膯?wèn)題。由于淡水河跨越許多地區(qū)，所以河流保護(hù)的責(zé)任劃分問(wèn)題較為復(fù)雜。假定每個(gè)地方政府都對(duì)其管轄區(qū)域負(fù)責(zé)，那么管轄區(qū)政府有責(zé)任捕獲進(jìn)入或從其管轄區(qū)域排出的河流廢物[5-6]。

3 結(jié)果和討論

3.1 為河流垃圾截留器建模所選擇的站點(diǎn)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

選定的站點(diǎn)是位于廣東省惠州市惠陽(yáng)區(qū)北部的永湖鎮(zhèn)。選擇永湖鎮(zhèn)的原因是該鎮(zhèn)近5年來(lái)新增工廠(chǎng)數(shù)量最多，現(xiàn)狀基礎(chǔ)設(shè)施不完善，20%的人口習(xí)慣于將城鎮(zhèn)固體垃圾排入河流。圖2為淡水河流域水系示意圖，途經(jīng)永湖鎮(zhèn)的支流直接匯入淡水河。圖3為永湖鎮(zhèn)地區(qū)的基本河流類(lèi)型，包括3種無(wú)約束單線(xiàn)組合：直線(xiàn)(圖3(a))、曲折(圖3(b))和蜿蜒(圖3(c))。

圖2 淡水河流域水系示意圖

圖3 基本河流類(lèi)型

淡水河支流下游部分主要包括低山丘陵和沖積平原兩個(gè)地形地貌河道：寬、淺、蜿蜒曲折，不易被淹沒(méi)，最近發(fā)生的洪水是由堵塞河流的廢物造成的。

表1為14條支流直接流入淡水河的流量數(shù)據(jù)，日平均流量為2.94 m3/s，平均寬度W為7.9 m。平灘寬度Wbf與平灘深度Dbf之比決定航道內(nèi)的速度和剪應(yīng)力分布。

表1 跨越永湖鎮(zhèn)地區(qū)的東江水系三級(jí)支流

(1)

根據(jù)羅斯根的說(shuō)法，當(dāng)比值W/D<12時(shí)，則可以假設(shè)深度D為2 m，坡度范圍小于2%。

3.2 河流垃圾截留器模型

河流垃圾截留器作為一種運(yùn)輸工具，其設(shè)計(jì)并沒(méi)有完全覆蓋河流，而是利用河流的水流將廢物引入網(wǎng)中。圖4中的藍(lán)線(xiàn)顯示的是仍可用于運(yùn)輸?shù)暮恿鞅砻娣e。

圖4 河流垃圾截留器3D模型(單位：m)

設(shè)RTI寬度W為8 m，深度D為2 m，排水量Q為2.94 m3/s，則：

(2)

其中：U為進(jìn)水速度，0.18 m/s。

根據(jù)U值，則可以根據(jù)式(3)計(jì)算雷諾數(shù)Re：

(3)

其中：L與D相關(guān)；v為水的運(yùn)動(dòng)黏度，1×10-6m2/s。

由計(jì)算結(jié)果可知，Re非常高(Re=3.6×105，Re>2 000)，因此必須使用湍流模型對(duì)流體進(jìn)行建模。在這種情況下，使用k-ε湍流模型，圖4中的所有邊界都是墻，除了入口和出口，邊界被指定為防滑邊界，無(wú)滑移邊界意味著流體相對(duì)于邊界的速度為零[7]。采用發(fā)展流作為進(jìn)口邊界條件，在出口邊界設(shè)定恒壓。

在這種情況下，河流廢物被視為一種顆粒。在Comsol Multiphysics軟件中，首先可以通過(guò)計(jì)算流場(chǎng)來(lái)進(jìn)行粒子跟蹤，然后計(jì)算粒子的運(yùn)動(dòng)，計(jì)算中也使用了重力和阻力等外力，對(duì)大粒子的阻力采用席勒-諾伊曼定律計(jì)算。河流垃圾多為農(nóng)業(yè)廢棄物和城市固體廢棄物的浮渣，假設(shè)為平均密度為680 kg/m3的大木材顆粒、直徑為0.3 m的球，選擇球形是因?yàn)闊o(wú)論其方向如何，它對(duì)迎面而來(lái)的流體呈現(xiàn)相同的面積。

3.3 河流垃圾截留器的模擬

圖5為河流垃圾截留器通道表面速度大小等值線(xiàn)(m/s)和速度矢量(白色箭頭)的分布。由圖5可知，從入口進(jìn)入的水碰到第一個(gè)隔板，隔板將水流分開(kāi)，形成一個(gè)強(qiáng)大的回流區(qū)；溪流繼續(xù)穿過(guò)網(wǎng)，將廢物留在網(wǎng)中；當(dāng)氣流通過(guò)第二隔板流向出口時(shí)，速度增加。

圖5 通道頂部表面的速度和速度矢量

在圖6中，球形顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡N=50，平均直徑0.3 m，密度680 kg/m3，水流速度為0.18 m/s。圖6中顯示所有的粒子都被捕獲，3個(gè)粒子被捕獲在通道的入口處，其余的47個(gè)粒子被捕獲在捕獲區(qū)的網(wǎng)上。水流中顆粒的運(yùn)動(dòng)由軌跡線(xiàn)表示，軌跡線(xiàn)的顏色表達(dá)式與質(zhì)點(diǎn)的速度成正比，單位為m/s。

圖6 球形顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

3.4 河流垃圾截留器的應(yīng)用

圖7為站點(diǎn)上河流垃圾攔截器的應(yīng)用示例。圖7中，挖掘機(jī)可將廢棄物運(yùn)進(jìn)廢料堆，也可直接運(yùn)進(jìn)垃圾車(chē)，此廢料堆可以作為最近社區(qū)的臨時(shí)垃圾場(chǎng)[8]。

圖7 河流垃圾截留器應(yīng)用實(shí)例

4 結(jié) 論

從模擬結(jié)果來(lái)看，該設(shè)計(jì)幾乎可以攔截所有的漂浮垃圾。之所以選擇直線(xiàn)設(shè)計(jì)，既因?yàn)檫@種形式的河流在惠州地區(qū)很常見(jiàn)，也因?yàn)樗怯行Ю煤舆呁恋氐囊环N方式。但是，要實(shí)施河流垃圾截留器，需要找一個(gè)低坡度的場(chǎng)地。

該模型設(shè)計(jì)有效地保護(hù)了三級(jí)支流穿過(guò)的區(qū)域，截留了從該區(qū)域進(jìn)入或排出的廢棄物。而且?guī)缀跛斜染W(wǎng)大的垃圾也能被捕獲，這是由于河流的寬度不足10m，回收的垃圾仍在起重機(jī)臂展內(nèi)，但也可以應(yīng)用于更大的范圍(二級(jí)河流)。