升降式三角堰閘在生態(tài)排水溝中的應(yīng)用及效應(yīng)

鄧海龍，謝亨旺，劉方平，李 昂，廖 偉

(江西省灌溉試驗(yàn)中心站 江西省農(nóng)業(yè)高效節(jié)水與面源污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水利部鄱陽(yáng)湖水資源水生態(tài)環(huán)境研究中心 江西 南昌 330201)

控水建筑物是生態(tài)溝攔截系統(tǒng)的重要組成部分，它在蓄積排水、調(diào)節(jié)適宜水位、促進(jìn)溝內(nèi)水生植物良好生長(zhǎng)，延長(zhǎng)農(nóng)田排水在溝中的停留時(shí)間，發(fā)揮生態(tài)溝道對(duì)農(nóng)田排水中所攜帶的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸附、吸收和降解功效起到了重要的作用。

常規(guī)排水系統(tǒng)只是單純從水量方面滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)高產(chǎn)和排水的要求，而未考慮排水溝渠凈化水質(zhì)的功效。為了滿(mǎn)足排水系統(tǒng)原有的排水功能，又能起到改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的功效[1]，必須在原有排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建新式生態(tài)型排水溝。由于常規(guī)排水系統(tǒng)是無(wú)控制的，必須改無(wú)控制排水系統(tǒng)為合理控制排水系統(tǒng)。目前，量水建筑物的種類(lèi)有三角堰、矩形堰、預(yù)制寬頂堰等[2],它們的顯著特點(diǎn)是固定式擋水，在遇到強(qiáng)降雨的情況下，需要提起或者打開(kāi)堰(壩)體，恢復(fù)排水溝的排洪功能。因此，研發(fā)一種既能擋水又可以活動(dòng)調(diào)節(jié)水位的量水建筑物就顯得尤為必要。

1 升降式三角堰閘介紹

1.1 工作原理

升降式三角堰閘是結(jié)合運(yùn)用流體力學(xué)、機(jī)械工程學(xué)及信息控制技術(shù)，研制而成的一種既能測(cè)量農(nóng)田排水溝的排水量，又能調(diào)節(jié)并控制農(nóng)田排水溝水深的升降式三角堰閘。通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)與三角堰板相連接的螺旋桿上的啟閉機(jī)實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 轉(zhuǎn)/min，啟閉機(jī)的滑輪倍率為24。在工程過(guò)程中，矩形閘板和量水三角堰板平行疊裝在不銹鋼一體式閘室內(nèi)，矩形閘板位于不銹鋼閘室的底部，凹形閘板可依靠外力帶動(dòng)與其相連接的螺旋桿，實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，三角堰板與滑槽銜接，安插在凹型閘板上組合成一個(gè)整體式的三角量水堰。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

升降式三角堰閘是將攔水板和量水三角堰板平行疊裝在一個(gè)框架內(nèi)，組合形成一個(gè)量水三角堰板可升降的一體式閘門(mén)。升降式三角堰閘由不銹鋼一體式閘室、矩形閘板、凹形閘板、三角堰板、啟閉設(shè)備及通信設(shè)備等構(gòu)成。如圖1所示。

1-矩形閘板；2-凹形閘板；3-三角堰板；4-滑槽；5-止水橡膠；6-倒勾；7-門(mén)槽；8-螺旋孔；9-螺旋桿；10-連接桿；11-圓形旋轉(zhuǎn)柄；12-不銹鋼一體式閘室；13-預(yù)留孔；14-保護(hù)箱圖1 升降式三角堰閘正視圖Fig.1 Elevation view of lifting triangular weir sluice

1.3 主要功能

常規(guī)排水系統(tǒng)主要功能只是單純從水量方面滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)高產(chǎn)和排水的要求。安裝升降式三角堰閘的生態(tài)型排水溝，流經(jīng)區(qū)域更多，水流路徑更長(zhǎng)，水力效率和有效容積比升高有效解決了排水系統(tǒng)同時(shí)具備減污功能與合理控制排水的功能。

1.4 特定要求

當(dāng)渠道水位在上升或者有壅水不利于量水堰精準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，可以提升量水堰高度，使過(guò)堰水流可始終保持理想的自由流計(jì)量狀態(tài)，并創(chuàng)造出能夠精準(zhǔn)的測(cè)量條件[3]。矩形閘板在三角量水堰提升時(shí)，能夠攔住渠道水流必須經(jīng)過(guò)量水堰計(jì)量才能流過(guò)。當(dāng)遇到強(qiáng)降雨天氣是，這是就要提前將量水堰板和攔水板一起向上提起，全部放開(kāi)渠道，實(shí)現(xiàn)排洪目的[4～8]，這時(shí)渠道的排水量按照閘孔自由出流的公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

2 升降式三角堰閘的主要特點(diǎn)

(1)升降式三角堰閘沿用了三角堰易于安裝，造價(jià)便宜，容易量測(cè)水量，在旱季可以?xún)?chǔ)水，管理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)閘體上游段有碎片、垃圾等漂浮物時(shí)，可將三角堰板取出，增加過(guò)流斷面尺寸，有利于垃圾、碎片等漂浮物下泄。

(2)升降式三角堰閘具備了普通閘門(mén)擋水、泄水的功能，又融合了三角堰量水的功能；同時(shí)，為滿(mǎn)足不同類(lèi)型排水溝道內(nèi)不同濕地植被適宜生長(zhǎng)水深的需要，通過(guò)升降三角堰板來(lái)調(diào)節(jié)排水溝道內(nèi)蓄水的深度。

3 試驗(yàn)與應(yīng)用

本試驗(yàn)在江西省灌溉試驗(yàn)中心站南昌縣向塘實(shí)驗(yàn)基地生態(tài)型排水溝進(jìn)行開(kāi)展，對(duì)升降式三角量水設(shè)備量水精度及生態(tài)型排水溝的水力參數(shù)變化情況進(jìn)行分析。升降式三角堰閘的寬度為0.50 m，底部的矩形攔水板的寬度為0.40 m,高度為0.20 m，三角堰板的寬度為0.30 m,堰高0.15 m。

3.1 水位量水精度試驗(yàn)分析

本系統(tǒng)量水設(shè)備選用XD-WSS超聲波液位計(jì)，它是是以超聲波技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)字微處理技術(shù)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)技術(shù)產(chǎn)品。該儀器具有低功耗、隱匿性安裝特點(diǎn)是專(zhuān)門(mén)針對(duì)野外應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，安裝簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，精度高，可全面實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，內(nèi)置GPRS通訊模塊可直接與信息中心通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

圖2 升降式三角堰閘側(cè)視圖Fig.2 Side view of Lifting triangular weir sluice

圖3 升降式三角堰閘的現(xiàn)場(chǎng)效果圖Fig.3 Scene of lifting triangular weir sluice

在超聲波液位計(jì)的正下方的位置，通過(guò)人工用水尺觀(guān)測(cè)渠道內(nèi)水位的大小，作為人工觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。在同一時(shí)刻獲取XD-WSS超聲波液位計(jì)的水位數(shù)據(jù)記為儀器自記數(shù)據(jù)。

從上述分析結(jié)果中可以看出，XD-WSS超聲波液位計(jì)自計(jì)的數(shù)據(jù)與人工觀(guān)測(cè)的數(shù)據(jù)相對(duì)誤差范圍在0～2.17%，均在5%的控制范圍內(nèi)。XD-WSS超聲波液位計(jì)自動(dòng)測(cè)量的精度滿(mǎn)足要求。

3.2 有堰時(shí)不同排水強(qiáng)度下生態(tài)溝的水力參數(shù)分析

以種植菖蒲的生態(tài)溝為例，對(duì)其水力停留時(shí)間分布曲線(xiàn)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)選自2013年和2014年羅丹明示蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 人工觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)與XD-WSS超聲波液位計(jì)自記數(shù)據(jù)分析表Tab.1 The analysis of the manual measurement and the automatic measurement of XD-WSS

(1)不同排水強(qiáng)度下生態(tài)溝的流速分析由圖4可以看出：2013年和2014年生態(tài)溝流速變化趨勢(shì)基本一致，不同排水流量下無(wú)堰時(shí)的流速要高于有堰工況，原因是有堰時(shí)三角堰的攔截作用使得溝內(nèi)水位雍高，流速減緩。并表現(xiàn)出流速隨著流量的增加呈現(xiàn)非線(xiàn)性增加，甚至?xí)霈F(xiàn)一定降低的現(xiàn)象。

圖4 不同排水流量生態(tài)溝的流速Fig.4 The flow rate of the ecological ditch with different drainage flow

(2)不同排水強(qiáng)度下生態(tài)溝的平均停留時(shí)間分析。由圖5可以看出：不同排水流量下有堰時(shí)水流的實(shí)際平均停留時(shí)間均高于無(wú)堰情況。在無(wú)堰情況下，示蹤劑的實(shí)際平均停留時(shí)間隨著流量的增加逐漸降低，且當(dāng)流量較大或較小時(shí)，變化趨于平緩；有堰情況下，示蹤劑流出溝段的時(shí)間表現(xiàn)出有所延長(zhǎng)的現(xiàn)象。

圖5 不同排水流量生態(tài)溝的平均停留時(shí)間Fig.5 Average residence time of ecological gully with different drainage flow

(3)不同排水強(qiáng)度下生態(tài)溝的有效容積分析。有效容積比為實(shí)際水力停留時(shí)間與理論停留時(shí)間的比值，表示濕地系統(tǒng)的有效利用情況，公式如下：

(1)

式中：Veffective為示蹤劑流經(jīng)過(guò)的有效容積，m3；Vtotal為濕地總體積，m3；e為濕地有效容積比。

由圖6可以看出：有堰情況下，不同排水流量下有堰時(shí)溝段的有效容積比高于無(wú)堰時(shí)，分析其原因?yàn)椋河捎谌茄叩臄r截使水流與植物充分接觸，提高了有效容積比。

(4)不同排水強(qiáng)度下生態(tài)溝的水力效率分析。水力效率是水流在濕地內(nèi)分布的均勻程度，綜合反映了濕地內(nèi)部水流的狀態(tài)，間接表明了污染物在濕地系統(tǒng)內(nèi)部的轉(zhuǎn)移輸送、停留時(shí)間及被降解的能力，計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中：λ為水力效率；e為有效容積比；N為混合槽數(shù)；tp為溝段出口示蹤劑濃度達(dá)到最大時(shí)所用的時(shí)間；tn為理論平均停留時(shí)間，h；tmean實(shí)際平均停留時(shí)間，h；σ2為方差，用于描述示蹤劑濃度的響應(yīng)曲線(xiàn)相對(duì)于分布平均值的分散范圍。

由圖7可以看出：有堰情況下，生態(tài)溝的水力效率均普遍高于無(wú)堰工況下的水力效率。主要原因是受到三角堰的攔截影響，致使生態(tài)溝內(nèi)水體流速降低，水流停留時(shí)間延長(zhǎng)，水流與植物充分接觸，有效容積比得到提高。

圖6 不同排水流量生態(tài)溝的有效容積比Fig.6 Effective volume ratio of ecological gully with different drainage flow

圖7 不同排水流量生態(tài)溝的水力效率Fig.7 Hydraulic efficiency of ecological ditch with different drainage flow

圖8 示范區(qū)平面布置圖Fig.8 The layout plan of demonstration area

取樣時(shí)期進(jìn)口濃度/(mg·L)-1TNNH+4-NTP出口濃度TNNH+4-NTP去除率/%TNNH+4-NTP201606245.522.5940.342.010.7120.1563.59 72.55 55.88 201609201.460.1630.21.120.10.09723.29 38.65 51.50

3.3 應(yīng)用效果分析

為了探究農(nóng)田排水溝塘濕地系統(tǒng)在有堰運(yùn)行管理模式下對(duì)農(nóng)田面源污染物氮磷的去除效果，于2016在江西省南昌縣向塘鎮(zhèn)高田村禮坊自然村典型示范區(qū)展開(kāi)早、晚稻生育期間農(nóng)田排水取樣檢測(cè)。示范區(qū)面積約66.92 hm2，其中水域面積6.61 hm2，包括村前門(mén)塘3.53 hm2，村塘2 hm2。村地勢(shì)低洼，遇強(qiáng)降雨容易產(chǎn)生內(nèi)澇。根據(jù)地形，以東南方位的灌水入口點(diǎn)為高程基點(diǎn)20.0 m，西北向高程19.44 m，中部地區(qū)19.10～19.33 m，西南方位為19.63 m，東南方高程為19.43～20.0 m，最低點(diǎn)位于東北方位，為19.19 m，且為該地區(qū)的出口。兩條生態(tài)型排水溝，一條長(zhǎng)度約245.5 m，溝頂寬2～7.5 m，溝深0.6～1.5 m，淤積深度0.3～1.03 m；另一條長(zhǎng)度約614.84 m，溝頂寬1.2～8.5 m，溝深0.6～2.5 m，淤積深度0.4～1.65 m,并安裝升降式三角堰閘3處。生態(tài)溝內(nèi)種植當(dāng)?shù)厮参?，茭白、蘆葦、蓮藕、水薺菜，邊坡采取土質(zhì)邊坡與生態(tài)袋護(hù)坡相結(jié)合的方式，生態(tài)塘中央安裝兩處面積為20 m2的生態(tài)浮島，兩岸邊坡種植常綠鳶尾、皇冠澤苔草、千屈菜、梭魚(yú)草、再力花等水生植物。

綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出：該示范區(qū)通過(guò)工程建設(shè)可減少總氮排放量0.17 t,折算為2 796.45 g/hm2，減少總磷排放量0.01 t，折算為111.9 g/hm2，按照防護(hù)費(fèi)用法計(jì)算，環(huán)境效益達(dá)到1.80 萬(wàn)元。

4 結(jié) 語(yǔ)

升降式三角堰閘經(jīng)過(guò)兩年的試驗(yàn)與應(yīng)用，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，不斷改進(jìn)和完善，應(yīng)用結(jié)果表明：升降式三角堰閘具有操作方便、功耗小、測(cè)量精度可靠、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；安裝升降式三角堰閘的生態(tài)溝，溝內(nèi)水體流速降低，水流停留時(shí)間延長(zhǎng)，水流與植物充分接觸，有效容積比得到提高，對(duì)污染物質(zhì)起到了較好的截留凈化效果，當(dāng)流量在0.5～2.8 L/s時(shí)，有堰情況下溝段的水力性能較好，當(dāng)流量較大時(shí)，有堰時(shí)溝段滯留區(qū)比無(wú)堰時(shí)大，造成較大的厭氧區(qū)，不利于污染物的降解，當(dāng)流量較小時(shí)，兩種工況下污水的水力停留時(shí)間均較長(zhǎng)，均能與污染物充分接觸。所以，對(duì)安裝堰閘條件下的生態(tài)溝，應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)三角堰板的高度，控制適宜的水深，控制水體流速，發(fā)揮出生態(tài)溝對(duì)污染物質(zhì)最好的截留凈化效果,對(duì)保護(hù)鄱陽(yáng)湖“一湖清水”具有重要的作用。

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