劉振華　李懷正　董夢(mèng)珂

摘 要：城市排水管道淤積現(xiàn)象十分普遍，而淤積會(huì)帶來管道功能、環(huán)境生態(tài)、人身安全等方面的風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)的一些排水管道清淤技術(shù)費(fèi)時(shí)費(fèi)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(hù)的特點(diǎn)，在多個(gè)國家和地區(qū)得到了應(yīng)用。文章對(duì)排水管道沉積物水力沖刷技術(shù)進(jìn)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(jì)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(gè)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(huì)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(jìn)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(jī)組分，在微生物厭氧過程下會(huì)導(dǎo)致硫化氫、硫酸等硫化物的產(chǎn)生，對(duì)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(gè)兼具科學(xué)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(dāng)管段流速較低時(shí)，流體對(duì)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(shí)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(duì)管道沉積物進(jìn)行清理是一項(xiàng)具有實(shí)際意義的工作。在《城市排水管渠與泵站維護(hù)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定排水管渠應(yīng)定期檢查、定期維護(hù)，保持良好的水力功能和結(jié)構(gòu)狀況（CJJ 68-2007）。

針對(duì)排水管道淤積狀況與特點(diǎn)，在實(shí)際清通中可以針對(duì)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(jī)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(jī)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(xué)者將一些成熟的方法申請(qǐng)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(jī)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(hù)的特點(diǎn)（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(shí)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(duì)現(xiàn)排水管道水力沖刷技術(shù)進(jìn)行綜述，主要將從水力沖刷技術(shù)形式、沖刷效果及設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)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(qǐng)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(gè)沖刷循環(huán)為例，一個(gè)沖刷循環(huán)由蓄水、瞬時(shí)排水兩個(gè)過程。其中蓄水過程是將管道內(nèi)的污水進(jìn)行集中儲(chǔ)存，當(dāng)蓄水量達(dá)到設(shè)定量時(shí)，瞬時(shí)排水過程自動(dòng)啟動(dòng)，排水形成的沖刷水波對(duì)管道底部沉積物產(chǎn)生強(qiáng)烈沖刷作用，達(dá)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(chǔ)水庫吸水完成。

2.1 Hydrass

Hydrass起源于法國，現(xiàn)在已經(jīng)申請(qǐng)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(gè)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(shí)，其一側(cè)逐漸蓄積的水推動(dòng)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(shí)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(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

2.2 Hydroself

起初Hydroself是針對(duì)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(shí)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(jì)成自動(dòng)運(yùn)行。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，沖刷系統(tǒng)根據(jù)蓄水池內(nèi)水位達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的高度而自動(dòng)啟動(dòng)，翻板閘門瞬間打開并形成“潰壩”式的沖刷水波，對(duì)管道內(nèi)的沉積物進(jìn)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(chǔ)水庫、真空泵系統(tǒng)組成；其工作原理為系統(tǒng)先對(duì)管道內(nèi)水位進(jìn)行探測，當(dāng)管道內(nèi)水位達(dá)到預(yù)設(shè)高度后，真空泵啟動(dòng)，儲(chǔ)水庫內(nèi)空氣被排空，進(jìn)而儲(chǔ)水庫從管道內(nèi)吸水直至蓄水池內(nèi)水位達(dá)到預(yù)設(shè)高度后，真空泵停止工作；此后系統(tǒng)再次對(duì)管道內(nèi)水位進(jìn)行探測，當(dāng)管道內(nèi)水位符合開啟隔膜閥條件時(shí)，儲(chǔ)水庫頂部的隔膜閥門開啟，瞬間釋放出儲(chǔ)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(duì)排水管道水力沖刷技術(shù)，許多研究學(xué)者展開過相關(guān)試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬。William C. Pisano（2004）曾針對(duì)馬薩諸塞州劍橋地區(qū)的管道自動(dòng)沖洗系統(tǒng)進(jìn)行了分析，該自動(dòng)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(duì)管道的沖洗。Bertrand-Krajewski（2006）等人針對(duì)Hydrass的清淤效果進(jìn)行了研究，在法國里昂通過對(duì)一處人可進(jìn)入的蛋形管道進(jìn)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(duì)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(qiáng)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(dá)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(yàn)及模型研究了沖刷水流對(duì)管道沉積物的沖刷效果，試驗(yàn)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(jìn)行數(shù)值求解，模型計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出了良好的吻合。Bong等人對(duì)沖刷門（tipping flush gate）的水力特性進(jìn)行了研究，試驗(yàn)中采用d50為0.81mm的沉積物，結(jié)果表明，當(dāng)沉積物厚度增加一倍時(shí)，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(duì)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(dāng)沖刷裝置上游水位增加一倍的時(shí)候，沉積物的沖刷量增加約3倍，而沉積物上覆水在沖刷時(shí)對(duì)沉積物具有保護(hù)作用，當(dāng)沉積層水位從0升高至2.5cm時(shí)，沖刷的沉積物量減少約51%；而沖刷裝置的開啟高度對(duì)沖刷沉積物量影響不大，當(dāng)沖刷裝置上游水位分別為86.4、44.5cm時(shí)，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(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者差異性不大，經(jīng)過6組沖刷試驗(yàn)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(diǎn)探討了快速開啟門技術(shù)（rapid gate opening）的沖刷效果，針對(duì)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(fù)荷；采用300mm開啟度的快開門對(duì)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?？扉_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(jì)

為了使水力沖刷技術(shù)得到實(shí)際的應(yīng)用，有一些研究人員針對(duì)相關(guān)技術(shù)開展了設(shè)計(jì)方面的研究，以期規(guī)范這些技術(shù)的設(shè)計(jì)。Campisano（2007）等人就針對(duì)沖刷門（flushing gate）的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，在其研究中，主要運(yùn)用的是一個(gè)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(jì)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(jì)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(duì)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(shí)不同管道充滿度對(duì)應(yīng)的Ls/D值；（d）根據(jù)沖刷水量對(duì)應(yīng)的等容曲線進(jìn)行估計(jì)不同充滿度下對(duì)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(duì)污水管道系統(tǒng)內(nèi)的沖刷設(shè)施系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，認(rèn)為沖刷設(shè)施在最小管道坡度時(shí)應(yīng)保證沖刷時(shí)具有足夠的剪切力，其次水動(dòng)力模擬可以輔助設(shè)計(jì)沖刷設(shè)施的數(shù)量及位置，另外Goormans認(rèn)為與沖刷設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意設(shè)施所對(duì)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(dú)特優(yōu)勢，維護(hù)成本低、防淤、清淤等特點(diǎn)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(shí)，也積極推進(jìn)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(jī)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(jī)，但一項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)。水力平衡閥Hydrass技術(shù)的關(guān)鍵在于蓄水時(shí)的封閉性、沖刷時(shí)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(shí)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(xiàng)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(jì)時(shí)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(shí)施難度較大，因此，限制了這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。但對(duì)于待建、在建的城市排水系統(tǒng)可以考慮應(yīng)用。同時(shí)，Hydroself、Biogest技術(shù)的蓄水池如果可以做成可移動(dòng)式，結(jié)合運(yùn)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(shí)也更加靈活、機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1]Alberto Campisano， Enrico Creaco， Carlo Modica. Experimental and numerical analysis of the scouring effects of flushing waves on sediment deposits[J].Journal of Hydrology， 2004，299：324-334.

[2]A. Campisano， E. Creaco， C. Modica. Dimensionless approach for the design of flushing gates in sewer channels[J]， 2007，133（8）：964-972.

[3]Ashley R M， Fraser A， Burrows R， Blanksby J. The management of sediment in combined sewers[J]. Urban Water， 2010，2：263-275.

[4]C. H. J. Bong， T. L. Lau， A. Ab. Ghani. Hydraulics characteristics of tipping sediment flushing gate[J].Water Science & Technology， 2013，68（11）：2397-2406.

[5]Chebbo， G.， Laplace， D.， Bachoc， A.， Sanchez， Y.， and Le Guennec， B. Technical solutions envisaged in managing solids in combined sewer networks[J].Water Science & Technology， 1996，33（9）：237-234.

[6]CJJ 68-2007.城鎮(zhèn)排水管渠與泵站維護(hù)技術(shù)規(guī)程 [S].

[7]Gasperi J， Gromaire M C， Kafi M， Moilleron R， Chebbo G. Contributions of wastewater， runoff and sewer deposit erosion to wet weather pollutant loads in combined sewer systems[J].Water Research， 2010，44： 5875-5886.

[8]J. Gasperi， M. C. Gromaire， M. Kafi， R. Moilleron， G. Chebbo. Contributions of wastewater， runoff and sewer deposit erosion to wet weather pollutant loads in combined sewer systems[J]， Water Research， 2010，44：5875-5886.

[9]J.-L. Bertrand-Krajewski， J.-P. Bardin， C. Gibello. Long term monitoring of sewer sediment accumulation and flushing experiments in a man-entry sewer[J]， Water Science & Technology， 2006，54（6）：109-117.

[10]K. J. Williams， S. J. Tait， R. M. Ashley. In-sewer sedimentation associated with active flow control[J]， 2009，60.1：55-63.

[11]Qizhong Guo， Chi-Yuan Fan， Ramjee Raghaven， Richard Field. Gate and Vacuum Flushing of Sewer Sediment： Laboratory Testing[J].Journal of Hydraulic Engineering， 2004，130：463-466.

[12]R. W. Crabtree. Sediments in sewers[J].Journal of Water & Environment， 1989，3（6）：569-578.

[13]T. Goormans， D. Engelen， R. Bouteligier， P. Willems and J. Berlamont. Design of self-cleansing sanitary sewer systems with the use of flushing devices[J].Water Science and Technology， 2009，60.4：901-908.

[14]U.S.EPA. Sewer and Tank Sediment Flushing： Case Studies[J]. 1998， EPA/600/R-98/157.

[15]William C. Pisano， Owen C. O'Riordan， Frank J. Ayotte， James R. Barsanti， Dennis L. Carr. Automated Sewer and Drainage Flushing Systems in Cambridge， Massachusetts[J].Journal of Hydraulic Engineering， 2003，129（4）：260-266.

[16]William C. Pisano， Steve L. White， Owen O'Riordian. Implementation of Automated Sewer and Drainage Flushing Systems in Cambridge， Mass[J].Water Resources， 2004：1-10.

[17]邊艷玲，董巍.排水管道中的清淤方法[J].黑龍江水利科技，2003，3：95.

[18]高安禮.窨井清掏機(jī)器人研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

[19]李俊.城市排水管道的清淤問題[J].黑龍江水利科技，2004.

[20]李華飛.大管徑排水管道水力清淤技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[21]劉麗萍，白春燕.試談排水管道的清淤問題[J].黑龍江科技信息，2002.

[22]潘國慶.不同排水體制的污染負(fù)荷及控制措施研究[D].北京：北京建筑工程學(xué)院，2007.

[23]孫勇，孫向東，孫建宇，等.排水管道清淤方法及開發(fā)新設(shè)備的構(gòu)想[J].給水排水，1996，22（8）：52-54.

[24]孫慧修.排水工程（上冊(cè)）第4版[M].北京：中國建筑公業(yè)出版社，1999.

[25]湯霞，陳衛(wèi)兵，李懷正.城市排水系統(tǒng)沉積物特性及清淤方式研究進(jìn)展[J].城市道橋與防洪，2013，3：106-110.

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