[科普中國]-取水頭部

取水頭部是指設(shè)于河底淹沒或半淹沒的通過其進(jìn)水孔取水入進(jìn)水管的設(shè)施。其類型較多，常用的有喇叭管、蘑菇形、魚形罩、箱時和橋墩式等。應(yīng)布置穩(wěn)定河床的深槽主流有足夠水深處。進(jìn)水孔一般布置在在取水頭部朝河心面和下游面。漂浮物少和無冰凌時也可設(shè)在頂面。其外形要減少水流阻力、迎水面宜做成流線型，長軸與水流方向一致。它宜設(shè)兩個或分兩格。

海水取水頭部設(shè)計要點海水取水工程是各種海水利用系統(tǒng)的必要組成部分，設(shè)計建造良好的海水取水工程能夠在復(fù)雜的海洋環(huán)境中為海水利用系統(tǒng)提供安全、優(yōu)質(zhì)、充足、環(huán)保和成本合理的海水水源。海水取水頭部是海床式取水構(gòu)筑物的進(jìn)水部分，它因暴露于海水之中而易遭受水流的沖擊破壞和多種生物的附著堵塞，同時其金屬構(gòu)件也容易被海水腐蝕。此外，海水取水頭部在運行過程中難于清理維護(hù)，并且失效后也難以修復(fù)，所以必須采用系統(tǒng)科學(xué)的方法對其進(jìn)行設(shè)計建造，才能保證海水取水頭部的長久正常運行1。

防水流沖擊設(shè)計無論是在江河中取水，還是在海洋中取水，取水頭部都必須采用堅固的結(jié)構(gòu)并設(shè)置于穩(wěn)固的基礎(chǔ)之上，才能從根本上抵御水流的沖擊破壞。但是，合理的外形設(shè)計不僅能減弱水流對取水頭部的沖擊，而且還能降低取水頭部的建造成本。與江河中較為單一的水流流向相比，海洋中的水流方向更為復(fù)雜多變，沖擊力也更為巨大。這主要是由于海洋中水流的動力因素較為多樣，既有來自海洋內(nèi)部的溫度差和鹽度差，也有來自外部的風(fēng)力和天體引力等。因此，設(shè)置于海洋中的取水頭部必須能夠在方向多變的水流沖擊下保持高度穩(wěn)定。

圓柱體是在取水頭部設(shè)計中采用較多的外形形式，它因為能夠在垂直于軸線的二維平面上保持各向同性，即在任何水平方向上均有相同的迎水面積，因而比其他幾何外形更適合海洋中的主流多變環(huán)境。但是，無論來流方向如何，當(dāng)海水水流繞過圓柱體時均會在圓柱體后側(cè)形成交替脫離的漩渦，使圓柱體在正交于來流的方向上產(chǎn)生振蕩趨勢(即卡門渦街現(xiàn)象。漩渦形成和脫離的頻率越接近圓柱體振動的固有頻率，圓柱體振蕩破壞的可能性就越大。

海水取水頭部設(shè)計可借鑒深水海洋石油平臺建設(shè)中采用的防水流沖擊技術(shù)，在圓柱形取水頭部的側(cè)表面加設(shè)螺旋纏繞結(jié)構(gòu)。

這種螺旋纏繞結(jié)構(gòu)可以破壞漩渦的形成，使漩渦變小并失去規(guī)律性，從而減小取水頭部的側(cè)向振蕩趨勢。鋼筋混凝土取水頭部的螺旋纏繞既可以通過鋼筋混凝土繩形突起實現(xiàn)，也可以采用耐海水腐蝕的金屬繩或塑料繩實現(xiàn)，但纏繞長度不應(yīng)少于一個完整螺旋2。

防生物附著和堵塞設(shè)計在海洋中，能夠造成海水取水頭部失效的因素除了有水流沖擊外，還有生物的附著和堵塞。能夠附著和堵塞取水頭部的一切動物、植物和微生物均被稱作污損生物。海洋中的污損生物種類繁多，數(shù)量巨大。污損生物可以附著在取水頭部的內(nèi)外表面，減小過水?dāng)嗝娌⒃龃筮^流水頭損失。此外，海底生長的一些大型植物，隨水流流動時也可能堵塞取水頭部的進(jìn)水格柵。

由于水下作業(yè)的種種限制，采用人工方法清理取水頭部內(nèi)外的污損生物不僅存在較多困難也會產(chǎn)生較大的危險，因此在設(shè)計階段于取水頭部中設(shè)置能夠防生物附著和堵塞的設(shè)施就顯得十分必要。在取水頭部的防生物附著設(shè)計方面，可以在取水頭部的內(nèi)腔內(nèi)設(shè)置殺生劑擴(kuò)散裝置，并將其與取水泵房中的殺生劑自動投加裝置用管道相連，這樣就可將殺生劑自動投加到海水中并在源頭進(jìn)行混合，從而全面保護(hù)取水頭部和隨后的其他海水取水構(gòu)筑物。

但是，為了防止殺生劑輸送管道泄漏而毒害其他海洋生物，應(yīng)將殺生劑輸送管道置于引水管道內(nèi)，這樣即使殺生劑輸送管道發(fā)生泄漏，也可將殺生劑的擴(kuò)散范圍控制在引水管道內(nèi)。在取水頭部的防生物堵塞方面，可以在取水頭部內(nèi)設(shè)置空氣沖洗裝置，定期利用加壓空氣對進(jìn)水格柵進(jìn)行沖洗，從而有效防止生物堵塞。殺生劑投加量和加壓空氣輸送量應(yīng)根據(jù)污損生物類型和附著數(shù)量通過實驗確定。

防生物撞擊和夾帶設(shè)計生物撞擊是指在取水頭部進(jìn)水水流的沖擊下，體型較大的海洋生物(如魚類) 撞擊取水頭部進(jìn)水格柵，引起傷害或死亡的現(xiàn)象; 而生物夾帶是指在取水頭部進(jìn)水水流的裹挾下，體型較小的海洋生物(如蝦類) 進(jìn)入取水系統(tǒng)而無法逃出并造成死亡的現(xiàn)象。為減少或避免生物撞擊和夾帶的產(chǎn)生，在海水取水頭部設(shè)計中可以采取以下幾項措施：

① 將取水頭部設(shè)置在與海岸具有一定距離的深水下。在海洋環(huán)境中，海洋生物往往在靠近海岸的淺層海水中具有較高的密度和豐度。因此，將海水取水頭部設(shè)置在與海岸具有一定距離且距水面有一定深度的海床上，將使取水頭部遠(yuǎn)離海洋生物聚集區(qū)，從而降低生物撞擊和夾帶的概率。美國環(huán)境保護(hù)局建議取水頭部應(yīng)距離海岸大于125m，距離海平面大于20m。

② 將取水頭部的進(jìn)水口開在側(cè)表面而不是頂面。采用這一設(shè)計是因為大多數(shù)魚類在沿身長方向上具有水平運動感應(yīng)器。當(dāng)魚類進(jìn)入水平流向的水中時，感應(yīng)器會警告它們正處于非常環(huán)境，從而使魚類盡快逃離。取水頭部的側(cè)面進(jìn)水方式只產(chǎn)生水平流動的水流，因此可有效驅(qū)離魚類避免撞擊。

③ 降低進(jìn)水過柵流速并減小格柵間隙。降低水流過柵流速可以減小水流對生物的沖擊力，使其容易逃離; 而減小格柵間隙可以阻攔體型較小的海洋生物進(jìn)入取水頭部。根據(jù)實驗測定，當(dāng)過柵流速≤0.15m/s，且格柵空隙寬度為0.5～10mm時，生物撞擊現(xiàn)象基本消除，對幼魚的致死率可控制在0.06%以下，對蝦蟹的致死率可控制在0.02%。

因此為避免取水頭部的生物撞擊和夾帶，可取進(jìn)水過柵流速≤0.15m/s，同時設(shè)定格柵空隙寬度為0.5～10mm，在海洋生物較密集的海域取小值，相反則取大值3。

防海水腐蝕設(shè)計海水中所含鹽分較高，其平均值可達(dá)3.5g/kg海水，而且大多是氯化物(氯化鈉和氯化鎂)，所以海水對取水頭部的金屬構(gòu)件和混凝土構(gòu)件均具有很強(qiáng)的腐蝕性。海水取水頭部金屬構(gòu)件(主要是金屬進(jìn)水格柵) 的防腐蝕設(shè)計應(yīng)在選用耐海水腐蝕金屬材質(zhì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合金屬表面涂覆防腐技術(shù)和電化學(xué)防腐技術(shù)，以克服單一防腐方式難以滿足設(shè)計年限的缺點。其中，耐海水腐蝕的金屬材料可以選擇316L不銹鋼和317L不銹鋼; 防海水腐蝕涂覆材料可以選擇環(huán)氧涂料和聚四氟乙烯塑料。金屬材料電化學(xué)防腐設(shè)計可依據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《濱海電廠海水冷卻水系統(tǒng)犧牲陽極陰極保護(hù)》(GB/T16166—1996)進(jìn)行。海水取水頭部鋼筋混凝土構(gòu)件的防腐蝕設(shè)計可依據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTJ 275—2000)進(jìn)行。

總結(jié)我國還沒有頒布專門的海水取水排水設(shè)計規(guī)范，這就使得海水取水頭部的設(shè)計缺乏科學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)參考。在總結(jié)國內(nèi)外最新科研成果和已有工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對海水取水頭部設(shè)計中遇到的多向水流沖擊、生物附著和堵塞、生物撞擊和夾帶以及海水腐蝕等問題，提出了多方面的設(shè)計要點。

① 在防水流沖擊設(shè)計中，海水取水頭部外形可采用圓柱體以適應(yīng)水流流向多變，并加設(shè)螺旋纏繞結(jié)構(gòu)以減小側(cè)向振蕩趨勢。

② 在防生物附著和堵塞設(shè)計中，可在海水取水頭部內(nèi)設(shè)置殺生劑擴(kuò)散裝置和高壓空氣沖洗裝置。

③ 在防生物撞擊和夾帶的設(shè)計中，海水取水頭部的進(jìn)水格柵應(yīng)設(shè)于取水頭部的側(cè)表面，并取格柵空隙寬度為0.5～10mm，進(jìn)水過柵流速≤0.15m/s。同時，海水取水頭部應(yīng)置于海洋生物較少的深水區(qū)。

④ 海水取水頭部的防腐蝕措施應(yīng)在選用耐腐蝕材料的基礎(chǔ)上，綜合采用涂覆防護(hù)和電化學(xué)防腐2。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)