[科普中国]-取水头部

取水头部是指设于河底淹没或半淹没的通过其进水孔取水入进水管的设施。其类型较多，常用的有喇叭管、蘑菇形、鱼形罩、箱时和桥墩式等。应布置稳定河床的深槽主流有足够水深处。进水孔一般布置在在取水头部朝河心面和下游面。漂浮物少和无冰凌时也可设在顶面。其外形要减少水流阻力、迎水面宜做成流线型，长轴与水流方向一致。它宜设两个或分两格。

海水取水头部设计要点海水取水工程是各种海水利用系统的必要组成部分，设计建造良好的海水取水工程能够在复杂的海洋环境中为海水利用系统提供安全、优质、充足、环保和成本合理的海水水源。海水取水头部是海床式取水构筑物的进水部分，它因暴露于海水之中而易遭受水流的冲击破坏和多种生物的附着堵塞，同时其金属构件也容易被海水腐蚀。此外，海水取水头部在运行过程中难于清理维护，并且失效后也难以修复，所以必须采用系统科学的方法对其进行设计建造，才能保证海水取水头部的长久正常运行1。

防水流冲击设计无论是在江河中取水，还是在海洋中取水，取水头部都必须采用坚固的结构并设置于稳固的基础之上，才能从根本上抵御水流的冲击破坏。但是，合理的外形设计不仅能减弱水流对取水头部的冲击，而且还能降低取水头部的建造成本。与江河中较为单一的水流流向相比，海洋中的水流方向更为复杂多变，冲击力也更为巨大。这主要是由于海洋中水流的动力因素较为多样，既有来自海洋内部的温度差和盐度差，也有来自外部的风力和天体引力等。因此，设置于海洋中的取水头部必须能够在方向多变的水流冲击下保持高度稳定。

圆柱体是在取水头部设计中采用较多的外形形式，它因为能够在垂直于轴线的二维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积，因而比其他几何外形更适合海洋中的主流多变环境。但是，无论来流方向如何，当海水水流绕过圆柱体时均会在圆柱体后侧形成交替脱离的漩涡，使圆柱体在正交于来流的方向上产生振荡趋势(即卡门涡街现象。漩涡形成和脱离的频率越接近圆柱体振动的固有频率，圆柱体振荡破坏的可能性就越大。

海水取水头部设计可借鉴深水海洋石油平台建设中采用的防水流冲击技术，在圆柱形取水头部的侧表面加设螺旋缠绕结构。

这种螺旋缠绕结构可以破坏漩涡的形成，使漩涡变小并失去规律性，从而减小取水头部的侧向振荡趋势。钢筋混凝土取水头部的螺旋缠绕既可以通过钢筋混凝土绳形突起实现，也可以采用耐海水腐蚀的金属绳或塑料绳实现，但缠绕长度不应少于一个完整螺旋2。

防生物附着和堵塞设计在海洋中，能够造成海水取水头部失效的因素除了有水流冲击外，还有生物的附着和堵塞。能够附着和堵塞取水头部的一切动物、植物和微生物均被称作污损生物。海洋中的污损生物种类繁多，数量巨大。污损生物可以附着在取水头部的内外表面，减小过水断面并增大过流水头损失。此外，海底生长的一些大型植物，随水流流动时也可能堵塞取水头部的进水格栅。

由于水下作业的种种限制，采用人工方法清理取水头部内外的污损生物不仅存在较多困难也会产生较大的危险，因此在设计阶段于取水头部中设置能够防生物附着和堵塞的设施就显得十分必要。在取水头部的防生物附着设计方面，可以在取水头部的内腔内设置杀生剂扩散装置，并将其与取水泵房中的杀生剂自动投加装置用管道相连，这样就可将杀生剂自动投加到海水中并在源头进行混合，从而全面保护取水头部和随后的其他海水取水构筑物。

但是，为了防止杀生剂输送管道泄漏而毒害其他海洋生物，应将杀生剂输送管道置于引水管道内，这样即使杀生剂输送管道发生泄漏，也可将杀生剂的扩散范围控制在引水管道内。在取水头部的防生物堵塞方面，可以在取水头部内设置空气冲洗装置，定期利用加压空气对进水格栅进行冲洗，从而有效防止生物堵塞。杀生剂投加量和加压空气输送量应根据污损生物类型和附着数量通过实验确定。

防生物撞击和夹带设计生物撞击是指在取水头部进水水流的冲击下，体型较大的海洋生物(如鱼类) 撞击取水头部进水格栅，引起伤害或死亡的现象; 而生物夹带是指在取水头部进水水流的裹挟下，体型较小的海洋生物(如虾类) 进入取水系统而无法逃出并造成死亡的现象。为减少或避免生物撞击和夹带的产生，在海水取水头部设计中可以采取以下几项措施：

① 将取水头部设置在与海岸具有一定距离的深水下。在海洋环境中，海洋生物往往在靠近海岸的浅层海水中具有较高的密度和丰度。因此，将海水取水头部设置在与海岸具有一定距离且距水面有一定深度的海床上，将使取水头部远离海洋生物聚集区，从而降低生物撞击和夹带的概率。美国环境保护局建议取水头部应距离海岸大于125m，距离海平面大于20m。

② 将取水头部的进水口开在侧表面而不是顶面。采用这一设计是因为大多数鱼类在沿身长方向上具有水平运动感应器。当鱼类进入水平流向的水中时，感应器会警告它们正处于非常环境，从而使鱼类尽快逃离。取水头部的侧面进水方式只产生水平流动的水流，因此可有效驱离鱼类避免撞击。

③ 降低进水过栅流速并减小格栅间隙。降低水流过栅流速可以减小水流对生物的冲击力，使其容易逃离; 而减小格栅间隙可以阻拦体型较小的海洋生物进入取水头部。根据实验测定，当过栅流速≤0.15m/s，且格栅空隙宽度为0.5～10mm时，生物撞击现象基本消除，对幼鱼的致死率可控制在0.06%以下，对虾蟹的致死率可控制在0.02%。

因此为避免取水头部的生物撞击和夹带，可取进水过栅流速≤0.15m/s，同时设定格栅空隙宽度为0.5～10mm，在海洋生物较密集的海域取小值，相反则取大值3。

防海水腐蚀设计海水中所含盐分较高，其平均值可达3.5g/kg海水，而且大多是氯化物(氯化钠和氯化镁)，所以海水对取水头部的金属构件和混凝土构件均具有很强的腐蚀性。海水取水头部金属构件(主要是金属进水格栅) 的防腐蚀设计应在选用耐海水腐蚀金属材质的基础上，结合金属表面涂覆防腐技术和电化学防腐技术，以克服单一防腐方式难以满足设计年限的缺点。其中，耐海水腐蚀的金属材料可以选择316L不锈钢和317L不锈钢; 防海水腐蚀涂覆材料可以选择环氧涂料和聚四氟乙烯塑料。金属材料电化学防腐设计可依据现行国家标准《滨海电厂海水冷却水系统牺牲阳极阴极保护》(GB/T16166—1996)进行。海水取水头部钢筋混凝土构件的防腐蚀设计可依据现行行业标准《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ 275—2000)进行。

总结我国还没有颁布专门的海水取水排水设计规范，这就使得海水取水头部的设计缺乏科学系统的技术参考。在总结国内外最新科研成果和已有工程经验的基础上，针对海水取水头部设计中遇到的多向水流冲击、生物附着和堵塞、生物撞击和夹带以及海水腐蚀等问题，提出了多方面的设计要点。

① 在防水流冲击设计中，海水取水头部外形可采用圆柱体以适应水流流向多变，并加设螺旋缠绕结构以减小侧向振荡趋势。

② 在防生物附着和堵塞设计中，可在海水取水头部内设置杀生剂扩散装置和高压空气冲洗装置。

③ 在防生物撞击和夹带的设计中，海水取水头部的进水格栅应设于取水头部的侧表面，并取格栅空隙宽度为0.5～10mm，进水过栅流速≤0.15m/s。同时，海水取水头部应置于海洋生物较少的深水区。

④ 海水取水头部的防腐蚀措施应在选用耐腐蚀材料的基础上，综合采用涂覆防护和电化学防腐2。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学