藁杆双脐螺静水沉速公式的建立
闵凤阳,王家生,周建银,曾凯
(长江水利委员会长江科学院,湖北 武汉 430010)
【摘 要】 本文通过沉降管法对藁杆双脐螺的静水沉速进行了测定。结果表明，藁杆双脐螺的静水沉速在2.32～12.92cm/s之间，不同体型的藁杆双脐螺静水沉速无显著性差异。运用泥沙运动力学理论，推导了藁杆双脐螺的静水沉速公式，并对公式中反映4个相关参数进行了较详细的阐述，从而建立了其静水沉速公式。该公式理论基础可靠，计算值与藁杆双脐螺静水沉降实测值无显著性差异，可为今后采取水利血防措施防控其扩散提供参考。
【关键词】 藁杆双脐螺；静水沉速；水力学特性
基金项目：卫生部寄生虫病原与媒介生物学重点实验开放研究课题(WSBKTKT 2017-07)。
作者简介：闵凤阳(1983— )，湖北当阳人，高级工程师，硕士，主要从事水利血防及河流生态研究。
E-mail:minfengyang1983@163.com
1 概述
藁杆双脐螺是曼氏血吸虫的中间宿主之一，其滋生与扩散可导致曼氏血吸虫病的传播。我国自1981年在深圳市发现该螺种以来[1,2]，至今已在该市的多条河流调查中发现其滋生，并向邻近的东莞市和惠州市蔓延[3,4]。藁杆双脐螺的静水沉速是其水力学特性的一个重要参数，本文通过沉降管法对其静水沉速进行了测定，推导并建立了藁杆双脐螺的静水沉降公式，并和实测的数据进行了对比，验证所建立公式的可靠性，可为今后采取水利措施防控其扩散提供依据。
2 材料与方法
2.1 螺样采集
试验所用的藁杆双脐螺从深圳东湖公园水渠现场采样获得。活螺采集后迅速带回室内饲养备用。
2.2 藁杆双脐螺几何参数测定
采用上海工具厂有限公司生产的不锈钢卡尺(精度0.02mm)，对藁杆双脐螺的尺寸逐只进行测量，测定其长轴(a)、中轴(b)和厚度(c)等形状参数。
2.3 静水沉速的测定
将测量后的藁杆双脐螺采用螺口朝上、螺口朝下和螺体平放3种方式逐只投入注满蒸馏水的特制玻璃沉降管(管长160cm，内径10cm，有效观测管长130cm)，让其在水中自由沉降，观察并记录双脐螺在沉降过程中的状态和沉降时间，通过沉降的距离(L)和时间(t)确定各个双脐螺的沉速(ω0，ω0=L/t)，藁杆双脐螺投放的3种方式见图1。
图1 藁杆双脐螺投放的3种方式
3 结果与讨论
3.1 静水沉降速度
根据观测，无论开始投入水体中的藁杆双脐螺的初始状态如何，投入到水中后，绝大多数双脐螺便会自动的调整到水平状态以盘旋状的姿势下沉，只有个别藁杆双脐螺略有摆动，实测藁杆双脐螺静水沉速在2.32～12.92cm/s之间。单因素方差分析结果显示，不同体型的双脐螺的静水沉速间差异无统计学意义(F=0.701，P=0.592)(表1)。
表1 不同大小的藁杆双脐螺静水沉速
3.2 静水沉降公式的推导与建立
3.2.1 静水公式的推导
藁杆双脐螺在水中的沉降过程受两方面的作用力，其一是重力与浮力抵消后剩余的有效重力，它使藁杆双脐螺向下沉降；其二是由于藁杆双脐螺下沉所产生的水流阻力。藁杆双脐螺在水中沉降时的有效重力为[5]
G=V(γs-γ0)
(1)
藁杆双脐螺下沉受到的水流阻力为
(2)
在G=F的条件下，藁杆双脐螺下沉的加速度为零，以匀速运动形式下沉。故可得藁杆双脐螺匀速下沉的沉速为
(3)
式中：G为螺在水中的重力；F为螺在水中的阻力；V为螺的体积；S为螺下沉方向(即螺承受阻力面)的投影面积；γs为螺的重率，可根据螺体的密度换算求得[6]；γ0为水的重率；ω为螺在水中的沉速；g为重力加速度；φ为螺体阻力形状校正系数；CD为阻力系数。
从式(3)中看出，影响螺静水沉速的主要因素一共有7个，其中γs、γ0和g为3个固定常数，其余4个(V、S、φ和CD)为变化的参数，因此，式(3)的求解还需要确定4个参数的关系。
3.2.2 相关参数确定
(1)螺体体积。螺的体积V与螺的几何尺寸和形状有关，不同级别的螺，几何尺寸不一样，几何形状也不尽相似，对于藁杆双脐螺，可将其近似视为薄圆柱状的物体，故体积计算的可用柱体体积公式为
V=S底c
(4)
式中：S底为螺体的底面积。
(2)螺体沉降承受阻力面面积S。藁杆双脐螺在沉降过程中所承受的阻力面，由其下沉的方向和状态所决定。根据大量藁杆双脐螺在沉降管中以水平状态下沉的观测结果，可得藁杆双脐螺下沉所承受的阻力面面积就是藁杆双脐螺下沉状态投影面面积(螺体的底面积)，即
S=S底
(5)
(3)螺体阻力形状校正系数。对于物体的阻力形状校正系数，不少学者[7-11]对此也进行了研究。张威等[9]在研究钉螺的静水沉降公式时，提出钉螺的阻力形状修正系数φ=h/D(h为钉螺螺壳长，D为钉螺壳宽)。对于藁杆双脐螺的阻力形状修正系数，本文参考Oseen[12]的研究结果，可得到
(6)
式中：R′为液体雷诺数。
由于R′<0.1，故
的值也很小，因此对可以忽略掉该项，故藁杆双脐螺的阻力形状修正系数为
(7)
(4)螺体的沉降阻力系数。根据物体的沉降理论理论，物体沉降的阻力系数CD与该物体的形状大小和物体的绕流雷诺数Re有关，对于藁杆双脐螺，其Re为
(8)
式中：ν为水的动黏滞性系数。
根据实测的试验数据计算可知，螺体的雷诺数Re均大于1000，其变化范围为1879～8078，变幅较大，而阻力系数变幅较小，为0.23～0.91，参考泥沙运动的理论[12]，可将螺体的阻力系数CD视为常数，其平均值为0.44。
3.2.3 静水沉速公式的建立
综合3.2.1节和3.2.2节的分析，可得到在静水条件下，藁杆双脐螺的沉降公式为
(9)
3.2.4 静水沉降公式检验
将藁杆双脐螺静水沉速实测值与式(9)计算值进行比较，结果见图2。由图2可看出，其散点大都分布在45°线两侧，实测值和计算值正负误差均在15%以内，表明计算值和实测值符合的较好。同时采用t检验方法进行对两组数据进行显著性检验，结果t=0.4、P>0.6，表明公式计算值与实测值之间无显著性差异。
图2 藁杆双脐螺静水沉速实测值和计算值间的比较
4 小结
本文观测了藁杆双脐螺静水沉降状态和沉速。结果表明，尽管藁杆双脐螺壳形呈薄圆柱体状的特征，但采用了螺口朝上、螺口朝下和螺体平放3种方式将藁杆双脐螺投入水中后，其基本呈水平状态盘旋下沉。本文对藁杆双脐螺相关参数如螺体的体积、螺体沉降承受阻力面面积、螺体的阻力形状校正系数以及螺体沉降阻力系数等方面进行了较详细的阐述，推导并建立了藁杆双脐螺在静水中的沉降公式。该公式理论基础可靠，物理意义明确，结构简单，便于应用。经统计学检验，公式计算值与实测值无显著性差异，具有实用价值。藁杆双脐螺静水沉速公式的建立，为深入研究藁杆双脐螺扩散并为今后采取水利防控措施打下了良好的基础。
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The Establishment of Hydrostatic Velocity Formula of the Biomphalaria Straminea
MIN Fengyang,WANG Jiasheng,ZHOU Jianyin,ZENG Kai
(Changjiang River Scientific Research Institute of Changjiang Water Resources Commission,Wuhan Hubei Province 430010)
Abstract:In this paper,the Biomphalaria straminea’s hydrostatic settling velocity is measured by the settlement tube method.The result shows the hydrostatic settling velocity of Biomphalaria straminea is 2.32-12.92cm/s and there aren’t significant difference between the different sizes of the snails.Then,the hydrostatic settling velocity formula of the Biomphalaria straminea is proposed by sediment mechanics theory and four parameters are detailed discussed for the formula.The theoretical basis of this formula is reliable,and the calculated values have no significant difference with the measured values of the Biomphalaria straminea’s hydrostatic settling velocity.Thus,it provides the basis for taking water conservancy measures to control Biomphalaria straminea spread in the future.
Key words:Biomphalaria Straminea;Hydrostatic Settling Velocity;Hydraulic Characteristics