楊志剛，張姣姣，張偉光，李萬(wàn)平

（1.天津水利電力機(jī)電研究所，天津301900；2.中國(guó)建筑第八工程局有限公司華北公司，天津300456）

1 概述

大中型輸水系統(tǒng)包括水庫(kù)、明渠、涵洞、隧道、渡槽等，主要長(zhǎng)度是明渠，水面寬度40～50m，水底寬度約25m。我國(guó)著名的南水北調(diào)工程中的河北段自2014年12月通水至2017年12月間，短短3年，大風(fēng)中的沙塵和漂浮物及下雨產(chǎn)生的泥土沙石等匯集到河道中沉積蓄集，初步測(cè)量水底沉積物的厚度已近0.5m。南水北調(diào)中線干線工程河北境內(nèi)全長(zhǎng)596km，河北段淤泥含量大約有7.5×106m3，嚴(yán)重影響水質(zhì)和輸水效率。沉積物在水流、溫度等外部因素作用下會(huì)釋放有害成分，對(duì)下游用戶產(chǎn)生不利影響，甚至?xí)：θ嗣竦纳眢w健康和生態(tài)環(huán)境。

南水北調(diào)中線工程已成為京津等地的主力水源。3年間，中線工程不間斷通水，安全供水超過(guò)1000d，累計(jì)調(diào)入總干渠水量超過(guò)120億m3，累計(jì)分水量超過(guò)110億m3。由此可見(jiàn)北方城市，尤其北京、天津兩大城市，對(duì)外來(lái)輸水的依賴程度之高。

水是生命之源，是企業(yè)生產(chǎn)、人民生活所必需。輸水系統(tǒng)是不可能中斷的。輸水系統(tǒng)沉積物的清理只能在系統(tǒng)正常運(yùn)行下進(jìn)行。一個(gè)安全環(huán)保的沉積物清理方案是整個(gè)輸水系統(tǒng)所必需的。本文將提出一個(gè)環(huán)保、安全、經(jīng)濟(jì)、可行的方案以供探討。

2 總體方案

大中型輸水系統(tǒng)明渠的組成比最大，明渠寬度和深度尺寸較大，水流流速慢，針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)提出以下明渠的沉積物系統(tǒng)解決方案。

總體工藝流程方案圖見(jiàn)圖1。

圖1 總體工藝流程方案

整個(gè)系統(tǒng)主要包括沉積物收集單元、分揀單元、淤泥脫水單元、余水處理單元、支持平臺(tái)單元、動(dòng)力單元、圍污欄、轉(zhuǎn)運(yùn)方案、沉積物處理方案等。

系統(tǒng)的組成圖見(jiàn)圖2。

3 單元功能

系統(tǒng)每個(gè)單元擔(dān)負(fù)不同任務(wù)共同實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。每個(gè)單元的功能簡(jiǎn)單介紹如下：

圖2 系統(tǒng)組成圖

（1）沉積物收集單元

沉積物收集單元包括高壓沖洗泵、淤泥收集泵、淤泥緩存罐、收集頭、濾網(wǎng)和切割設(shè)備、大臂及大臂擺動(dòng)控制系統(tǒng)。

通過(guò)高壓泵的沖洗，淤泥沖散后淤泥收集泵將泥水混合物料泵送到淤泥緩存罐。

輸水系統(tǒng)河床一般都做硬化處理，清理沉積物時(shí)為了不對(duì)河床造成損傷，需專門設(shè)計(jì)吹吸式收集方式的收集頭。收集頭的沖洗噴嘴噴出高壓沖洗泵的高壓水沖散淤泥，收集頭的吸口吸入泥水混合物。

濾網(wǎng)和切割設(shè)備安裝在收集頭的前端，收集大塊固體，割斷藻類和其他纖維性物體，同時(shí)切割頭打碎淤泥，濾網(wǎng)過(guò)濾后淤泥進(jìn)入收集頭。將大塊固體和藻類提升到水面進(jìn)行收集。

大臂及大臂擺動(dòng)控制系統(tǒng)完成收集頭的左右擺動(dòng)，形成扇形工作面，完成河底的沉積物收集。

（2）分揀單元

分揀單元采用滾筒式微濾機(jī)，淤泥通過(guò)緩存罐再泵送到微濾機(jī)進(jìn)行篩分，直徑＞2mm的沙石，藻類纖維類物質(zhì)將被篩檢出來(lái)，裝箱或者裝袋外運(yùn)。滾筒式微濾機(jī)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的分揀和過(guò)濾，保證連續(xù)作業(yè)。

淤泥水將泵入淤泥脫水緩存罐然后到淤泥脫水單元進(jìn)行處理。

（3）淤泥脫水單元

淤泥脫水單元流程圖見(jiàn)圖3。

圖3 淤泥脫水單元流程圖

淤泥脫水單元主要設(shè)備包括疊螺式污泥脫水機(jī)，化學(xué)注入設(shè)備等，絮凝劑和混凝劑經(jīng)過(guò)化學(xué)注入設(shè)備打入淤泥脫水緩存罐內(nèi)，泥漿經(jīng)過(guò)調(diào)理劑的改性和絮凝劑的凝聚作用，凝結(jié)成大的絮狀物，送至疊螺式污泥脫水設(shè)備，脫水處理，淤泥脫水后做外輸處理。分離水送到余水處理單元。

（4）余水處理單元

根據(jù)GB18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，排放到GB3838《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的地表水Ⅱ類水體，需要達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的B類標(biāo)準(zhǔn)。為保證脫水的余水回排河道，對(duì)水體水質(zhì)不造成影響，將余水經(jīng)過(guò)一次沉淀，在經(jīng)過(guò)纖維轉(zhuǎn)盤(pán)過(guò)濾器做進(jìn)一步過(guò)濾后回排，達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的A類標(biāo)準(zhǔn)。

纖維轉(zhuǎn)盤(pán)過(guò)濾器由中心轉(zhuǎn)鼓、轉(zhuǎn)盤(pán)、反洗系統(tǒng)和配套控制電氣系統(tǒng)等組成。轉(zhuǎn)盤(pán)固定在中心轉(zhuǎn)鼓周圍，并與中心轉(zhuǎn)鼓具有連通孔。原水（污水）由中心轉(zhuǎn)鼓的一端開(kāi)口流入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，并通過(guò)連通孔進(jìn)入各轉(zhuǎn)盤(pán)，轉(zhuǎn)盤(pán)兩側(cè)裝有過(guò)濾布，過(guò)濾布為不銹鋼絲或聚酯絲編織而成，過(guò)濾孔徑最小可達(dá)10μm，單位面積通量最高達(dá)到76L/（s·m2），可以耐受7.5bar反洗沖洗水壓力，有效提高反洗效果。原水通過(guò)過(guò)濾布過(guò)濾后，清水流出過(guò)濾布，從過(guò)濾水出口排出系統(tǒng)外。隨著過(guò)濾的進(jìn)行，過(guò)濾布內(nèi)側(cè)的截留雜質(zhì)不斷增加，過(guò)濾壓差隨之增加，透過(guò)濾布的水量減小。當(dāng)雜質(zhì)堆積到一定程度，中心轉(zhuǎn)鼓液位達(dá)到設(shè)定值，需要進(jìn)行反洗，將過(guò)濾布內(nèi)側(cè)堆積的雜質(zhì)反洗出。反洗水泵抽取透過(guò)過(guò)濾布的清水，噴灑到過(guò)濾布外側(cè)，將過(guò)濾布內(nèi)側(cè)的截留雜質(zhì)沖洗下來(lái)，沖洗后污水掉落在接液盤(pán)內(nèi)，排出裝置外。反洗時(shí)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，反洗水從不同角度噴灑過(guò)濾布，直至轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)1周，過(guò)濾布全部經(jīng)過(guò)清洗，反洗停止，重新進(jìn)入靜止過(guò)濾過(guò)程，直至再次進(jìn)行反洗。

淤泥脫水過(guò)程所使用的調(diào)理劑、絮凝劑等采用食品級(jí)產(chǎn)品，脫水過(guò)程產(chǎn)生的余水經(jīng)過(guò)膜過(guò)濾等深度處理排回水體，確保水體水質(zhì)不因清淤受到影響。

（5）支持平臺(tái)單元

支持平臺(tái)單元是整個(gè)系統(tǒng)的載體，沉積物收集單元、分揀單元、淤泥脫水單元、余水處理單元、動(dòng)力單元、圍污欄等全部安裝在上面。

支持平臺(tái)單元可以采用無(wú)動(dòng)力的甲板駁船，自航甲板駁船，自走式可升降平臺(tái)等。無(wú)動(dòng)力甲板駁船需要拖輪配合。自航甲板駁船帶動(dòng)力可以航行。

由于河道底部已硬化，表面平坦，這是普通河道不具備的，采用專門設(shè)計(jì)的自走式可升降平臺(tái)是個(gè)不錯(cuò)的選擇。走行部采用橡膠履帶式結(jié)構(gòu)，對(duì)河床底部的損傷幾乎可以忽略，定位方便，準(zhǔn)確。因河道需要定期進(jìn)行沉積物清理，這種方案是可行的。

支持平臺(tái)單元需配備錨泊系統(tǒng)，帶纜系統(tǒng)，照明指示系統(tǒng)，作業(yè)人員的辦公休息室等相應(yīng)設(shè)施。

（6）動(dòng)力單元

動(dòng)力單元可提供全系統(tǒng)作業(yè)和生活的電力供應(yīng)。采用清潔能源的LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電機(jī)組提供全系統(tǒng)的用電。動(dòng)力單元留有岸電外接的電源插頭，在岸電方便的情況下使用岸電。動(dòng)力單元的發(fā)電機(jī)組采用一用一備模式確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定。

（7）圍污欄

在全系統(tǒng)的尾部，作業(yè)范圍周圍鋪設(shè)漂浮圍污欄，使得作業(yè)時(shí)泛起的污物得到有效控制。河底可能存在的藻類被采集頭割斷也會(huì)漂浮到水面，通過(guò)圍污欄收集防止其擴(kuò)散。

（8）轉(zhuǎn)運(yùn)方案

在河道寬度大的情況下，脫水污泥的轉(zhuǎn)運(yùn)需要通過(guò)拖船來(lái)完成。生活和作業(yè)物資也需要拖船來(lái)補(bǔ)給。若河道寬度小，可以從支持平臺(tái)搭設(shè)走道平臺(tái)進(jìn)行物質(zhì)補(bǔ)給。淤泥通過(guò)傳送帶直接上岸。

（9）沉積物處理方案

輸水系統(tǒng)所產(chǎn)生的沉積物沙的量很大，其次是脫水淤泥量。

分離出的沙可以作為建筑材料。

因水體常年保持地表水Ⅱ類或更優(yōu)的水質(zhì)，所以脫水的淤泥基本上沒(méi)有重金屬和其他有害物質(zhì)的污染，根據(jù)具體河段污泥性質(zhì)，可以考慮用于園林種植、基礎(chǔ)建設(shè)材料、建材原料甚至農(nóng)用種植土等。

河道污泥焚燒發(fā)電處理也是一種方式，通過(guò)污泥的進(jìn)一步干化處理然后進(jìn)電廠鍋爐焚燒，現(xiàn)在也被采用。

4 特殊部位的沉積物清理

（1）使用水下機(jī)器人

水下機(jī)器人在海洋工程中廣泛使用，當(dāng)然這種設(shè)備的價(jià)格昂貴，成本會(huì)很高。但其不但可以完成清掃也可以進(jìn)行巡檢。隧道和涵洞的沉積物可以被水下機(jī)器人清掃到敞開(kāi)河面后進(jìn)行收集。

（2）使用清掃器

根據(jù)涵洞斷面設(shè)計(jì)專門的清掃設(shè)備，利用隧道水流的大速度產(chǎn)生的水動(dòng)力將雜物清出洞外是安全、便捷和經(jīng)濟(jì)的方法，這種方式在大口徑的管道項(xiàng)目中廣泛使用。

5 健康環(huán)保

水關(guān)系到千萬(wàn)家，水質(zhì)的保證是重中之重。在污泥處理的過(guò)程中采用的化學(xué)藥劑必須采用食品級(jí)產(chǎn)品，設(shè)備的潤(rùn)滑脂和潤(rùn)滑油也應(yīng)當(dāng)采用食品機(jī)械所采用類型，設(shè)備涂裝用的涂料采用無(wú)毒產(chǎn)品。

6 結(jié)束語(yǔ)

輸水系統(tǒng)是不間斷的，泥沙的沉淀不可避免。人工清理沉積物的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)很大，費(fèi)用高昂，高效、安全、經(jīng)濟(jì)的清理設(shè)備的開(kāi)發(fā)是必要的；隨著人工成本的上升，采用新技術(shù)的設(shè)備能夠健康、安全、經(jīng)濟(jì)和高效的解決沉積物清理的問(wèn)題。