孫銘超

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局天津分局，天津300000）

南水北調(diào)中線干線工程總干渠采用明渠輸水，外來雜物進入渠道后形成淤積物，加之水體自生藻類的不斷繁殖，易沉積在水流較緩的退水閘、分水口等部位。天津干線2014年底建成正式通水運行至今已經(jīng)近4年，由于采用箱涵結(jié)構(gòu)，在西黑山進口閘、西黑山排冰閘、子牙河北分流井、外環(huán)河出口閘的部位出現(xiàn)較嚴(yán)重的淤積情況，在一定程度上影響了供水水體流速、水量計量和運行安全。清淤工作的開展，需要選擇適宜南水北調(diào)工程的清淤設(shè)備，本文就清淤設(shè)備的選擇與研制進行詳細闡述。

1 清淤方式的選擇

1.1 清淤設(shè)備選型要求

南水北調(diào)中線工程起點位于漢江中上游丹江口水庫，供水區(qū)域為河南、河北、北京、天津4?。ㄊ校?。天津干線作為中線工程的一部分，清淤設(shè)備的選型與研制也要滿足總干渠的需要。

南水北調(diào)中線工程沿線淤積點較多，淤積面積不大，分布較為分散，淤積點附近場地空間有限，不適于大型設(shè)備作業(yè)，需采用小型移動設(shè)備清淤。工程要求全年不間斷供水，無法采用停水排空清淤的方式，清淤設(shè)備要滿足正常輸水的工況，并且在清淤過程中不能造成淤泥擴散、水體二次污染的情況發(fā)生。

1.2 清淤方式

通過對目前國內(nèi)清淤方法及相關(guān)設(shè)備調(diào)研，清淤工程一般為兩步，第一步是將淤泥與水體分離；第二步是淤泥處理。

1.2.1 淤泥上岸

通過設(shè)備將淤泥（泥水混合物）抽吸上岸，上岸后進行進一步處理。目前國內(nèi)一般通過泵抽吸或絞吸，根據(jù)泵的類型不同和搭載泵的載具不同，抽吸裝置種類很多，淤積嚴(yán)重的可采用抓斗直接處理。不同類型的淤泥抽吸設(shè)備如下頁圖1所示。

1.2.2 淤泥處理

淤泥上岸后，根據(jù)淤泥內(nèi)部所含物質(zhì)的不同，處理方式不同。直接曬干后再收集的方法，對場地需求大，容易造成二次污染，目前較少采用。使用水工管袋過濾的方式（見下頁圖2），縮小了場地面積，減少二次污染，但總體占地面積仍較大，過濾時間長的缺點無法改善。在泥水混合物中添加試劑絮凝后使用高速離心機脫水的方式（見下頁圖3），占用場地小，處理速度快，脫水后的淤泥含固量高，可進一步壓縮成肥料或制磚，進行二次利用，因此選擇此類型的處理方式相對合適。

1.2.3 南水北調(diào)中線工程清淤方式的選擇

南水北調(diào)中線工程渠道內(nèi)的淤泥主要為藻類死亡后尸體及空氣中或原水中塵土沉積。淤泥中有機質(zhì)高，顆粒小，容易沉降。清淤工作通過水下清淤機器人將渠道內(nèi)淤積物絞吸至振動篩，大于2 mm的雜質(zhì)被過濾出來，外運處理。小于2 mm的泥漿進入均質(zhì)槽，PAC投配裝置向均質(zhì)槽投加混凝劑并充分?jǐn)嚢?，然后通過泵送系統(tǒng)輸送至臥螺離心機，與制備好的PAM溶液（水取自渠道）在管路中在線混合之后進入脫水機進行分離脫水。處理后的清水回排到渠道；排出的固渣可用于綠化種植土，達到資源合理化利用。滿足正常輸水下清淤的工況，不會造成淤泥擴散、水體二次污染，易于實現(xiàn)設(shè)備小型化、可移動使用的要求。

圖1 不同類型淤泥抽吸設(shè)備

圖2 水工管袋過濾

圖3 螺旋機離心處理

2 清淤設(shè)備的研制

整套設(shè)備考慮由淤泥上岸設(shè)備、預(yù)處理設(shè)備、脫水處理設(shè)備組成，國內(nèi)目前沒有現(xiàn)成的設(shè)備可供選擇，需要進行相關(guān)設(shè)備的研制。

2.1 清淤設(shè)備研制目標(biāo)

淤泥上岸設(shè)備不會對水體產(chǎn)生油污等污染；揚程應(yīng)大于10 m，泵送流量不可低于10 m3/h；應(yīng)配有定位設(shè)備和高清攝像頭，可查看淤泥清理情況和水底情況。

預(yù)處理設(shè)備、脫水設(shè)備淤泥處理能力：淤積物主要成分為黏土，不低于400 kg/h（干基）；淤積物主要成分為藻類，不低于200 kg/h（干基）；處理后固渣含固率要求35%以上（固渣有機物含量小于15%）；處理后固渣含固率18%～35%（有機物含量大于15%）。

整套設(shè)備車載可移動，車輛長度不超過7 m，寬度不超過3 m，高度不超過4 m，設(shè)備盡量小型、便捷；應(yīng)配備電氣控制系統(tǒng)，操作人員不多于10人。

2.2 淤泥上岸設(shè)備

淤泥上岸設(shè)備主要由水下清淤機器人、多功能運載車、臍帶纜、污水管組成。

水下清淤機器人自帶控制系統(tǒng)，整體采用為液壓驅(qū)動、超小機身設(shè)計，工作性能高，穩(wěn)定性強，潛水深度可達50 m，并配備防水電纜（見下頁圖4）。機器人尺寸2 100 mm×1 100 mm×800 mm（長×寬×高），機器人重量900 kg，清淤寬度1 100 mm，行進速度3～15 m/min，可泵送顆粒直徑8 mm，泵送流量22 m3/h，揚程15.7 m。機器人通過污泥回收裝置集中到吸污口，利用吸污泵將淤泥吸入，履帶式行走機構(gòu)與“絞籠+粉碎”吸污排污相結(jié)合，實現(xiàn)自主清淤排污。配置水下成像聲吶，700線專業(yè)渾水?dāng)z像機與深度、溫度等傳感信息融合全方位觀察水下情況，實現(xiàn)復(fù)雜淤泥環(huán)境感知的清淤作業(yè)。

圖4 水下清淤機器人示意圖

多功能運載車輛配備卷纜機、液壓動力站、車載吊和控制臺，主要用于控制、配合運載清淤機器人開展清淤工作?；h(huán)卷纜機卷纜長度100 m，液壓驅(qū)動，拉力大于1 t，采用滑環(huán)不間斷通信。車載折疊吊伸出車廂長度3 m，起吊重量1 000 kg，利用電纜全時牽引。

圖5 多功能運載車示意圖

2.3 預(yù)處理設(shè)備

預(yù)處理設(shè)備主要由振動篩、均質(zhì)槽和PAC投配裝置構(gòu)成。設(shè)現(xiàn)地控制箱，觸摸式屏幕，RS485通信接口，提供干接點輸出信號。

振動篩過流能力5～10 m3/h，用于除去淤泥中2 mm以上的石子、砂礫、樹葉、樹枝等雜質(zhì)，對后端輸送泵、脫水設(shè)備等起到保護作用。振動篩篩分出的雜質(zhì)，呈干燥形態(tài)，容易收集。

篩濾后小于2 mm的漿液落入安裝在下方的均質(zhì)槽中，同時PAC投配裝置向均質(zhì)槽中投加適量PAC干粉，攪拌機對漿液與PAC干粉進行充分?jǐn)嚢杌旌?，完成預(yù)處理的漿液送入下階段進行脫水處理。

在均質(zhì)槽高位處設(shè)有溢流口，當(dāng)液位到達溢流口，漿液將通過溢流口連接的管道回流到渠道中。在均質(zhì)槽低位處設(shè)有排空口，方便均質(zhì)槽的清洗和清空。

2.4 脫水處理設(shè)備

脫水處理設(shè)備包括淤泥專用脫水機、進料系統(tǒng)、絮凝劑PAM投配系統(tǒng)、固渣輸送器、水泵等。

預(yù)處理后的漿液通過進料轉(zhuǎn)子泵送向C3型淤泥專用脫水機，在脫水機進料口，漿液與制備好的PAM溶液（水取自渠道）在管路中在線混合之后進入脫水機進行分離脫水。脫水處理后液體排回渠道，固渣通過無軸螺旋輸送器排出后進行收集?？捎糜诰G化種植土，達到資源合理化利用。

脫水處理設(shè)備控制系統(tǒng)采用PLC觸摸屏控制，預(yù)留以太網(wǎng)接口，其運行模式分為手動、半自動、自動三種控制方式?？刂葡到y(tǒng)能根據(jù)生產(chǎn)工藝要求從物料脫水各設(shè)備的啟動、進料、脫水、出料、輸送直至設(shè)備停機、臥螺離心機清洗全過程自動/手動操作控制，工作狀態(tài)參數(shù)測量與顯示，異常狀態(tài)檢測、報警和聯(lián)鎖控制功能，以確保脫水系統(tǒng)的運行安全可靠。

2.5 設(shè)備裝載車輛

預(yù)處理設(shè)備、脫水處理設(shè)備分別裝載于1輛翼開啟廂式載貨車上，車輛外形尺寸6 995 mm×2 420 mm×3 650 mm（長×寬×高），載重 5 t。

3 清淤設(shè)備試驗

3.1 清淤設(shè)備試驗要求

3.1.1 水下清淤機器人基本性能

行走能力：主要觀測陸上行走速度（水下陸上）、可爬坡角度、轉(zhuǎn)向能力（水下陸上），要求帶管道操作。

水下攝影及聲吶系統(tǒng)：將水下清淤機器人置于外環(huán)河出口閘出口（高流速）、出口30 m處（中流速）、出口50 m處（低流速），機器人水下攝像及聲吶系統(tǒng)運行情況和水下拍攝、定位效果等。

泵送流量及距離：將清淤水下機器人置于外環(huán)河淤泥中后，固定位置絞吸抽取淤泥，絞吸泵泵送最大流量、距離等是否符合要求。

3.1.2 水下清淤機器人絞吸淤積物的具體形態(tài)和理化性質(zhì)

通過水下清淤機器人置于外環(huán)河出口閘不同位置（可為減速壩前，減速壩5 m后，曹莊泵站前等），記錄絞吸淤泥的深度，取最少3個深度（從表層到底部）的淤泥樣本，每個樣本不少于3個，分析淤泥具體形態(tài)和理化性質(zhì)。

3.1.3 預(yù)處理設(shè)備和脫水處理設(shè)備性能

基本性能測試：設(shè)備整體運行是否流暢，運行參數(shù)是否可行；藥劑投放裝置是否運行流暢。

脫水產(chǎn)生的水體水質(zhì)情況：取設(shè)備啟動后不同時間段所產(chǎn)生的水體，測試水質(zhì)電導(dǎo)率、化學(xué)需氧量、pH等參數(shù)。要求實驗最少包含設(shè)備啟動后第一批和設(shè)備關(guān)閉前最后一批水體。

固渣含固率測試：取設(shè)備啟動后不同時間段所產(chǎn)生的固渣，測試固渣含固率。要求實驗最少包含設(shè)備啟動后第一批和設(shè)備關(guān)閉前最后一批固渣。

待設(shè)備調(diào)試及最佳運行參數(shù)確認(rèn)后，正常運行6 h，統(tǒng)計藥劑使用量。

3.2 清淤設(shè)備試驗完成情況

至2018年12月10日，在外環(huán)河出口閘進行的清淤設(shè)備試驗工作完成了水下清淤機器人行走能力、水下攝影及聲吶系統(tǒng)、泵送流量及距離、淤泥不同位置取樣、脫水后水體水質(zhì)檢驗、固渣含固率測試、藥劑使用量統(tǒng)計、清淤效率測試等工作，清淤設(shè)備的宏觀效果和量化參數(shù)符合預(yù)期，設(shè)備運行有效。

3.3 清淤設(shè)備存在的問題及建議

在清淤設(shè)備試驗過程中出現(xiàn)了一些問題，經(jīng)過研制廠家的不懈努力得到了解決，但在今后的使用中要注意如下問題。

（1）外環(huán)河出口閘設(shè)有清理漂浮物的浮排，水下墜有配重塊及失落的配重塊，導(dǎo)致試驗狀況較預(yù)想復(fù)雜，出現(xiàn)了撞擊配重塊纏繞住繩索的現(xiàn)象。實際淤積物也與清淤目標(biāo)存在不同，出口閘閘后池中間部分水流流速快淤積較輕，小貝殼多，剛開始容易堵塞泵前濾網(wǎng)，后調(diào)整濾網(wǎng)孔徑，問題解決；兩邊部分水流流速緩淤積較厚，淤積物中有較多樹葉和其他雜物，容易堵塞污泥回收裝置網(wǎng)孔，需要把機器人出水，人工進行清理。

（2）水下清淤機器人采用液壓動力，液壓閥組采取了密封措施，但在試驗過程中出現(xiàn)了閥件滲漏，壓力升高頂開密封裝置的情況。在使用過程中要注意系統(tǒng)壓力的變化，發(fā)現(xiàn)異常及時把機器人出水進行檢查，制定油污染清理應(yīng)急預(yù)案，一旦出現(xiàn)污染情況及時啟動應(yīng)急預(yù)案，采取措施清除污染物。

（3）3臺車輛上設(shè)備的供電連接點、管路連接點、出渣位置要考慮總干渠旁邊道路較窄，車輛需要依次布置的狀況，便于操作。除清淤設(shè)備3臺車輛外，根據(jù)設(shè)備電力需求較大的情況，建議增加移動發(fā)電車集中供電；增加工器具車輛，用來裝載專用工器具及清渣工具。

4 結(jié)語

清淤設(shè)備在南水北調(diào)中線工程中的實際應(yīng)用表明，清淤效果明顯，高效、環(huán)保，水下清淤機器人吸泥上岸與臥螺離心機泥水分離的設(shè)備組合可以實現(xiàn)設(shè)備小型化，可移動使用，自動化程度高。建議清淤設(shè)備可在全線推廣使用，以達到清潔水質(zhì)、輸水安全、工程順利運行的目的。