吳林峰 李昊 張佩綸 李成

摘要：南水北調(diào)中線工程干渠因藻類滋生而影響水質(zhì)。為了保證供水安全，在干渠止水閘門前設(shè)置格柵類過(guò)濾設(shè)備，機(jī)械式對(duì)渠道水中藻類等污物進(jìn)行攔截，以減輕水質(zhì)污染的程度及對(duì)原管網(wǎng)的損害。全自動(dòng)機(jī)械式除藻攔污設(shè)備以止水閘門門槽為支撐進(jìn)行安裝，設(shè)備由對(duì)過(guò)流斷面中藻類等污物攔截的過(guò)濾裝置、帶動(dòng)過(guò)濾裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、將過(guò)濾裝置上攔截下來(lái)的藻類等污物進(jìn)行處理的沖洗機(jī)構(gòu)和排污機(jī)構(gòu)，以及對(duì)以上機(jī)構(gòu)和裝置進(jìn)行控制的全自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。該設(shè)備在南水北調(diào)中線工程鄭州段十八里河止水閘門門槽成功安裝和運(yùn)行表明：對(duì)水中藻類等污物可以成功攔截60%;該全自動(dòng)機(jī)械式攔藻截污技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：止水閘門門槽;全自動(dòng);過(guò)濾裝置;南水北調(diào)中線工程

中圖分類號(hào)：TV213;TV53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000-1379.2019.01.027

1 工程背景

南水北調(diào)中線工程是一項(xiàng)跨流域、跨省市的特大型水利工程，是優(yōu)化我國(guó)水資源配置，解決京、津和華北平原水資源供需矛盾的重大調(diào)水工程。隨著工程的試運(yùn)行，總干渠局部藻類滋生，尤其是高溫的夏季，藻類生長(zhǎng)和繁殖加快，其中以硅藻、綠藻和藍(lán)藻為主，且沿程藻類數(shù)量和尺寸長(zhǎng)度呈增加趨勢(shì)。藻類大量繁殖影響水質(zhì)、增大水廠處理難度。藻類大量繁殖形成的次生物質(zhì)導(dǎo)致水中產(chǎn)生臭味，增加水的腐蝕性，在夏季高水溫情況下，容易導(dǎo)致管網(wǎng)產(chǎn)生“黃水”?；炷恋砣コ孱愋Ч患眩彝斐蔀V池堵塞，縮短濾池反沖洗周期，導(dǎo)致產(chǎn)水率下降[1-4]。針對(duì)南水北調(diào)中線工程輸水水質(zhì)和水量特征，為做好城市供水安全保障工作，需要在干渠各個(gè)區(qū)段及其主要分水口門設(shè)置格柵，解決干渠藻類滋生和污物漂流問(wèn)題，保證總干渠水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

2 攔截原理及方案設(shè)計(jì)

選擇南水北調(diào)中線鄭州十八里河段為典型渠段，進(jìn)行渠道中藻類、污物攔截和清除方案設(shè)計(jì)。鄭州十八里河閘門及門槽為立式結(jié)構(gòu)，止水閘門門槽總寬30m，由4扇平面閘門組成，單門槽寬度為7m，高為10.9m（其中水下高度為5.6 m），閘門門槽安裝寬度為0.86m，正常狀態(tài)下渠道通水，閘門是提起、開啟狀態(tài)，即多數(shù)情況下閘門門槽是閑置狀態(tài)。

充分利用門槽的閑置狀態(tài)，以現(xiàn)有閘門門槽為依托，在門槽位置放置過(guò)濾裝置。不改動(dòng)和破壞門槽的結(jié)構(gòu)，在門槽上安裝和固定過(guò)濾裝置及其動(dòng)力裝置，并按要求做好該設(shè)備與門槽間的止水及固定支撐，利用設(shè)備上下液面壓差及渠道水流慣性，攔截過(guò)流斷面上的藻類及污物。藻類和污物不需要一次攔截、清除干凈，只需要將流經(jīng)斷面的、最大尺寸10 mm以上的團(tuán)狀藻類及污物攔截下來(lái)即可，不對(duì)水質(zhì)造成二次污染。同時(shí)，藻類和污物被濾網(wǎng)攔截下來(lái)后，如果不能及時(shí)脫離濾網(wǎng)，那么勢(shì)必會(huì)增加水流過(guò)閘水頭損失，對(duì)渠道輸水造成一定影響，因此設(shè)置相應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、沖洗機(jī)構(gòu)、排污機(jī)構(gòu)等部件，由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)過(guò)濾裝置作周期性旋轉(zhuǎn)，由沖洗機(jī)構(gòu)對(duì)過(guò)濾裝置上的污物進(jìn)行沖洗，以使污物與濾網(wǎng)快速、及時(shí)分離，最大限度降低濾網(wǎng)對(duì)渠道水流行進(jìn)的影響，并保證藻類和污物攔截、過(guò)濾的連續(xù)性，見(jiàn)圖1。

受門槽結(jié)構(gòu)限制，以及原設(shè)計(jì)賦予工作閘門的運(yùn)行要求，全自動(dòng)機(jī)械式除藻、攔污設(shè)備只能通過(guò)門槽上方的空間進(jìn)行自主沖洗、驅(qū)動(dòng)、排污和控制等，并能方便、靈活地與門槽進(jìn)行組合與拆分。因此，全自動(dòng)機(jī)械式除藻設(shè)備以過(guò)濾裝置為核心，由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、沖洗機(jī)構(gòu)周期性對(duì)過(guò)濾裝置清洗、排污機(jī)構(gòu)臨時(shí)存儲(chǔ)過(guò)濾裝置沖洗下來(lái)的污物，過(guò)濾裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、沖洗結(jié)構(gòu)以及排污機(jī)構(gòu)全部安裝在支撐機(jī)構(gòu)上，將支撐機(jī)構(gòu)放在門槽里，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)攔藻除污工作系統(tǒng)化。為了操作便利，對(duì)過(guò)濾裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、沖洗機(jī)構(gòu)和排污機(jī)構(gòu)進(jìn)行操縱的全自動(dòng)控制系統(tǒng)裝在門槽一側(cè)的頂部，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)鏈輪驅(qū)動(dòng)過(guò)濾裝置旋轉(zhuǎn)，在沖洗機(jī)構(gòu)射流沖洗下，將濾網(wǎng)上的藻類等污物沖洗到排污機(jī)構(gòu)中，排污機(jī)構(gòu)中污物達(dá)到一定量時(shí)，排污機(jī)構(gòu)工作排出污物。這一系列動(dòng)作通過(guò)控制系統(tǒng)中的PC端輸入到PLC控制器中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行，見(jiàn)圖3。

3 全自動(dòng)機(jī)械式除藻攔污設(shè)備設(shè)計(jì)

3.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與過(guò)濾裝置

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)、電位器、聯(lián)軸器、減速器、變頻器等組成，電動(dòng)機(jī)是傳動(dòng)裝置的“心臟”，采用變頻調(diào)速器驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)過(guò)濾裝置的無(wú)級(jí)調(diào)速，削減電機(jī)啟停時(shí)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的沖擊和震動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為Y132S-4，額定功率為5.5 kW。減速器的型號(hào)為BWD3-23-5.5KW，減速比為23.輸出轉(zhuǎn)速約為60 r/mm。由于過(guò)濾裝置傳動(dòng)中心距大，水中作業(yè)，耐腐蝕，中等精度，因此選擇滾子鏈傳動(dòng)，以保證傳動(dòng)的穩(wěn)定性和可靠性。選擇C2062型滾子鏈，鏈節(jié)距為38.1 mm，驅(qū)動(dòng)輥直徑為320 mm，輥齒數(shù)為19個(gè)，從動(dòng)輥直徑為340 mm，輥齒數(shù)為27個(gè)，鏈條片厚3 mm，鏈條片高24mm，鏈和輥材質(zhì)均為SUS304，滾子鏈傳動(dòng)速度為0.1m/s。

過(guò)濾裝置采用不銹鋼鋼絲織網(wǎng)，選擇6 mmx6 mm的菱形網(wǎng)孔，見(jiàn)圖4?？椌W(wǎng)兩端和鏈條裝配在一起，稱為鏈網(wǎng)。鏈網(wǎng)可折彎性強(qiáng)，可以根據(jù)鏈條的運(yùn)動(dòng)軌跡自行彎曲，既不會(huì)因網(wǎng)孔過(guò)密而造成水壓增大，又可以滿足攔藻截污要求。

單門槽寬7m，設(shè)備工作面較寬，在門槽寬度方向，將工作面分為四個(gè)部分，選擇四面小幅面鏈網(wǎng)，使鏈網(wǎng)具有較高的抗沖擊機(jī)械強(qiáng)度，防止在水流的沖擊下鏈網(wǎng)變形或損壞，影響設(shè)備性能和使用壽命。驅(qū)動(dòng)輥采用單電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)，使用帶鍵槽的剛性同步裝置連接鏈輪與鏈條的嚙合，保證鏈網(wǎng)同步平穩(wěn)運(yùn)行。

3.2 沖洗機(jī)構(gòu)

沖洗機(jī)構(gòu)由水泵、水管和多個(gè)射流噴嘴等組成，見(jiàn)圖5、圖6。利用渠道中的水給水泵供水，潛水泵流量為28 m3/h，揚(yáng)程為30 m.噴嘴分上下兩排交錯(cuò)布置在水管支座上，根據(jù)鏈網(wǎng)幅寬設(shè)置兩排交錯(cuò)等間距的不銹鋼可調(diào)球形螺紋扇形可拆卸噴嘴，噴嘴水平間距為125 mm.噴嘴離網(wǎng)面300 mm.共20個(gè)。工作時(shí)鏈網(wǎng)旋轉(zhuǎn)到設(shè)定位置水泵對(duì)噴嘴供水，噴射形成的水柱在鏈網(wǎng)面上形成不間斷覆蓋式的清洗工作面，將附著在鏈網(wǎng)上的藻類和污物沖至排污機(jī)構(gòu)的污水收集箱中，進(jìn)行沉淀過(guò)濾。沖洗機(jī)構(gòu)額定功率為3 kW、額定電壓為380 V、額定電流為5.6 A、工作頻率為50 Hz。

3.3 排污機(jī)構(gòu)

從鏈網(wǎng)上經(jīng)過(guò)沖洗機(jī)構(gòu)沖洗下來(lái)的藻類和污物，被收集到污水收集箱中后，由PC端控制電機(jī)啟動(dòng)污水泵將收集箱污物定時(shí)排出到指定地點(diǎn)，見(jiàn)圖7.污水收集箱容積為1.4 m。排污機(jī)構(gòu)額定功率為3 kW、額定電壓為380 V、額定電流為3.75 A、工作頻率為50 Hz。

收集箱的液面上限受液位開關(guān)控制，防止污物溢出，排出次數(shù)由PLC自動(dòng)判斷并控制其運(yùn)行時(shí)間，排污頻率隨季節(jié)變化，在夏季藻類生長(zhǎng)旺盛期，每隔10mm沖洗一次，沖洗時(shí)間為30 s，春秋季沖洗間隔要長(zhǎng)些，冬天則暫停沖洗工作（工作頻率由工作人員設(shè)定）。

3.4 自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)PLC根據(jù)運(yùn)行工況設(shè)計(jì)為操作員手動(dòng)控制攔截系統(tǒng)、自動(dòng)控制攔截系統(tǒng)和人工遠(yuǎn)程遙控?cái)r截系統(tǒng)3種工作模式，見(jiàn)圖7?？刂乒癫捎檬彝夥烙晷?，布置在清污機(jī)的一端，在控制柜上設(shè)有電源控制、過(guò)濾裝置控制、沖洗機(jī)構(gòu)控制、排污機(jī)構(gòu)控制的按鈕、旋鈕及觸摸屏，同時(shí)設(shè)有電壓、電流以及各機(jī)構(gòu)工作的相關(guān)指示燈，操作簡(jiǎn)單，還設(shè)置了自動(dòng)、手動(dòng)、遠(yuǎn)程遙控旋鈕，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作、自動(dòng)運(yùn)行以及遠(yuǎn)程控制，使得全自動(dòng)機(jī)械式除藻攔污設(shè)備更加符合實(shí)際需要，提高了工作效率。

4 全自動(dòng)機(jī)械式除藻攔污技術(shù)應(yīng)用與效果分析

首臺(tái)全自動(dòng)機(jī)械式除藻攔污設(shè)備總高度為7.7 m，地面部分高1.7 m.在鄭州段劉灣分水口上游的十八里河倒虹進(jìn)口檢修閘門門槽安裝并運(yùn)行。設(shè)備經(jīng)過(guò)1 a的試運(yùn)行，運(yùn)行效果良好，對(duì)枯枝、落葉、雜草等污物全部攔截，對(duì)藻類攔截率達(dá)到60%，通過(guò)濾網(wǎng)反復(fù)攔截、沖洗最終使工作區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)達(dá)標(biāo)。設(shè)備各項(xiàng)功能指標(biāo)經(jīng)實(shí)際工況運(yùn)行檢驗(yàn)后完全符合設(shè)計(jì)要求，若將該技術(shù)推廣應(yīng)用于南水北調(diào)中線工程1 000多km的渠道中，則完全滿足使用要求。

與傳統(tǒng)除藻采用的人工打撈方法相比較，全自動(dòng)機(jī)械式除藻攔污技術(shù)大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，很大程度上降低了勞動(dòng)的危險(xiǎn)性，大幅提高了除藻攔污的工作效率。全自動(dòng)除藻攔污設(shè)備可以一天24 h不間斷循環(huán)工作，并且可根據(jù)藻類滋生的情況實(shí)時(shí)修改工作頻率，使設(shè)備的除藻效率與能源消耗量處于經(jīng)濟(jì)水平。若按照每個(gè)班組4人，每天3個(gè)班組，每人4 000元/月計(jì)算，每月直接工資支出為4.8萬(wàn)元。一臺(tái)全自動(dòng)除藻攔污設(shè)備售價(jià)為50多萬(wàn)元，只需約la的時(shí)間設(shè)備投資支出即可與人工打撈持平，而設(shè)備日后維護(hù)只需較低的費(fèi)用（含維護(hù)人員工資每年約占設(shè)備投資的12%）。按設(shè)備使用壽命10 a計(jì)，直接節(jié)省資金500余萬(wàn)元。以上是一處除藻攔污設(shè)備的收益，而南水北調(diào)中線工程共有64座節(jié)制閘，設(shè)有88座分水口門，總的經(jīng)濟(jì)效益將達(dá)到32 000萬(wàn)元以上，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

全自動(dòng)除藻攔污設(shè)備在南水北調(diào)中線干渠節(jié)制閘和分水口門前上游位置安裝，直接降低了南水北調(diào)水源使用方對(duì)水體處理的難度，同時(shí)提高了渠道水體中的含氧量，可提高渠道生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和維持生物多樣化，社會(huì)效益顯著，因此具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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