南水北調(diào)中線天津干線箱涵水質(zhì)凈化裝置活性炭承載框的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

于廣杰+韋春+李斌

摘 要：南水北調(diào)中線天津干線水源來自南水北調(diào)中線干渠，而干渠工程以明渠為主，沿線的各類污染源上千處，加之社會(huì)不穩(wěn)定各類因素，極易造成水體水質(zhì)污染事件的發(fā)生，研究有效處理措施是非常必要的。

關(guān)鍵詞：南水北調(diào)箱涵；水質(zhì)凈化；設(shè)計(jì)；應(yīng)用方法

一、工程概況

南水北調(diào)中線一期工程是緩解京、津、華北地區(qū)的資源性缺水的特大型跨流域調(diào)水工程，其輸水總干渠自丹江口水庫陶岔渠首引水，向河南、河北、天津、北京四省市供水。天津干線西起河北省保定市徐水縣西黑山村，東至天津市外環(huán)河西，全長(zhǎng)155.305km，采用全箱涵無壓接有壓全自流輸水方式。

二、設(shè)計(jì)背景

（一）污染背景。天津干線箱涵工程水源來自南水北調(diào)中線干渠，而干渠為明渠工程，沿線的各類污染源上千處，加之社會(huì)不穩(wěn)定各類因素，極易造成水體水質(zhì)污染事件的發(fā)生，使污染水進(jìn)入箱涵內(nèi)。

（二）工程背景。天津干線能見到自由水面的建筑物除了渠首的明渠段外，主要為通氣孔、調(diào)節(jié)池、檢修閘和保水堰。一旦水體被污染，在不利用退水渠退水的情況下，能采取措施部位只能在各個(gè)保水堰和調(diào)節(jié)池。

（三）運(yùn)行背景。全線通水運(yùn)行以來，天津市的需水總量日益增加，從運(yùn)行初期的年3億多立方米需求量，到2016年的年8、9億多立方米需求量。一旦發(fā)生水污染事件造成中斷向天津及沿線供水，將給天津1500多萬人口的超級(jí)城市帶來嚴(yán)重的影響，甚至造成社會(huì)秩序混亂。但水污染小概率事件是無法完全避免，一旦發(fā)生如何采取不中斷天津干線供水的有效處理措施是非常必要的。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看是一件必須攻破的難題。

三、方案設(shè)計(jì)

（一）方案構(gòu)思。此裝置的總體設(shè)計(jì)應(yīng)能解決當(dāng)天津箱涵內(nèi)水體發(fā)生水污染時(shí)，能在保水堰堰井自由水面處能快速反復(fù)投放大量活性炭，且應(yīng)使用方便，操作簡(jiǎn)單。基于上述要求，結(jié)合保水堰結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)借鑒卷揚(yáng)平板鋼閘門工作原理，活性炭承載框分為：活性炭承載部分、升降滑道和堰頂提升結(jié)構(gòu)。

（二）安裝位置選擇。長(zhǎng)距離箱涵的保水堰這結(jié)構(gòu)形式的水工建筑在其通水運(yùn)行時(shí)，保水堰的溢流堰堰頂處的水深最小，因此此裝置選擇安裝在溢流堰頂（位置示意圖如下圖1），主要考慮承載框的框體尺寸可以做到最小，框內(nèi)裝滿所需活性炭的數(shù)量也最小，工作荷載也最小，為堰頂提升結(jié)構(gòu)選型放寬了條件。

（三）現(xiàn)場(chǎng)安裝步驟及注意事項(xiàng)。此裝置為工程通水運(yùn)行后根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置的，且安裝時(shí)箱涵不具備停水安裝的條件。因此現(xiàn)場(chǎng)安裝的主要步驟為：現(xiàn)場(chǎng)確定安裝位置、并進(jìn)行測(cè)量放線做好標(biāo)記在堰頂頂部安裝滑道導(dǎo)向裝置（確?；腊惭b時(shí)不因底部水流的沖擊力，使得滑道無法垂直安裝到溢流堰的頂部最佳位置處）安裝左側(cè)滑道（滑道安裝時(shí)，先將滑道放入上步安裝好的導(dǎo)向裝置中間，當(dāng)滑道下端順利頂?shù)揭缌餮唔敳炕炷帘砻鏁r(shí)，快速在滑道頂部畫好最上端第一、二個(gè)膨脹螺栓的位置，然后將滑道拉出，用電錘在堰井混凝土墻上打眼后，再次將滑道放入安裝位置進(jìn)行固定）安裝右側(cè)滑道（方法同左側(cè)）將承載框體放入左右滑道內(nèi)（框體左右先用繩索固定在堰頂）安裝上部提升結(jié)構(gòu)（即電動(dòng)葫蘆）通電上下提升框體，測(cè)試運(yùn)行是否平穩(wěn)安裝左右側(cè)剩余固定螺栓框體內(nèi)放入活性炭炭包進(jìn)行全荷載調(diào)試（測(cè)試完畢后拆掉繩索）安裝完成。

四、應(yīng)用方法

（一）活性炭種類和外包裝材料的選擇。椰殼活性炭外形為不定形顆粒，具有機(jī)械強(qiáng)度高，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，比表面積大，吸附速度快，吸附容量高，易于再生，經(jīng)久耐用等特點(diǎn)，據(jù)箱涵內(nèi)水利條件建議采用椰殼活性炭，考慮更換搬運(yùn)建議外包裝采用過濾紙布包裝，每包15公斤左右。

（二）活性炭包的放置方法和注意事項(xiàng)。此裝置使用時(shí)，為使箱涵內(nèi)的水體順利通過承載框體內(nèi)放置的活性炭炭包，同時(shí)降低水流對(duì)框體的沖力，保證裝置的安全運(yùn)行，炭包擺放不要太密實(shí)，建議采用錯(cuò)位擺放。另此裝置為單調(diào)點(diǎn)提升結(jié)構(gòu)，炭包擺放應(yīng)左右放置數(shù)量大體均等，確保上下提升穩(wěn)定。

五、深入研究方向和建議

1、此裝置只是解決了箱涵水體一旦發(fā)生水污染事件時(shí)能快速將一定量的活性炭快速投放到水體內(nèi)。但多長(zhǎng)時(shí)間更換一次活性炭需要進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。因此建議最好能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立比例模型，模擬箱涵不同過流、不同污染濃度、不同污染物質(zhì)條件下的模擬實(shí)驗(yàn)，提供技術(shù)參數(shù)，便于應(yīng)急處置時(shí)的活性炭的更換頻率。2、據(jù)了解目前的大體積水體污染凈化大都采用活性炭，至于活性炭采用哪種最有效，效果最佳，采用那類包裝材料更有益于活性炭的吸附，建議應(yīng)深入進(jìn)一步研究確定，為實(shí)際應(yīng)急提供參考。3、隨著新型材料的不斷涌現(xiàn)，此裝置可以裝填新型吸附材料進(jìn)行水污染應(yīng)急處置。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶亞，任華堂，夏建新.突發(fā)水污染事故不同應(yīng)對(duì)措施處置效果模擬[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，21（2）：203-213.endprint