河道大型調(diào)蓄池泥沙沖洗方案比選研究

馬小琴

（ 廣東水電二局股份有限公司,廣東 廣州 511340）

0 引言

大沙河是南山區(qū)的母親河,經(jīng)過前期沿河截流箱涵工程的實(shí)施,流域解決了旱季漏排污水入河問題,但降雨期間,河道雨季溢流嚴(yán)重,水質(zhì)保障率較低,面源污染隨雨水會(huì)溢流入河入灣,影響大沙河及深圳灣水質(zhì),同時(shí),截流箱涵積水散發(fā)臭味,不符合大沙河生態(tài)長(zhǎng)廊景觀公園的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn),已引起較大的社會(huì)負(fù)面反響,也經(jīng)常受到市民游客的投訴反映。大沙河“逢雨必益,水質(zhì)反復(fù)”現(xiàn)象已不能滿足人們對(duì)美好環(huán)境日益增長(zhǎng)的訴求。同時(shí),國(guó)家環(huán)保督查對(duì)黑臭水體治理長(zhǎng)治久清的要求日益嚴(yán)格,對(duì)面源污染控制、局部合流制區(qū)的污染控制等均提出了更高的要求,初期雨水達(dá)標(biāo)考核等亦逐步提上日程,因此對(duì)初雨調(diào)蓄處理等建設(shè)已刻不容緩。結(jié)合其他城市和深圳市已建調(diào)蓄池運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),調(diào)蓄池泥沙淤積嚴(yán)重且難以清理,為提高工人的工作環(huán)境、便于運(yùn)行管理,需要在調(diào)蓄池內(nèi)設(shè)置沖洗系統(tǒng),減小調(diào)蓄池池內(nèi)清淤次數(shù)[1-4]。

本文基于大沙河調(diào)蓄池工程,提出了空沖洗方案、門式?jīng)_洗方案、智能噴射器方案以及水力翻斗沖洗方案等多種泥沙沖洗方案,并對(duì)各方案的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析,以期能為減輕大型調(diào)蓄池池內(nèi)泥沙淤積情況,提高調(diào)蓄池的運(yùn)行效率提供借鑒。

1 工程概況

大沙河是南山區(qū)的母親河,貫穿整個(gè)南山區(qū),流域面積92.99 km2,干流河長(zhǎng)13.7 km,其中山林地生態(tài)區(qū)及水庫(kù)控制面積約為59.21 km2,占總面積63.67%,建成區(qū)約33.78 km2,占總面積的36.33%。作為深圳市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)匯聚區(qū)。近年來(lái),南山區(qū)人口數(shù)量與日俱增,流域生態(tài)環(huán)境壓力十分大,目前,大沙河流域主要存在以下問題：（1）雨季面源污染溢流、水體黑臭問題；（2）流域生態(tài)山林區(qū)未實(shí)現(xiàn)清污分流。為緩解大沙河初小雨面源污染問題,按照“清污分流；分質(zhì)排放；復(fù)合開發(fā)；智慧運(yùn)維；統(tǒng)籌調(diào)度”的總體思路,決定在大沙河流域建設(shè)5 座調(diào)蓄池,布局方案見圖1。

圖1 調(diào)蓄池布局方案

結(jié)合現(xiàn)狀用地協(xié)調(diào)情況、工程經(jīng)濟(jì)性、施工難度及后期的運(yùn)營(yíng)管理等因素,調(diào)蓄池優(yōu)先采用箱涵+局部新增重力轉(zhuǎn)輸方案,在該方案下中1#、2#、3#、4#、5#調(diào)蓄池的規(guī)模分別為2.3 萬(wàn)m2、4.0 萬(wàn)m2、12.8 萬(wàn)m2、3.5 萬(wàn)m2和1.4 萬(wàn)m2,流域初（?。┯杲亓骺傄?guī)模為24.0 萬(wàn)m2/d,將匯水分區(qū)內(nèi)的區(qū)域共分為兩類區(qū)域,Ⅰ類區(qū)域?yàn)橛晡鄯至鲄^(qū)域,截流標(biāo)準(zhǔn)為8 mm/1.5 h,Ⅱ類區(qū)域?yàn)榻亓魇胶狭髦茀^(qū)域, 截流標(biāo)準(zhǔn)為15 mm/1.5 h。各調(diào)蓄池具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 調(diào)蓄池設(shè)計(jì)參數(shù)概況

2 沖洗方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了四種調(diào)蓄池泥沙沖洗方案：方案一為真空沖洗方案；方案二為門式?jīng)_洗方案；方案三為智能噴射器方案；方案四為水力翻斗沖洗方案[5-8]。以下將對(duì)各泥沙沖洗方案進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明。

2.1 真空沖洗方案

真空沖洗是一種利用真空泵的抽真空作用,通過真空控制系統(tǒng)和真空閥將存水室中的空氣抽出,形成一定的真空度,使存水室內(nèi)的液位升高至設(shè)定液位,調(diào)節(jié)池需要沖洗時(shí)將存水室頂部的隔膜閥打開,破壞真空,通過存水室內(nèi)的蓄水對(duì)調(diào)節(jié)池底泥進(jìn)行沖洗。該方案具有節(jié)能型、無(wú)動(dòng)力、無(wú)能源消耗等特點(diǎn)。真空沖洗系統(tǒng)全套設(shè)備均設(shè)置于調(diào)節(jié)池外部,主要由真空隔膜閥、控制柜及電纜、超聲波液位計(jì)等主要設(shè)備組成,真空隔膜閥的主要作用是調(diào)節(jié)池存水室真空釋放和存水室氣室開閉,超聲波液位計(jì)的主要作用是沖洗水收集槽和調(diào)節(jié)池液位監(jiān)控。

真空沖洗系統(tǒng)的工作管理見圖2。第一步,調(diào)節(jié)池和存水室均空置；第二步,調(diào)節(jié)池開始進(jìn)水,合流制污水開始流入雨水調(diào)節(jié)池,調(diào)節(jié)池液位開始升高；第三步,當(dāng)調(diào)節(jié)池達(dá)到設(shè)定液位值時(shí),真空泵開始工作,將存水室中的空氣抽出,形成一定的真空度,由于調(diào)節(jié)池內(nèi)氣壓高于存水室,因此存水室內(nèi)的液位升高至設(shè)定液位；第四步,調(diào)節(jié)池開始排水時(shí),調(diào)節(jié)池內(nèi)的液位逐漸下降,直至排空；由于存水室內(nèi)保有真空,存水室底部和調(diào)節(jié)池連接處為虹吸結(jié)構(gòu),因此存水室內(nèi)的液位維持高位不變；第五步,調(diào)節(jié)池清空后,池底沉積有污泥和固形物,需要及時(shí)沖洗,防止產(chǎn)生異味和污泥固化。此時(shí)將存水室頂部的隔膜閥打開,破壞真空,通過存水室內(nèi)的蓄水對(duì)調(diào)節(jié)池底泥進(jìn)行沖洗,沖洗水和底泥通過調(diào)節(jié)池底部的出水收集槽排放出調(diào)節(jié)池。

圖2 真空沖洗系統(tǒng)工作原理

2.2 門式?jīng)_洗方案

門式?jīng)_洗是一種利用水力學(xué)原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)相結(jié)合,對(duì)調(diào)蓄池進(jìn)行沖洗的方案。沖洗裝置的結(jié)構(gòu)型式為門型,將調(diào)節(jié)池分割成數(shù)條長(zhǎng)形沖洗廊道,在沖洗廊道的始端設(shè)置儲(chǔ)水池和沖洗門,在沖洗廊道的末端設(shè)置出水收集渠。門式?jīng)_洗系統(tǒng)主要由液壓沖洗門、電力液壓控制系統(tǒng)、控制柜和超聲波液位計(jì)組成,液壓沖洗門的主要作用是調(diào)節(jié)池存水室沖洗水的攔蓄和排放。

第一步,調(diào)節(jié)池和存水室均空置,在旱流情況下,沖洗門保持打開狀態(tài)；第二步,調(diào)節(jié)池開始進(jìn)水,污水開始流入雨水調(diào)節(jié)池,調(diào)節(jié)池液位開始升高,升高到一定的液位,浮球就會(huì)傳遞信號(hào)給沖洗門,在液壓的驅(qū)動(dòng)下,沖洗門關(guān)閉,一旦沖洗門關(guān)閉,液壓泵停止工作；第三步,沖洗室的水位與調(diào)節(jié)池的水位一致；第四步,調(diào)節(jié)池開始排水,清空后會(huì)留下沉積物在調(diào)節(jié)池底部；第五步,當(dāng)調(diào)節(jié)池排空之后,沖洗程序?qū)⒆詣?dòng)啟動(dòng)。浮球帶動(dòng)液壓系統(tǒng)將存水室中的沖洗門開啟,存水室中的攔蓄水形成強(qiáng)勁的席卷流,對(duì)調(diào)節(jié)池底部的沉積物進(jìn)行有效沖洗。

2.3 智能噴射器方案

智能噴射器系統(tǒng)是一種利用氣液混合物對(duì)調(diào)蓄池內(nèi)含有沉渣的污水進(jìn)行曝氣、攪拌,待水中的沉渣成為懸浮物再進(jìn)行抽排,調(diào)蓄池內(nèi)的污水排空后,再對(duì)調(diào)蓄池的底部進(jìn)行沖洗的技術(shù)方案。 智能噴射器系統(tǒng)主要由智能噴射器本體、液位計(jì)、高清攝像頭、控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成,其中智能噴射器本體主要由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器、固定支撐座、水泵、旋轉(zhuǎn)接頭、出水管、氣液混合腔、噴管、進(jìn)氣管等組成,見圖3。高清攝像頭的主要作用是自動(dòng)捕捉調(diào)蓄池底部圖像并進(jìn)行圖像智能化分析,當(dāng)分析到底部有未沖洗干凈的區(qū)域時(shí),向控制系統(tǒng)發(fā)出指令,對(duì)該區(qū)域?qū)嵤┒c(diǎn)沖洗。

圖3 智能噴射器系統(tǒng)

智能噴射器系統(tǒng)的主要工作原理為：當(dāng)調(diào)蓄池內(nèi)有一定深度的水體時(shí),智能噴射器在控制系統(tǒng)的控制下,每隔一段時(shí)間便會(huì)噴出氣液混合物,對(duì)調(diào)蓄池內(nèi)的水體進(jìn)行曝氣,降解水體中的COD 含量,可以最大限度避免調(diào)蓄池產(chǎn)生異味。在調(diào)蓄池底部的潛污泵排水時(shí),當(dāng)配置的液位計(jì)探測(cè)到調(diào)蓄池的水位達(dá)到設(shè)定水位時(shí),智能控制系統(tǒng)控制智能噴射器的噴管開始一邊在0～260°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn),一邊對(duì)調(diào)蓄池進(jìn)行全方位攪拌,使池底的沉積物處于懸浮狀態(tài),同時(shí),潛污泵抽排懸浮狀態(tài)的污水,避免懸浮物再次在池底沉積。當(dāng)調(diào)蓄池內(nèi)的水快要排盡時(shí),智能噴射器利用調(diào)蓄池集水坑的水對(duì)調(diào)蓄池的底部進(jìn)行強(qiáng)力沖洗,沖洗后的污水經(jīng)過調(diào)蓄池集水坑中的潛污泵排出調(diào)蓄池外。

2.4 水力翻斗沖洗方案

水力翻斗安裝在調(diào)蓄池寬度方向池壁的上方,主要由一個(gè)特殊形狀的長(zhǎng)形集水槽組成,當(dāng)處于工作待命狀態(tài)時(shí),翻斗口朝上,當(dāng)向料槽灌水至規(guī)定的液位,水力翻斗的重心逐漸向右側(cè)偏移,最后導(dǎo)致長(zhǎng)形集水槽自動(dòng)翻轉(zhuǎn),將槽內(nèi)集水清空倒向調(diào)蓄池,通過池底90°弧形墻,可將沖洗水柱轉(zhuǎn)化成池底水平的沖洗水浪,見圖4。水力翻斗系統(tǒng)利用勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,產(chǎn)生流速很高的浪潮,從而掀起池底的泥沙沉積物,并將其帶入沖洗集水槽。水力翻斗系統(tǒng)有一個(gè)明顯缺點(diǎn)是只能應(yīng)用在矩形調(diào)蓄池內(nèi),且池體底部應(yīng)為矩形結(jié)構(gòu),應(yīng)用面較窄。

圖4 水力翻斗沖洗系統(tǒng)示意圖

3 沖洗方案比選

為了選擇最合理的調(diào)蓄池沖洗方案,從設(shè)備套數(shù)、單個(gè)沖洗廊道寬度、蓄水高度、設(shè)備總造價(jià)、總功率、外源水量、隔墻寬度、設(shè)備位置、運(yùn)行費(fèi)用、維護(hù)、土建、沖洗效果和使用壽命等多個(gè)方面對(duì)四種沖洗方案進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見表2。從表2 中可知：在四種沖洗方案下,設(shè)備總造價(jià)排序?yàn)椋褐悄車娚淦鞣桨?門式?jīng)_洗方案>真空沖洗方案>水力翻斗方案,水力翻斗方案造價(jià)最低,真空沖洗方案也具有明顯的造價(jià)優(yōu)勢(shì)；運(yùn)行費(fèi)用排序?yàn)椋褐悄車娚淦鞣桨?、水力翻斗方?門式?jīng)_洗方案>真空沖洗方案；真空沖洗運(yùn)行費(fèi)用最低,僅為智能噴射器和水力翻斗方案的1/3 不到；從維護(hù)方便性上來(lái)講,智能噴射器方案水下有用電設(shè)備,出現(xiàn)故障時(shí)需要下池維護(hù),檢修維護(hù)頻率高,水力翻斗和門式?jīng)_洗方案出現(xiàn)故障時(shí)需要下池維護(hù),真空沖洗方案基本零維護(hù),只需在池外定期巡檢維護(hù),且無(wú)需人員下池作業(yè),更安全；從沖洗效果上來(lái)講：水力翻斗沖洗水量小,沖洗效果差,需反復(fù)沖洗,而真空沖洗方案單個(gè)理論沖程達(dá)200 m,實(shí)際也可達(dá)到100 m～150 m,同時(shí)真空沖洗方案的使用壽命在四種方案中是最長(zhǎng)的。

表2 沖洗方案比選

綜上,考慮到設(shè)備價(jià)格、運(yùn)行費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)、沖洗效果和使用壽命等因素,真空沖洗方案為最佳的沖洗方案。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)深圳市南川區(qū)大沙河流域調(diào)蓄池泥沙沖洗進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析,得出如下結(jié)論：

（1）根據(jù)工程特點(diǎn),提出了真空沖洗方案、門式?jīng)_洗方案、智能噴射器方案以及水力翻斗沖洗方案四種方案,并對(duì)各方案的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析。

（2）相比其他三種沖洗方案,真空沖洗方案的運(yùn)行費(fèi)用最低,維護(hù)更加簡(jiǎn)單、安全,沖洗效果最好,使用壽命最長(zhǎng),且設(shè)備造價(jià)相對(duì)較低,因此真空沖洗方案為最佳方案。

（3）調(diào)蓄池泥沙沖洗方案要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行確定,不同地區(qū)的工程項(xiàng)目情況有其特殊性,應(yīng)具體問題具體分析。