河道大型调蓄池泥沙冲洗方案比选研究

马小琴

（ 广东水电二局股份有限公司,广东 广州 511340）

0 引言

大沙河是南山区的母亲河,经过前期沿河截流箱涵工程的实施,流域解决了旱季漏排污水入河问题,但降雨期间,河道雨季溢流严重,水质保障率较低,面源污染随雨水会溢流入河入湾,影响大沙河及深圳湾水质,同时,截流箱涵积水散发臭味,不符合大沙河生态长廊景观公园的环境标准,已引起较大的社会负面反响,也经常受到市民游客的投诉反映。大沙河“逢雨必益,水质反复”现象已不能满足人们对美好环境日益增长的诉求。同时,国家环保督查对黑臭水体治理长治久清的要求日益严格,对面源污染控制、局部合流制区的污染控制等均提出了更高的要求,初期雨水达标考核等亦逐步提上日程,因此对初雨调蓄处理等建设已刻不容缓。结合其他城市和深圳市已建调蓄池运行经验,调蓄池泥沙淤积严重且难以清理,为提高工人的工作环境、便于运行管理,需要在调蓄池内设置冲洗系统,减小调蓄池池内清淤次数[1-4]。

本文基于大沙河调蓄池工程,提出了空冲洗方案、门式冲洗方案、智能喷射器方案以及水力翻斗冲洗方案等多种泥沙冲洗方案,并对各方案的工作原理和优缺点进行了对比分析,以期能为减轻大型调蓄池池内泥沙淤积情况,提高调蓄池的运行效率提供借鉴。

1 工程概况

大沙河是南山区的母亲河,贯穿整个南山区,流域面积92.99 km2,干流河长13.7 km,其中山林地生态区及水库控制面积约为59.21 km2,占总面积63.67%,建成区约33.78 km2,占总面积的36.33%。作为深圳市高新技术产业汇聚区。近年来,南山区人口数量与日俱增,流域生态环境压力十分大,目前,大沙河流域主要存在以下问题：（1）雨季面源污染溢流、水体黑臭问题；（2）流域生态山林区未实现清污分流。为缓解大沙河初小雨面源污染问题,按照“清污分流；分质排放；复合开发；智慧运维；统筹调度”的总体思路,决定在大沙河流域建设5 座调蓄池,布局方案见图1。

图1 调蓄池布局方案

结合现状用地协调情况、工程经济性、施工难度及后期的运营管理等因素,调蓄池优先采用箱涵+局部新增重力转输方案,在该方案下中1#、2#、3#、4#、5#调蓄池的规模分别为2.3 万m2、4.0 万m2、12.8 万m2、3.5 万m2和1.4 万m2,流域初（小）雨截流总规模为24.0 万m2/d,将汇水分区内的区域共分为两类区域,Ⅰ类区域为雨污分流区域,截流标准为8 mm/1.5 h,Ⅱ类区域为截流式合流制区域, 截流标准为15 mm/1.5 h。各调蓄池具体设计参数见表1。

表1 调蓄池设计参数概况

2 冲洗方案设计

设计了四种调蓄池泥沙冲洗方案：方案一为真空冲洗方案；方案二为门式冲洗方案；方案三为智能喷射器方案；方案四为水力翻斗冲洗方案[5-8]。以下将对各泥沙冲洗方案进行设计说明。

2.1 真空冲洗方案

真空冲洗是一种利用真空泵的抽真空作用,通过真空控制系统和真空阀将存水室中的空气抽出,形成一定的真空度,使存水室内的液位升高至设定液位,调节池需要冲洗时将存水室顶部的隔膜阀打开,破坏真空,通过存水室内的蓄水对调节池底泥进行冲洗。该方案具有节能型、无动力、无能源消耗等特点。真空冲洗系统全套设备均设置于调节池外部,主要由真空隔膜阀、控制柜及电缆、超声波液位计等主要设备组成,真空隔膜阀的主要作用是调节池存水室真空释放和存水室气室开闭,超声波液位计的主要作用是冲洗水收集槽和调节池液位监控。

真空冲洗系统的工作管理见图2。第一步,调节池和存水室均空置；第二步,调节池开始进水,合流制污水开始流入雨水调节池,调节池液位开始升高；第三步,当调节池达到设定液位值时,真空泵开始工作,将存水室中的空气抽出,形成一定的真空度,由于调节池内气压高于存水室,因此存水室内的液位升高至设定液位；第四步,调节池开始排水时,调节池内的液位逐渐下降,直至排空；由于存水室内保有真空,存水室底部和调节池连接处为虹吸结构,因此存水室内的液位维持高位不变；第五步,调节池清空后,池底沉积有污泥和固形物,需要及时冲洗,防止产生异味和污泥固化。此时将存水室顶部的隔膜阀打开,破坏真空,通过存水室内的蓄水对调节池底泥进行冲洗,冲洗水和底泥通过调节池底部的出水收集槽排放出调节池。

图2 真空冲洗系统工作原理

2.2 门式冲洗方案

门式冲洗是一种利用水力学原理和机械结构相结合,对调蓄池进行冲洗的方案。冲洗装置的结构型式为门型,将调节池分割成数条长形冲洗廊道,在冲洗廊道的始端设置储水池和冲洗门,在冲洗廊道的末端设置出水收集渠。门式冲洗系统主要由液压冲洗门、电力液压控制系统、控制柜和超声波液位计组成,液压冲洗门的主要作用是调节池存水室冲洗水的拦蓄和排放。

第一步,调节池和存水室均空置,在旱流情况下,冲洗门保持打开状态；第二步,调节池开始进水,污水开始流入雨水调节池,调节池液位开始升高,升高到一定的液位,浮球就会传递信号给冲洗门,在液压的驱动下,冲洗门关闭,一旦冲洗门关闭,液压泵停止工作；第三步,冲洗室的水位与调节池的水位一致；第四步,调节池开始排水,清空后会留下沉积物在调节池底部；第五步,当调节池排空之后,冲洗程序将自动启动。浮球带动液压系统将存水室中的冲洗门开启,存水室中的拦蓄水形成强劲的席卷流,对调节池底部的沉积物进行有效冲洗。

2.3 智能喷射器方案

智能喷射器系统是一种利用气液混合物对调蓄池内含有沉渣的污水进行曝气、搅拌,待水中的沉渣成为悬浮物再进行抽排,调蓄池内的污水排空后,再对调蓄池的底部进行冲洗的技术方案。 智能喷射器系统主要由智能喷射器本体、液位计、高清摄像头、控制系统等结构组成,其中智能喷射器本体主要由旋转驱动器、固定支撑座、水泵、旋转接头、出水管、气液混合腔、喷管、进气管等组成,见图3。高清摄像头的主要作用是自动捕捉调蓄池底部图像并进行图像智能化分析,当分析到底部有未冲洗干净的区域时,向控制系统发出指令,对该区域实施定点冲洗。

图3 智能喷射器系统

智能喷射器系统的主要工作原理为：当调蓄池内有一定深度的水体时,智能喷射器在控制系统的控制下,每隔一段时间便会喷出气液混合物,对调蓄池内的水体进行曝气,降解水体中的COD 含量,可以最大限度避免调蓄池产生异味。在调蓄池底部的潜污泵排水时,当配置的液位计探测到调蓄池的水位达到设定水位时,智能控制系统控制智能喷射器的喷管开始一边在0～260°范围内旋转,一边对调蓄池进行全方位搅拌,使池底的沉积物处于悬浮状态,同时,潜污泵抽排悬浮状态的污水,避免悬浮物再次在池底沉积。当调蓄池内的水快要排尽时,智能喷射器利用调蓄池集水坑的水对调蓄池的底部进行强力冲洗,冲洗后的污水经过调蓄池集水坑中的潜污泵排出调蓄池外。

2.4 水力翻斗冲洗方案

水力翻斗安装在调蓄池宽度方向池壁的上方,主要由一个特殊形状的长形集水槽组成,当处于工作待命状态时,翻斗口朝上,当向料槽灌水至规定的液位,水力翻斗的重心逐渐向右侧偏移,最后导致长形集水槽自动翻转,将槽内集水清空倒向调蓄池,通过池底90°弧形墙,可将冲洗水柱转化成池底水平的冲洗水浪,见图4。水力翻斗系统利用势能转化为动能,产生流速很高的浪潮,从而掀起池底的泥沙沉积物,并将其带入冲洗集水槽。水力翻斗系统有一个明显缺点是只能应用在矩形调蓄池内,且池体底部应为矩形结构,应用面较窄。

图4 水力翻斗冲洗系统示意图

3 冲洗方案比选

为了选择最合理的调蓄池冲洗方案,从设备套数、单个冲洗廊道宽度、蓄水高度、设备总造价、总功率、外源水量、隔墙宽度、设备位置、运行费用、维护、土建、冲洗效果和使用寿命等多个方面对四种冲洗方案进行对比,结果见表2。从表2 中可知：在四种冲洗方案下,设备总造价排序为：智能喷射器方案>门式冲洗方案>真空冲洗方案>水力翻斗方案,水力翻斗方案造价最低,真空冲洗方案也具有明显的造价优势；运行费用排序为：智能喷射器方案、水力翻斗方案>门式冲洗方案>真空冲洗方案；真空冲洗运行费用最低,仅为智能喷射器和水力翻斗方案的1/3 不到；从维护方便性上来讲,智能喷射器方案水下有用电设备,出现故障时需要下池维护,检修维护频率高,水力翻斗和门式冲洗方案出现故障时需要下池维护,真空冲洗方案基本零维护,只需在池外定期巡检维护,且无需人员下池作业,更安全；从冲洗效果上来讲：水力翻斗冲洗水量小,冲洗效果差,需反复冲洗,而真空冲洗方案单个理论冲程达200 m,实际也可达到100 m～150 m,同时真空冲洗方案的使用寿命在四种方案中是最长的。

表2 冲洗方案比选

综上,考虑到设备价格、运行费用、运行维护、冲洗效果和使用寿命等因素,真空冲洗方案为最佳的冲洗方案。

4 结语

对深圳市南川区大沙河流域调蓄池泥沙冲洗进行了设计分析,得出如下结论：

（1）根据工程特点,提出了真空冲洗方案、门式冲洗方案、智能喷射器方案以及水力翻斗冲洗方案四种方案,并对各方案的工作原理进行了详细分析。

（2）相比其他三种冲洗方案,真空冲洗方案的运行费用最低,维护更加简单、安全,冲洗效果最好,使用寿命最长,且设备造价相对较低,因此真空冲洗方案为最佳方案。

（3）调蓄池泥沙冲洗方案要根据现场实际情况进行确定,不同地区的工程项目情况有其特殊性,应具体问题具体分析。