南水北調中線工程天津干線清淤設備的研制與試驗

孫銘超

（南水北調中線干線工程建設管理局天津分局，天津300000）

南水北調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近4年，由于采用箱涵結構，在西黑山進口閘、西黑山排冰閘、子牙河北分流井、外環河出口閘的部位出現較嚴重的淤積情況，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工程的清淤設備，本文就清淤設備的選擇與研制進行詳細闡述。

1 清淤方式的選擇

1.1 清淤設備選型要求

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

南水北調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，不適于大型設備作業，需采用小型移動設備清淤。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生。

1.2 清淤方式

通過對目前國內清淤方法及相關設備調研，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。目前國內一般通過泵抽吸或絞吸，根據泵的類型不同和搭載泵的載具不同，抽吸裝置種類很多，淤積嚴重的可采用抓斗直接處理。不同類型的淤泥抽吸設備如下頁圖1所示。

1.2.2 淤泥處理

淤泥上岸后，根據淤泥內部所含物質的不同，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 南水北調中線工程清淤方式的選擇

南水北調中線工程渠道內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淤積物絞吸至振動篩，大于2 mm的雜質被過濾出來，外運處理。小于2 mm的泥漿進入均質槽，PAC投配裝置向均質槽投加混凝劑并充分攪拌，然后通過泵送系統輸送至臥螺離心機，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，易于實現設備小型化、可移動使用的要求。

圖1 不同類型淤泥抽吸設備

圖2 水工管袋過濾

圖3 螺旋機離心處理

2 清淤設備的研制

整套設備考慮由淤泥上岸設備、預處理設備、脫水處理設備組成，國內目前沒有現成的設備可供選擇，需要進行相關設備的研制。

2.1 清淤設備研制目標

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

預處理設備、脫水設備淤泥處理能力：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，設備盡量小型、便捷；應配備電氣控制系統，操作人員不多于10人。

2.2 淤泥上岸設備

淤泥上岸設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，整體采用為液壓驅動、超小機身設計，工作性能高，穩定性強，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，履帶式行走機構與“絞籠+粉碎”吸污排污相結合，實現自主清淤排污。配置水下成像聲吶，700線專業渾水攝像機與深度、溫度等傳感信息融合全方位觀察水下情況，實現復雜淤泥環境感知的清淤作業。

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。滑環卷纜機卷纜長度100 m，液壓驅動，拉力大于1 t，采用滑環不間斷通信。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 預處理設備

預處理設備主要由振動篩、均質槽和PAC投配裝置構成。設現地控制箱，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，對后端輸送泵、脫水設備等起到保護作用。振動篩篩分出的雜質，呈干燥形態，容易收集。

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

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

2.4 脫水處理設備

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

預處理后的漿液通過進料轉子泵送向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。可用于綠化種植土，達到資源合理化利用。

脫水處理設備控制系統采用PLC觸摸屏控制，預留以太網接口，其運行模式分為手動、半自動、自動三種控制方式。控制系統能根據生產工藝要求從物料脫水各設備的啟動、進料、脫水、出料、輸送直至設備停機、臥螺離心機清洗全過程自動/手動操作控制，工作狀態參數測量與顯示，異常狀態檢測、報警和聯鎖控制功能，以確保脫水系統的運行安全可靠。

2.5 設備裝載車輛

預處理設備、脫水處理設備分別裝載于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 清淤設備試驗

3.1 清淤設備試驗要求

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、轉向能力（水下陸上），要求帶管道操作。

水下攝影及聲吶系統：將水下清淤機器人置于外環河出口閘出口（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和理化性質

通過水下清淤機器人置于外環河出口閘不同位置（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，分析淤泥具體形態和理化性質。

3.1.3 預處理設備和脫水處理設備性能

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

脫水產生的水體水質情況：取設備啟動后不同時間段所產生的水體，測試水質電導率、化學需氧量、pH等參數。要求實驗最少包含設備啟動后第一批和設備關閉前最后一批水體。

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

待設備調試及最佳運行參數確認后，正常運行6 h，統計藥劑使用量。

3.2 清淤設備試驗完成情況

至2018年12月10日，在外環河出口閘進行的清淤設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、泵送流量及距離、淤泥不同位置取樣、脫水后水體水質檢驗、固渣含固率測試、藥劑使用量統計、清淤效率測試等工作，清淤設備的宏觀效果和量化參數符合預期，設備運行有效。

3.3 清淤設備存在的問題及建議

在清淤設備試驗過程中出現了一些問題，經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）外環河出口閘設有清理漂浮物的浮排，水下墜有配重塊及失落的配重塊，導致試驗狀況較預想復雜，出現了撞擊配重塊纏繞住繩索的現象。實際淤積物也與清淤目標存在不同，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，后調整濾網孔徑，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壓力的變化，發現異常及時把機器人出水進行檢查，制定油污染清理應急預案，一旦出現污染情況及時啟動應急預案，采取措施清除污染物。

（3）3臺車輛上設備的供電連接點、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。除清淤設備3臺車輛外，根據設備電力需求較大的情況，建議增加移動發電車集中供電；增加工器具車輛，用來裝載專用工器具及清渣工具。

4 結語

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