一體化泵閘在水質提升中的應用

徐 旦，翁浩軒，詹敏杰，王坤雪，周華民

(1. 浙江廣川工程咨詢有限公司 浙江杭州310020； 2. 浙江省水利河口研究院 浙江杭州310020)

浙江省某海水湖項目建成后，在湖區匯水面積范圍內污染源得到有效控制的前提下(即工業污染源全部攔截，生活污水截污率大于95%)，水質目標確定為湖泊的富營養化水平控制在中度富營養狀態以下，且不發生藻類水華爆發事故，水質透明度達到0.7m，通過生態措施改善人工湖水質，確保其他水質指標不低于源水水質等級。

1 設計概況

工程區現狀換水格局基本形成，包括人工湖和沉沙池的圍堤、三處水閘等，人工湖區占地197.24hm2，常水位在1.5m，平均水深3m時，湖區總庫容為538.61萬m3。沉沙池占地27.05hm2，沉沙池水位3.2m時，沉沙池可容納總庫容為123.95萬m3。為滿足海水循環交換已建納潮閘、進水閘和排水閘：納潮閘用于納潮蓄水，納潮閘閘門總凈寬4.0m，底板高程-1.5m；進水閘總凈寬4.0m，閘底高程0.0m；白沙灣排水閘總凈寬4.0m，閘底高程-1.0m。

為滿足人工湖常水位1.5m的要求，需加大人工湖的進水量，考慮加泵強排至沉沙池，使之獲得較高的蓄水位，蓄水位取決于沉沙池圍堤的安全，堤防安全的蓄水位取3.2m。加泵納潮不受外江潮位限制，特別是在特殊時期，如果湖體發生富營養化，藻類大量爆發，需要快速置換水體時，強排可以不受外海潮 位限制。

2 泵閘規模確定

2.1 彌補水量的加泵要求

人工湖面積為200×104m2，沉沙池面積為30×104m2，若人工湖常水位取1.5m，在開閘自流停止時取水，所需泵的流量情況見表1。由表可見，大、中、小潮期間，采用自流、泵抽相結合的方式，所需最大泵量為14.4m3/s。

表1 所需泵的流量(全月按中潮計，初始水位1.5 m，水深3.0 m，庫容600萬m3) Tab.1 Required pump flow(according to monthly medium tide，initial water level of 1.5 m，water depth of 3.0 m，storage capacity of 6 million square meters)

若降低湖區常水位，取0.5m，則需要拓寬閘至8m，可保證3.0m水深要求，但無法滿足水體80%的月置換率要求。將閘拓寬至12m，效果并不明顯。在現有4m閘寬條件下，要保證3.0m水深要求，仍需要加泵，根據估算，流量約為8.1m3/s。如果不加泵只拓寬閘，考慮到月置換水量的要求，則最多只能保證2.5m水深，且無法滿足水體80%的月置換率要求。

鑒于以上分析，需在已建水閘基礎上，增加泵站以滿足湖區換水需求。

2.2 優化泵流量的湖區水交換能力計算分析

經過水交換能力計算分析，采用自流和泵結合，人工湖可按照1.5d的進水模式，即半天(納潮)+半天(沉淀)+半天(進水)，人工湖進水頻率由1個月15次增加到1個月20次，則1個月的換水量可以達到800萬m3。但該模式對于泵量的要求很高，需要泵的流量達到14.4 m3/s。因此，考慮在進水過程中加入絮凝劑和助凝劑，人工湖可按照1 d的進水模式，即半天(納潮和沉淀)+半天(進水)，人工湖進水頻率由 1個月15次增加到1個月30次，則1個月的換水量可以達到800萬m3，泵的流量也可大幅降低至4.4m3/s。由結果可知，30d后，湖區水體可達到80%置換率要求。

有風情況下，水體置換率降低。按照2016年7月實際風速計算，水體置換率為69%。加快換水周期至1.5d，可以達到湖區水體80%置換率的置換要求，滿足淺水湖系統設計導則要求。但該方案對于泵的流量需求較大。可考慮在進水過程中加入絮凝劑和助凝劑，人工湖可按照周期為1d的進水模式，可以達到湖區水體80%置換率的置換要求，泵的流量也可大幅降低至4.4m3/s。由于工程區域已建納潮閘，本項目從經濟性、實用性角度考慮，結合實地地形，對納潮閘進行改造，結合納潮閘現狀，采用一體化泵站方案。

3 一體化泵閘介紹

一體化泵閘將泵組直接布置在閘門上，閘門既是擋水結構又是水泵支承的基礎，使得水閘和泵站合二為一，它占地小，安裝方便，迅速高效，投資經濟又能實現防洪排澇、改善水體環境等多項目標。

如圖1所示，傳統閘站通常將水閘和泵站分開布置，即在河道的截面處設置水閘，在水閘一側或者兩側布置泵站，而一體化泵閘將水閘和泵站結合為一個整體裝置系統，構成一扇裝有潛水泵的水閘，無需設置單獨的泵站。

本項目現已建納潮閘，水閘凈寬4m，水閘位于山腳處，與海堤連接，為滿足湖區供水需求，需設置泵站。為減少工程投資，充分利用現狀納潮閘，經綜合考慮采用一體化泵閘方案。

圖1 傳統閘站和一體化閘站對比 Fig.1 Comparison between traditional gate station and integrated gate station

4 泵閘結構形式確定

4.1 泵閘選型

本引水泵站位于沉沙池，為滿足湖區補水要求，泵站取水高程為-0.5m。由于泵站設計位置位于已建納潮閘內側，受已建水閘流道限制，泵站的選型為本工程的要點和難點，結合現狀情況對泵站進行比較分析，如表2所示。

表2 泵型比較 Tab.2 Comparison table of pump types

經綜合比較，本次推薦采用潛水軸流泵。

考慮湖區補水周期以及遠期運行調度，機組的臺數不能太多，1臺泵可基本滿足運行要求，故本工程選定1臺設計流量為4.5m3/s的潛水軸流泵，見表3。

4.2 閘門選型

確定泵型后，一體化泵站的閘門型式對結構的整體穩定及水流流態起著決定性作用，閘門型式比較如圖2～4所示。

表3 泵站裝機特性 Tab.3 Installed characteristics of pumping station

圖2 直升門：潛水泵臥式 Fig.2 Helicopter door：horizontal submersible pump

圖3 直升門：潛水泵立式 Fig.3 Helicopter door：vertical submersible pump

圖4 上翻門：潛水泵臥式 Fig.4 Upturning door：horizontal submersible pump

本工程一體化泵閘主要用于湖區補水及水位控制，內湖側常水位較高，且現狀納潮閘水流流道狹窄，直面外海，金屬構件容易遭受海水侵蝕。經綜合考慮，采用直升門+立式潛水泵方案，經FEA受力及CFD流態分析，能夠滿足本工程的運行需求。

5 施工安裝要點

本工程泵閘底板底高程-4.2m，現狀納潮閘流道高程-1.5m，需開挖2.7m，待開挖施工完成后進行機械設備安裝，安裝過程中需時刻關注潮水的影響，因此施工過程中的質量控制對泵站今后運行具有至關重要的作用。

①做好施工準備，推進各專業銜接。由于面對外海，需時刻注意海風海浪對施工過程的影響。應提前做好施工準備工作，結合設計圖紙和施工方案，從施工現場的實際情況出發進行組織設計，明確施工工藝，合理設置工序流程，設計人員和技術人員應深入現場進行技術交底，將設備預埋件的進場與土建施工順序合理銜接，避免因銜接不順影響預埋件安裝。

②重視閘門軸線度和同心度。泵組同心度和軸線度是影響安裝效果的重要因素，施工人員必須予以重視。本工程閘門總質量約50t，在施工工程中應采取有效的控制措施，結合設備安裝的具體進度和各項指標，對設備的協調性和兼容性進行調整，保證設備能夠相互匹配，在同心度和軸線度上具備統一性。施工人員還應從給排水泵軸孔出發，明確測量點，借助螺旋測量儀器對機電設備做出調整，保證泵組同心度和軸線度相互匹配。

③做好螺母與螺栓連接。本工程項目機組處在外海惡劣環境中，在運行中容易產生振動，螺母螺栓連接對設備的固定顯得尤為關鍵。因此在施工過程中，必須保證設備連接和固定的牢固性和穩定性，施工人員必須做好螺母和螺栓的連接工作。在安裝過程中應提前對材料的硬度等性能進行檢測，保證材料質量，避免劣質螺母、螺栓留下隱患；還應對兩者的連接狀態進行嚴格控制，避免連接過緊，兩者受力狀態緊張，進而導致螺母螺栓使用壽命受到影響，又要避免連接過松，導致設備固定和連接不夠牢固，從而出現劇烈振動和噪聲問題。

6 日常運行維護

作為泵站中的基礎設備，水泵能否安全穩定的運行與設備閥門、傳動軸以及管道等存在緊密聯系，其中任何一項出現故障問題都會直接影響到泵站的運行效果。而在當前水泵安全檢修過程中，如果其找平與基礎定位工作存在疏忽，極易導致水泵出現運行故障。與此同時，若機組的傳動軸產生完全，或者機組軸系出現差錯，極易導致水泵機組運行過程中出現較大的運行噪音，并產生明顯的振動。此外，若電擊聯軸器與水泵聯軸器找正存在一定的偏差和差錯，也會導致水泵的運行受到嚴重的影響，并產生水泵振動、軸承發熱等現象。

水泵在具體運行期間存在的故障問題，需要通過操作檢修來有效解決，并降低水泵出現故障問題的幾率。可以從以下幾個方面入手：①在日常維護中，需要先對水泵進行全面檢查，并正確掌握水泵操作的流程，檢查內容包括水泵溫度計、壓力表的讀數、水泵各個零部件的連接情況、水泵閥門和開關的實際狀態等；②檢查水泵操作工具是否齊全；③檢查水泵的變壓器運行狀態；④定期檢查軸承，一旦發現問題，第一時間更換軸承或更換潤滑油；⑤清理雜質和污物，避免運行造成堵塞；⑥細致記錄實際運行過程中出現的故障問題；⑦檢查水泵的溫度、水位、電流是否處于正常標準；⑧需定期進行水泵的清潔與清洗。

7 實際使用效果

工程所在區域位于臨海景區，湖區的水質對旅游觀光及沙灘景觀起著至關重要的作用，本泵站的實施，產生了以下效益：

①遵循生態發展理念，減少了政策處理用地，有效保護了林地；②合理控制湖區水位和水深，保證了沙灘的親水性；③通過泵站不間斷換水功能，使得湖區整體水體能夠實現一個月置換80%，有效提高了水質，防止藻類爆發，對地區的旅游經濟發展發揮了重要的作用。

8 結語

①通過實際工程項目的應用，可以得出一體化泵站在節約空間、減少征地、合理利用土地上存在較大優勢，建議在工程中可適當選用一體化泵站。

②一體化泵站在施工安裝中需做好施工準備，推進各專業銜接，重視閘門軸線度和同心度，嚴格落實螺母與螺栓連接等基本施工安裝要求。

③在日程運行中，應加強泵站的維護管理，根據運行期間發生的具體故障問題，通過正確開展檢修有效解決問題，降低水泵出現故障問題的幾率。