漢江原水預處理工程設計優化及技術改造措施

【摘" " 要】：漢江原水預處理工程是孝感城區供水的重要組成部分。經過多年的運行使用，項目取水口河道演變、來水水質變化，使得原設計排砂系統無法與之相適應。為保障城市供水安全以及供水保證率，通過對排砂系統運行過程中存在問題的分析，提出了一系列的設計優化及技術改造措施。實施改造后，排砂系統運行穩定，能夠較好的應對取水泥砂負荷變化的沖擊，滿足設計要求。

【關鍵詞】：原水預處理；沉砂池；排泥閥；技術改造

【中圖分類號】：TU992 【文獻標志碼】：C 【文章編號】：1008-3197（2024）06-67-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.06.017

Design Optimization and Technical Transformation Measures for Hanjiang Raw Water Pretreatment Project

【Abstract】： The Han River raw water pretreatment project is an important component of the water supply in Xiaogan urban area. After years of operation and use， the evolution of the water intake channel and changes in the incoming water quality of the project have made it difficult for the original design sand discharge system to adapt to it. To ensure the safety and guarantee rate of urban water supply， this project proposes a series of design optimization and technical transformation measures to address the problems that exist during the operation of the sand discharge system. After the implementation of the transformation， the sand discharge system operates stably and can better cope with the impact of changes in cement sand load， meeting the design requirements.

【Key words】： raw water pretreatment； grit chamber； mud valve；technical transformation

近年來，我國大部分地區水源變化、污染物含量增加，嚴重影響了現有水廠出水水質，因此對現有水廠進行優化升級、保障出水水質成為必然要求[1]。為應對長距離輸水泥砂沉積問題，原水預處理場站會將泥砂預沉后再送至凈水廠凈化處理；但隨著運行時間的增加，原預處理場站無法滿足運行要求，因此對現有水廠預處理設施進行改造，充分保障供水水質變的尤為重要。漢江原水預處理工程于2010年建成，工程設計是參考漢江1980年前的歷史水文資料及通航標準，近年受南水北調及漢江航道整治工程的影響，河岸發生變化，在汛期洪水下泄時水流的含砂量遠超設計負荷，排砂不暢成為最突出問題。本文對漢江原水預處理工程設計進行分析，提出項目技術優化措施，為預防淤堵、保持排砂通暢提供經驗。

1 漢江原水預處理工藝現狀

漢江原水預處理工程設計規模近期為23×104 m3/d，遠期為38×104 m3/d。整個工藝流程為：由置于河床的固定式菱形取水頭部取水，通過自流管穿堤進入取水泵房，經水泵機組一級提升至斜管沉砂池，沉淀后的水至調節池后由加壓泵二級提升至城區凈水廠，斜管沉砂池沉淀后的含沙廢水經管道排向排砂水池，然后由潛污泵提排至漢江。

1.1 取水河段形態特征及泥沙特點

漢江原水預處理工程所在地漢川至蔡甸河段河道彎曲窄深，河岸土質較好，黏土層較厚，抗沖刷能力較強。兩岸筑有堤防，在崩岸嚴重的地段建有護岸工程，故歷史上河勢變化不大。河道水位變化大，歷年最高洪水位與最低枯水位相差約20 m，從而導致含砂量年際波動大。河段中砂呈現為黑色細小顆粒，極易沉淀，如果砂中水滲出后，流動性差，易板結。

1.2 取水頭部

取水口選址綜合考慮取水河段的水文、地形、地質、衛生等條件[2]并進行技術經濟比較，選擇最優方案[3]。經多方案比較，取水口選址位于新溝鎮漢江彎道上游的田家臺下游200～300 m附近，河道常水位18.90 m。采用置于河床的固定式菱形取水頭部取水，其設計取水高程14.00 m，河床高程12.30 m。

1.3 取水泵房

取水泵房設在漢江大堤外側，采用2根DN1 620 mm×14 mm鋼管，從取水頭部到取水泵房約135 m，引水管自漫灘伸入江中約50 m（常水位時）。泵房進水泵房內設3臺臥式離心泵（2用1備），設計流量5 400 m3/h、揚程20 m。

1.4 沉砂池

斜管式沉砂池占地面積較小、負荷較高[4]。本工程沉砂池設于堤外取水泵房附近，規模較大且受灘地地形所限，宜采用體量較小、沉砂去除效率較高的斜管沉砂池。按照近期2座、遠期增加2座設計。每座池平面尺寸18.55 m×16.7 m，池總高5.6 m，近期上升流速5.3 m/s，遠期上升流速4.4 m/s。每座沉砂池采用8個砂斗排泥，每個砂斗設一個電動閥門，接1根排砂管，排泥管徑DN200 mm。

1.5 調節池及加壓泵房

調節池2座，尺寸35 m×23 m，有效水深4.0 m，總容量6 000 m3，約20 min調節容積。加壓泵房內設5臺水泵機組位置，單臺水泵流量與取水泵房相匹配。一期采用3臺水泵（2用1備），單臺流量4 597～6 895 m3/h、揚程59.5～48 m。

2 淤砂事件原因分析

2.1 淤砂事件

漢江原水預處理工程建成運行至今，漢江取水口發生兩起較為嚴重的淤砂事件，其一發生于河道汛期后，取水頭部進水泥砂含量超過原設計負荷3.5 kg/m3，達到了10.5 kg/m3，斜管沉砂池持續超負荷運行，使得沉淀池下部的排砂系統無法滿足要求，最終導致排砂系統堵塞。

其二發生于河道水位上漲、河面變寬，一艘運砂船未注意航標而偏離航路，撞到取水頭部，導致取水頭部損壞，運砂船擱淺并原地卸砂，大量砂瞬間涌入取水頭部菱形艙內，使得取水泵抽吸的泥砂將斜管沉砂池的集水槽壓塌，斜管壓垮，沉砂池排泥斗泥砂無法及時排除而板結，最終導致預處理系統不能正常運轉而被迫停產。

2.2 原因分析

2.2.1 事件一

1）取水口位置河道演變后產生了一定的變化，河道底部沉砂變高，河床變窄。

2）原水含砂量超設計負荷。設計含砂量參考漢江漢川站1979年、1983年的水文資料，最大含砂量為3.5 kg/m3，一般年份大多數時間平均含砂量為0.43 kg/m3，最小含砂量為0.053 kg/m3；但是實際運行過程會出現含砂量大幅超過設計負荷的情況。

3）汛期后下泄的水流速度降低，泥砂下沉，而取水口位置高程較低，裹挾著大量泥砂的水流進入取水頭部進水孔（1985國家高程12.8～13.5 m），導致取水泥砂含量超過設計負荷，進一步導致排砂系統堵塞。

2.2.2 事件二

1）沉砂池排泥閥選型不合理。漢江原水預處理工程沉砂池排泥斗排泥閥為液控池底閥，在含砂量較小的情況下，砂拌水流動性好，池底閥啟閉正常，一旦含砂量增大到不能及時排出時，灰堆集后而板結，不具有流動性，導致池底閥卡死不能正常開啟，不能順利排出池底泥砂。

2）沉砂池排泥管線設計不合理。整個排砂系統的設計負荷是基于一般年份含砂量考慮，沉砂池泥斗下方排砂管管徑按DN200 mm設計，但多年運行經驗證明DN200 mm管徑過小，排砂不暢。泥斗下的管線設計由豎直轉向水平，使得泥砂在轉角處極易沉淀堵塞，一旦負荷增大，堵塞愈發嚴重，從最開始的於堵演變為壓實板結，直至完全堵實，最終導致排泥管道系統失效。

3 設計優化及技術改造措施

3.1 取水頭部改造方案

3.1.1 取水口位置河勢演變

本項目位于漢川至蔡甸河段新溝彎道凹岸，新溝彎道位于新溝鎮，原為一個急彎道，彎曲半徑甚小，彎曲系數為8.4，歷史演變主要表現裁彎取直。由于逐年沖刷崩坍，于1963年8月在彎頸附近沖出一條新道，開始新老河同時過水，裁彎后新河縮短了流程，比降流速增大，使新河迅速沖深擴大，老河因受回流影響，逐漸淤塞，于1964年底淤死，水流全部走新河。裁彎后，改變了原來的河勢，水流頂沖對岸（水口），后拋石護岸，河勢基本穩定下來。

3.1.2 取水頭部改造

在原取水頭部上方增設2層取水口，高程分別為1985國家高程14.4～15.1 m和16.0～16.7 m。改造后的取水頭部可以在泥砂含量大時關閉下層孔洞，用上層的孔洞取水，而在枯水期時，上部取不到水的情況下就用下層孔洞取水，以滿足不同水位的取水需求。見圖1。

3.2 合理選擇設計負荷

設計時收集河道演變及較長系列水文歷史數據，如果收集不到或者數據較少，應通過試驗取得數據，合理選擇設計負荷，考慮一定富余，本工程設計負荷優化為10.5 kg/m3。可通過設置超越管等方式解決突發事件，在沉砂池進水管上設置超越管至應急排砂池，事故時不經過斜管沉淀池沉砂直接排到應急排砂池。此外可新增泥位計，通過自控化預警，及時響應優化運行。

3.3 增設高壓助沖系統

原水中泥砂顆粒在無水情況下極易板結，但是在有水參與時板結的砂子就會具有流動性。因此增加了池底助沖的高壓水系統，該系統管徑DN100 mm、壓力0.06 MPa。當泥斗內砂子開始聚集，就啟動高壓水泵，輔助沖洗，保證泥砂流動排出，避免在泥斗內板結堵塞。

3.4 合理選擇排泥閥

將池底閥換成膜片式快開排泥閥，安裝位置由池底調整到泥斗外的管道上。膜片式快開排泥閥利用上下腔的壓力差打開，安全可靠，排泥干凈且不容易堵塞。安裝位置調整到泥斗外的管道上，可以更加方便地監測其運行狀態，故障檢修更加便捷。解決了原設計方案設置于沉砂池的底端，生產時無法監測其工作狀態且閥門一旦出現故障，需要將整池子水排干凈才可維修的問題。

3.5 優化排砂管（渠）系統

改造后換掉了原有的排砂管，增大口徑并采用明渠排砂。改造成明渠排砂后，更加便于后期清理，同時在進水泥砂負荷突增時，可多個池子同時排砂，從而有效解決受下游排砂總管管徑限制，原排砂系統32個泥斗只能逐個依序排砂，在進水負荷增大時，后面泥斗還未排空，前面泥斗需再次排砂，造成排砂系統失效的問題。

4 結語

通過對漢江原水預處理工程的設計優化及技術改造，目前整個預處理工程運行狀態良好，排砂系統應對進水泥砂負荷變化的能有顯著提升，從而進一步提高了供水安全以及供水保證率。

參考文獻：

[1]胡輝，趙春會，侯煜堃，等.原水預處理與強化混凝處理工藝的中試試驗[J].凈水技術，2016，35（2）：54-57+70.

[2]王紅禹.某凈水廠取水口遷建方案的選擇和比較[J].凈水技術，2019，38（S1）：57-60.

[3]鄭全興，仲巍巍，高俊.揚州第一水廠取水口遷址評估與分析[J].給水排水，2018，54（1）：27-30.

[4]吳東升，崔紅軍，何秀秀，等.改進型斜管沉淀池在水廠改造中的實際應用[J].中國給水排水，2016， 32（4）：68-71+76.