南水北调中线天津干线箱涵水质净化装置活性炭承载框的设计及应用

于广杰+韦春+李斌

摘 要：南水北调中线天津干线水源来自南水北调中线干渠，而干渠工程以明渠为主，沿线的各类污染源上千处，加之社会不稳定各类因素，极易造成水体水质污染事件的发生，研究有效处理措施是非常必要的。

关键词：南水北调箱涵；水质净化；设计；应用方法

一、工程概况

南水北调中线一期工程是缓解京、津、华北地区的资源性缺水的特大型跨流域调水工程，其输水总干渠自丹江口水库陶岔渠首引水，向河南、河北、天津、北京四省市供水。天津干线西起河北省保定市徐水县西黑山村，东至天津市外环河西，全长155.305km，采用全箱涵无压接有压全自流输水方式。

二、设计背景

（一）污染背景。天津干线箱涵工程水源来自南水北调中线干渠，而干渠为明渠工程，沿线的各类污染源上千处，加之社会不稳定各类因素，极易造成水体水质污染事件的发生，使污染水进入箱涵内。

（二）工程背景。天津干線能见到自由水面的建筑物除了渠首的明渠段外，主要为通气孔、调节池、检修闸和保水堰。一旦水体被污染，在不利用退水渠退水的情况下，能采取措施部位只能在各个保水堰和调节池。

（三）运行背景。全线通水运行以来，天津市的需水总量日益增加，从运行初期的年3亿多立方米需求量，到2016年的年8、9亿多立方米需求量。一旦发生水污染事件造成中断向天津及沿线供水，将给天津1500多万人口的超级城市带来严重的影响，甚至造成社会秩序混乱。但水污染小概率事件是无法完全避免，一旦发生如何采取不中断天津干线供水的有效处理措施是非常必要的。从长远看是一件必须攻破的难题。

三、方案设计

（一）方案构思。此装置的总体设计应能解决当天津箱涵内水体发生水污染时，能在保水堰堰井自由水面处能快速反复投放大量活性炭，且应使用方便，操作简单。基于上述要求，结合保水堰结构特点，同时借鉴卷扬平板钢闸门工作原理，活性炭承载框分为：活性炭承载部分、升降滑道和堰顶提升结构。

（二）安装位置选择。长距离箱涵的保水堰这结构形式的水工建筑在其通水运行时，保水堰的溢流堰堰顶处的水深最小，因此此装置选择安装在溢流堰顶（位置示意图如下图1），主要考虑承载框的框体尺寸可以做到最小，框内装满所需活性炭的数量也最小，工作荷载也最小，为堰顶提升结构选型放宽了条件。

（三）现场安装步骤及注意事项。此装置为工程通水运行后根据实际需要进行设置的，且安装时箱涵不具备停水安装的条件。因此现场安装的主要步骤为：现场确定安装位置、并进行测量放线做好标记在堰顶顶部安装滑道导向装置（确保滑道安装时不因底部水流的冲击力，使得滑道无法垂直安装到溢流堰的顶部最佳位置处）安装左侧滑道（滑道安装时，先将滑道放入上步安装好的导向装置中间，当滑道下端顺利顶到溢流堰顶部混凝土表面时，快速在滑道顶部画好最上端第一、二个膨胀螺栓的位置，然后将滑道拉出，用电锤在堰井混凝土墙上打眼后，再次将滑道放入安装位置进行固定）安装右侧滑道（方法同左侧）将承载框体放入左右滑道内（框体左右先用绳索固定在堰顶）安装上部提升结构（即电动葫芦）通电上下提升框体，测试运行是否平稳安装左右侧剩余固定螺栓框体内放入活性炭炭包进行全荷载调试（测试完毕后拆掉绳索）安装完成。

四、应用方法

（一）活性炭种类和外包装材料的选择。椰壳活性炭外形为不定形颗粒，具有机械强度高，孔隙结构发达，比表面积大，吸附速度快，吸附容量高，易于再生，经久耐用等特点，据箱涵内水利条件建议采用椰壳活性炭，考虑更换搬运建议外包装采用过滤纸布包装，每包15公斤左右。

（二）活性炭包的放置方法和注意事项。此装置使用时，为使箱涵内的水体顺利通过承载框体内放置的活性炭炭包，同时降低水流对框体的冲力，保证装置的安全运行，炭包摆放不要太密实，建议采用错位摆放。另此装置为单调点提升结构，炭包摆放应左右放置数量大体均等，确保上下提升稳定。

五、深入研究方向和建议

1、此装置只是解决了箱涵水体一旦发生水污染事件时能快速将一定量的活性炭快速投放到水体内。但多长时间更换一次活性炭需要进一步进行深入研究。因此建议最好能在实验室内建立比例模型，模拟箱涵不同过流、不同污染浓度、不同污染物质条件下的模拟实验，提供技术参数，便于应急处置时的活性炭的更换频率。2、据了解目前的大体积水体污染净化大都采用活性炭，至于活性炭采用哪种最有效，效果最佳，采用那类包装材料更有益于活性炭的吸附，建议应深入进一步研究确定，为实际应急提供参考。3、随着新型材料的不断涌现，此装置可以装填新型吸附材料进行水污染应急处置。

参考文献：

[1]陶亚，任华堂，夏建新.突发水污染事故不同应对措施处置效果模拟[J].应用基础与工程科学学报，2013，21（2）：203-213.endprint