CN102587450A - 预净化水力自动选择性取水装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预净化水力自动选择性取水装置，包括取水头部、支撑架、混凝土锚固墩、输水管、加药管、工作台和操作间；其中取水头部为圆柱形整体，自上而下分别为：平衡浮箱、调节水箱、设备间和混凝池；调节水箱内置两套装有防水电动阀的进水管和连接潜水泵的出水管，设备间中装有加药管；混凝池有取水口和放水管，在混凝池的中间设有挡板，取水口的上方装有混凝剂喷口；支撑架的上端为工作台，下端由混凝土锚固墩固定于湖库底部，取水头部可在支撑架上下滑动，自由调节取水高程；取水头部上的放水管通过法兰依次与金属波纹管、PE输水管和堤岸上的固定式输水管相连接，装置结构简单，且安装方便。

Description

预净化水力自动选择性取水装置

技术领域

本发明属于水库取水技术领域，涉及一种取水装置，具体是一种可混凝沉淀预净化的具有自调节取水深度的预净化水力自动选择性取水装置。

背景技术

深水型湖库长期处于静水状态，受太阳辐射传热，形成纵深向温度差，并引起湖库在纵深向的密度分层。水体分层分为正向分层和逆向分层。正向分层一般发生于夏秋季，湖库表层水受到强烈太阳辐射和大气传热，温度升高密度降低，下层太阳辐射较弱，热传导速率低，水温低密度较大，形成了上轻下重、上暖下冷的正向水体稳定分层；而在冬季，太阳辐射较弱，下层水温维持在4℃左右，密度较大，上层水温受外界气温影响降低，密度较小，形成上冷下暖的逆向分层。

水体温度、密度分层阻碍了上下层水体的循环交换和物质传递，至上而下形成了变温层、跃温层、同温层，导致湖库水质恶化。在深水型湖库中，跃温层以下的水体由于缺氧而处于还原态，使底部污泥中的高价铁、锰还原为低价态，溶解于水中，底层的铁、锰含量增加；在外界暴风雨等扰动引起的沉积物悬浮而产生的磷释放，并随着温度的升高而增加，为藻类的生长和繁殖创造了有利的条件；深水型湖库大多属于年调节水库，水力停留时间长，流速小，外界环境影响大，加上洪水携带的浊质、天然腐殖质及合成有机物等外来污染物的影响，为浮游植物的生长提供了大量的氮磷营养盐，严重时会产生水华现象。所以，湖库的纵深向水质分层使得在不同深度上的水质参数亦不相同，纵向的水质差异为选择性取水提供可能性。

特别是在雨季或翻库时，水体浊度较大，增加了水厂的处理难度。雨季时，外来的洪水携带着浊质、天然腐殖质及合成有机物进入湖库，扰动了库区原有的稳定的水质分层体系，洪水潜流层的污染物垂向传质扩散，形成纵向循环，使中上层水体浊度增大，为水厂的处理带来不便；翻库发生于年初或年底的季节交换时，随着热辐射的改变，表层水体与中下层水体的密度差逐步减小，直到表层水密度大于下层水而下潜，形成上下水体混合的现象，即翻库。翻库导致了水库周期性污染，使库底的沉积物上翻，并释放出铁，锰，硫等金属离子，造成水体污染，浊度增加。

湖库水质分层决定了纵向选择性取水。在夏季，表层水中浮游藻类生长旺盛，取此层水会导致原水中藻含量增加，水厂净水费用增加，供水水质安全性降低，而底层的水较冷、贫氧且含有高浓度的铁、锰和硫化氧；在冬季，表层水较冷、藻类含量低，对于低温低浊的原水，水厂处理困难和成本高。有研究表明，水库不同深度水的温度、密度、pH、浊度、铁锰、氮磷以及COD、浮游生物量等水质指标不同，并且随时间、空间、外界环境和水位的变化而递变。以往的表层取水不能够满足以安全、经济为目标的给水厂要求，因此需根据季节、水位的变化，纵向选择性取水或取不同深度的混合水，这样可解决固定高度取水口的存在明显不足，从而得到易于处理的原水，通过常规工艺降低水厂出水的浊质、无机污染物以及细菌、藻毒素的浓度达到彻底处理的效果。

针对深水型湖库水质分层特征，已有的取水设施存在如下不足：

1)取水位固定，调节取水高度受限。已有的取水设施的取水口是固定在指定高程或水深的，针对深水型湖库随季节、水位和外界环境等因素影响的季节性分层现象，单个表层取水口或多个固定取水口与其特性变化不相适应，难以取得分层水库中易于处理的优质水，不能有效降低水厂处理水成本。例如，浮力板型装置和机控圆筒式分层取水装置只能取表层水。

2)无预净化功能。针对原水浊度偏高，水厂难处理的问题，现有的取水设施取得的原水已不能满足水厂的进水要求，给水厂增加了处理负荷。对混浊原水进行预净化，降低水处理成本，是现有取水设施所缺乏的功能。

3)建设费用昂贵、结构复杂、易出故障。传统的塔(井)式分层取水构筑物主体结构全部由钢筋混凝土构成，且建在水库最深、距离大坝一定距离处，由过水塔井、数道隔水门、工作闸门及岸边至取水塔高空工作桥组成，体积庞大，建设复杂且周期长，费用昂贵。

4)建设期受限。常规水库分层取水装置需要与水库大坝同期施工修建。当水库工程建成蓄水后，将深孔取水设施改建为分层取水构筑物，挖竖井施工法、半放空水库水等方法使用范围有限、不安全，造成水资源的巨大浪费，且施工工期较长、工程投资大，受水库水位、地质地形、气候、施工、水库功能需要等限制，因而困难重重。

5)取水机械控制复杂，耗电不节能。塔(井)式、斜卧式、圆筒式分层取水装置的机械控制启闭闸门结构复杂，闸门的开闭由卷扬机拉动，卷扬机装机容量大，启动电流大，瞬间能耗大，非启闭期间变压器容量及设备闲置，维护工作量大，成本高。

6)难以实现三维空间内多点式取水。已有研究表明，在暴雨、风、湖库入流及大坝折射等作用下，湖库平面上各点的水质分布不同，并且由于温度变化导致湖库的纵向水质分层，如在夏秋季，湖库表面上的藻类随风飘移，经常出现取水塔周边表层富集藻类的现象；在冬季湖库表层水温低、浊质少、中下层水温较高、浊质较多。对于上述的平面水质分布不均或纵向水质分层的现象，已有的取水设施不能满足三维空间内多点式取水。

发明内容

针对雨季原水浊度较大，水厂处理难以及现有的取水设施结构复杂、耗能较高、施工受限，已建的分层取水塔存在平面及纵深向取水水质调节不灵活等缺陷，本发明的目的在于，提供一种预净化水力自动选择性取水装置，该装置可自调节取水深度，且结构简单、节能、取水头部纵向上调节灵活，能够在已建成水库施工安装。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种预净化水力自动选择性取水装置，其特征在于，主要包括取水头部、支撑架、混凝土锚固墩、输水管、加药管、工作台和操作间；

所述的取水头部为圆柱形整体，自上而下分别为：平衡浮箱、调节水箱、设备间和混凝池；其中，平衡浮箱为密闭不锈钢制空箱，与调节水箱用不锈钢板隔开；调节水箱内置两套装有防水电动阀的进水管和连接潜水泵的出水管，防水电动阀与潜水泵由防水电源线连至操作间进行控制；

设备间中装有加药管；混凝池一侧有取水口，另一侧连接放水管，在混凝池的中间设有挡板，取水口的上方装有混凝剂喷口，混凝剂喷口与加药管相连；

取水头部的外边缘有三根纵向的支撑架，该支撑架采用H型钢制成，在H型钢的凹面上固定有滑道，支撑架的上端为工作台，下端由混凝土锚固墩固定于湖库底部；三根支撑架的纵向上每隔一定距离用圆形箍筋加固；

取水头部外边缘有三个凸面，该凸面和H型钢的凹面相配合，凸面有滑片，滑片位于滑道内，使得取水头部可在支撑架上下滑动；

取水头部上的放水管通过法兰依次与金属波纹管、PE输水管和堤岸上的固定式输水管相连接，金属波纹管的后半部分和PE输水管每相隔一定距离用管卡分别与浮块和混凝土坠块相连接，固定式输水管进入操作间，并连接真空泵接口和真空破坏器，在操作间内还设有电源控制开关和混凝剂注入端。

本发明的预净化水力自动选择性取水装置，可自由调节取水头部高程、对原水预净化、结构简单、节能，且安装方便。具体为：

1)可取得湖库优质水层的原水。利用便携式水质现场分析仪器或分层取样实验室分析水质，确定湖库优质水层深度，通过改变调节水箱中储水量，使取水头部上下浮动，调节取水口高度至优质水层。如在夏秋季，湖库表层藻类较高，而下层污染物和浊质浓度较高，下沉取水头部，可取湖库中间层的优质原水；在洪水期，洪水潜流入湖库，导致湖库一定范围内中间层污染物及浊质浓度很高，可上浮取水头部取表层原水。

2)可对原水预净化。由于暴雨、翻库等外界环境影响，使水库的原水浊度增大，造成水厂处理成本增加。针对这一问题，本发明在取水头部设置了混凝沉淀的预净化装置，原水进入取水头部与混凝剂完全混合，在U形混凝池中混凝沉淀，对高浊水在进厂前提前净化，缓解输水管的运输负荷，减小水厂的处理成本。

3)建设成本低，操作使用方便。预净化水力自动选择性取水装置无需工作桥等水面附加设施，减少了大量的钢筋混凝土材料，与现有水库的机控取水塔相比，不用在水面上实时操作，在大坝上的操作间即可实现装置操作，减小了不安全因素，且操作间中设备操控简单、方便，不需实时操作。

4)装置装机少，容量小，节能。其核心为一整体式取水头部，其中两套防水电动阀和潜水泵为装置仅有的机控，无需使用卷扬机、变压器等大容量的机控设备，有效的减小了装置装机容量，且小流量的潜水泵和防水电动阀用电量很小，降低了后续运行费用。因此预净化水力自动选择性取水装置与传统机控取水塔相比，能有效降低维护、动力费用，减小装置容积。

5)可取湖库三维空间内的优质原水。由于湖库入流、大坝折射、风作用下藻类漂浮等外界因素引起的湖库平面上水质不均，或温度变化导致冬季湖库表层水温低、浊质少、中下层水温较高、浊质较多等纵向水质分层，本发明可针对上述的湖库在水平面和纵向面的水质分布特征，将多个预净化水力自动选择性取水装置安装于湖库常年优质原水区域内，通过开启或关闭部分预净化水力自动选择性取水装置或调节多个取水装置的取水头部，来实现取湖库三维空间内优质原水的目的，有效的降低了水厂处理难度，提高处理效率。

6)安装方便，不受施工工艺条件限制。大多数早期选择性取水设施与水库大坝同期建成，在水库蓄水之前需建设完毕，施工复杂。如果在建成水库或湖泊中建设或改造水下混凝土取水设施，施工过程复杂且受施工工艺条件、水位等限制，且施工工期较长。而预净化水力自动选择性取水装置，结构简单，可实现装置分段加工，现场组装，在湖库不同高度水位条件下，均可在湖库表面从装置底部依次向上组装，并逐渐下沉输水管，施工过程简单快捷，不需要围堰或排水，不受施工时间、季节、施工工艺条件等影响。

附图说明

图1是本发明的预净化水力自动选择性取水装置的结构示意图。

图2是本发明中取水主体的正面结构示意图。

图3是本发明水箱充水时(装置下沉时)的工况示意图。

图4是图2中水箱和支撑架的1-1剖面图。

图5是取水头部的结构示意图。

图6是各法兰连接详图。

图7是采用多个预净化水力自动选择性取水装置取水示意图。

图中的标号分别表示：1、平衡浮箱，2、调节水箱，3、进水管，4、出水管，5、潜水泵，6、混凝池，7、取水口，8、挡板，9、混凝剂喷口，10、支撑架，11、设备间，12、混凝土锚固墩，13、放水管，14、放水管与金属波纹输水管的连接法兰，15、金属波纹管，16、金属波纹输水管与PE塑料输水管的连接法兰，17、PE塑料输水管，18、PE塑料管与固定式输水管的法兰，19固定式输水管，20、管卡，21、浮块，22、滑道，23、聚四氟乙烯滑片，24、防水电源线，25、电源控制开关，26、混凝剂注入端，27、真空泵接口，28、真空破坏器，29、防水电动阀，30、工作台，31、操作间，32、加药管，33、箍筋，34、固定架。

下面结合说明书附图和实施例对本发明的结构、功能和工作原理作进一步详细说明。

具体实施方式

参见图1，图1给出了一种预净化水力自动选择性取水装置，适用于对浊度较大的原水进行混凝沉淀预净化，同时通过改变水箱重力调节取水头部高度。

预净化水力自动选择性取水装置主要包括取水主体、传输管线和操作间三部分。取水主体包括水面工作台30、取水头部、支撑架10、箍筋33、固定架34和混凝土锚固墩12，是本发明的核心部分，可实现纵深向灵活调节取水；传输管线是输水管(金属波纹管15、PE塑料输水管17、固定式输水管19)、加药管32和防水电源线24的总称；操作间31内布置有电源控制开关25、混凝剂注入端26、真空泵接口27、真空破坏器28，主要为取水主体提供电能、混凝剂，以及控制其取水深度。

工作台30设置在支撑架10的顶端，高于湖库的最高水位。为预净化水力自动选择性取水装置的检修提供工作平台，同时防止取水头部在水位过高时脱离支撑架10，并强化支撑架10的稳定性。

取水头部是由不锈钢焊制而成的圆柱形整体，自上而下的功能区为平衡浮箱1、调节水箱2、设备间11、混凝池6。如图1、2所示。其中：

平衡浮箱1为密闭的圆柱形空箱，和浮块21共同产生的浮力应大于取水头部和金属波纹管15充水时、以及调节水箱2排空时取水头部和金属波纹管15的总重力，使取水头部浮于水体表层，固定取表层水。

调节水箱2是具有一定真空度的圆柱形水箱，其中设置两组进水管3和出水管4，以便快速充排水，如图3、4所示，进水管3在水箱的上端，其上安有防水电动阀29，出水管4在下端，由潜水泵5控制出水。如果需要降低取水口7高程时，打开两个防水电动阀29，对调节水箱2快速充水，充水一定量时取水头部、金属波纹管15和浮块21的浮力和重力达到平衡，继续充水，打破现有的平衡，使取水头部在多余充水的重力作用下向下移动，直至达到优质水层，关闭两个防水电动阀29，同时打开两个潜水泵5迅速排水至取水头部、金属波纹管15和浮块21的浮力和重力重新达到平衡；反之，升高取水口7高程时，先排水至取水头部到达特定水层，再充水建立新的平衡。

设备间11中仅装有加药管32，加药管32的终端为通向混凝池6的混凝剂喷口9；混凝池6的中间加一挡板8，使原水与混凝剂的接触时间增长，原水从取水口7进入混凝池6并与上端注入的混凝剂完全混合，原水向下流动，绕过挡板8后向上折返，由放水管13进入输水管道。

取水头部的外边缘有三根纵向的支撑架10，支撑架10是具有一定抗弯强度的H型钢架。如图4所示，取水头部外边缘有三个凸面，该凸面和H型钢的凹面相配合，凸面有滑片23，滑片23位于滑道22内，取水头部滑动于三根H型支撑架10之间，在H型钢的凹面上固定有滑道22，使得取水头部在三根H型支撑架10纵向上自由滑动。三根H型支撑架10在纵向上相隔一定距离用箍筋33加固，在支撑架10的底部(劣质水域)用固定架34加固底座，使支撑架10整体的抗弯强度增加。

混凝土锚固墩12是取水主体在湖库中平稳垂直固定的基础。其大小、重力应根据风、水流荷载和取水主体最大重量(取水、调节水箱2充水时)计算。

金属波纹管15、PE塑料输水管17和固定式输水管19组成装置的输水系统。如图6所示，混凝池6上的放水管13下端通过法兰依次连接金属波纹管15和PE塑料输水管17，连接金属波纹管15和PE塑料输水管17间隔一定距离用管卡20分别与浮块21和混凝土坠块固定连接，PE塑料输水管17与坝上固定式输水管19连接，坝上固定式输水管19上连接真空泵接口27和真空破坏器28。

金属波纹管15和PE塑料输水管17是可纵向移动的取水头部与坝上固定式输水管19连接纽带。金属波纹管15为取水头部可上下调节提供了有力保障，并防止湖库水流波动时造成输水管变形、破坏；PE塑料输水管17具有高挠曲性，其作用为了避免库底及大坝水下部分的输水路在安装、沉降过程以及水流冲刷产生的管道损坏。

金属波纹管15上的浮块21有三个作用。其一，防止金属波纹管15随着取水头部的下滑沉降于湖库底部，进而破坏平衡浮箱1和浮块21产生的浮力与取水头部和金属波纹管15的重力平衡；其二，避免金属波纹管15受水流冲击产生的上下波动，防止被湖库底部的废物缠绕；其三，浮块21所产生的浮力可减小平衡浮箱1的容积，使取水头部总体积缩小。浮块21的大小和数量应根据金属波纹管15进水时的总重量确定，若浮块21过大且数量较多，会使取水头部下滑困难，增加调节水箱2容积。所以，在现实工程中需要详细计算整体、局部的浮力和重力来确定浮块21的总浮力，再由金属波纹管15的长度确定浮块21的大小和数量，使取水头部的总容积最小。由于金属波纹管15的重心在其后半段，所以多数浮块21应分布在金属波纹管15的后段。

如图1所示，操作间31安装有真空泵接口27、真空破坏器28组成的取水启动设备，电源控制开关25作为调节取水头部高程的控制装置，以及连接加药管32终端的混凝剂注入端26预净化加药装置。防水电源线24和加药管32沿着放水管13、金属波纹管15、PE塑料输水管21和固定式输水管19布置，并在各输水管上的管卡20固定。

本发明的预净化水力自动选择性取水装置有五个运行工况：

第一工况：取表层水。当水位上升或下降时，取水头部随水位上下移动，平衡浮箱1和浮块21产生的浮力大于取水头部和金属波纹管15的重力，保证了取水头部能取得水面以下固定深度的水；

第二工况：取水头部向下移动取优质水层水。水平衡浮箱1进行快速充水一定量时，取水头部、金属波纹管15和浮块21的浮力和重力相等达到平衡，如图3所示，继续充水，使上述受力体的重力大于浮力，取水头部在多余重力的作用下向下移动，直至优质水质时，迅速排水达到新的平衡，取水头部停止向下移动；

第三工况：取水头部向上移动取优质水层水。水平衡浮箱1快速排水，取水头部在浮力的作用下向上移动，直到优质水质时，迅速充水达到新的平衡，取水头部停止移动；

第四种工况：取纵向面混合水。如图7所示，需要取纵向面混合原水时，在湖库平面设置多个预净化水力自动选择性取水装置，各取水装置在湖库的不同高度上运行取水，输水管汇集到同一个集水池中，达到取湖库多个不同深度水层混合优质原水的目的。

第五种工况：取水平面混合水。如图7所示，需要取湖库平面范围内的优质水，关闭或调节处于非优取水区的预净化水力自动选择性取水装置，最终汇入集水池，达到规避污染和实现平面区取优质水的目的。

该预净化水力自动选择性取水装置可在建成的湖库安装，不需要围堰或排水，不受水位、施工时间、季节等影响，关键的安装步骤如下：

在湖库水面上组装本发明的预净化水力自动选择性取水装置的水面安装平台，在岸边现浇混凝土锚固墩12，并将一节支撑架10固定其中，用固定架34加固；把已成一体的凝土锚固墩12和一节支撑架10与其余支撑架10逐节焊接竖直沉于湖库底部，沉降的同时每隔一定距离用箍筋33加固；金属波纹输水管15一端与放水管13连接，另一端与PE塑料输水管17连接，在PE塑料输水管17下相隔一定距离装混凝土坠块，并均匀的沉降到库底；同时，在安装平台上将取水头部置于支撑架10之间，在金属波纹输水管15指定位置上装浮块21，均匀的沉入湖库中，最后固定工作台30。

Claims (4)

1.一种预净化水力自动选择性取水装置，其特征在于，主要包括取水头部、支撑架(10)、混凝土锚固墩(12)、输水管(17)、加药管(32)、工作台(30)和操作间(31)；

所述的取水头部为圆柱形整体，自上而下分别为：平衡浮箱(1)、调节水箱(2)、设备间(11)和混凝池(6)；其中，平衡浮箱(1)为密闭不锈钢制空箱，与调节水箱(2)用不锈钢板隔开；调节水箱(2)内置两套装有防水电动阀(29)的进水管(3)和连接潜水泵(5)的出水管(4)，防水电动阀(29)与潜水泵(5)由防水电源线(24)连至操作间(31)进行控制；

设备间(11)中装有加药管(32)；混凝池(6)一侧有取水口(7)，另一侧连接放水管(13)，在混凝池(6)的中间设有挡板(8)，取水口(7)的上方装有混凝剂喷口(9)，混凝剂喷口(9)与加药管(32)相连；

取水头部的外边缘有三根纵向的支撑架(10)，该支撑架(10)采用H型钢制成，在H型钢的凹面上固定有滑道(22)，支撑架(10)的上端为工作台(30)，下端由混凝土锚固墩(12)固定于湖库底部；三根支撑架(10)的纵向上每隔一定距离用圆形箍筋(33)加固；

取水头部外边缘有三个凸面，该凸面和H型钢的凹面相配合，凸面有滑片(23)，滑片(23)位于滑道(22)内，使得取水头部可在支撑架(10)上下滑动；

取水头部上的放水管(13)通过法兰依次与金属波纹管(15)、输水管(17)和堤岸上的固定式输水管(19)相连接，金属波纹管(15)的后半部分和输水管(17)每相隔一定距离用管卡(20)分别与浮块(21)和混凝土坠块相连接，固定式输水管(19)进入操作间(31)，并连接真空泵接口(27)和真空破坏器(28)，在操作间(31)内还设有电源控制开关(25)和混凝剂注入端(26)。

2.如权利要求1所述的预净化水力自动选择性取水装置，其特征在于，所述的滑片(23)采用聚四氟乙烯制成。

3.如权利要求1所述的预净化水力自动选择性取水装置，其特征在于，所述的输水管(17)采用PE塑料管。

4.如权利要求1所述的预净化水力自动选择性取水装置，其特征在于，所述的工作台(30)的高度高于湖库的最高水位。

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