河湖清淤吹填土固結硬化及生態(tài)處治效果

唐彤芝，吳月龍，叢 建，彭 劼，姚雪軍，張洪瑋

(1. 南京水利科學研究院，江蘇南京 210029； 2. 南京瑞迪建設科技有限公司，江蘇南京 210029； 3. 河海大學，江蘇南京 210098； 4. 溫州浙南地質工程有限公司，浙江溫州 325006)

河湖清淤吹填土固結硬化及生態(tài)處治效果

唐彤芝1，吳月龍2，叢 建1，彭 劼3，姚雪軍4，張洪瑋2

(1. 南京水利科學研究院，江蘇南京 210029； 2. 南京瑞迪建設科技有限公司，江蘇南京 210029； 3. 河海大學，江蘇南京 210098； 4. 溫州浙南地質工程有限公司，浙江溫州 325006)

河湖清淤吹填土含水率高，流動性大，具有污染性。無砂真空排水預壓法在固結硬化吹填土，提高其強度和承載力方面效果顯著。受環(huán)形流道、落淤分選的影響，同一堆泥場內(nèi)不同區(qū)域的地基沉降和超靜孔壓的變化存在一定差異性。無砂真空預壓法具有較好的阻隔、過濾、吸附有機污染物等凈化功能，經(jīng)歷堆置沉淀、負壓抽吸、尾水沉淀和水生植物過濾吸附后排放的水體中有機質和總磷(TP)含量大幅減小，污染綜合指數(shù)由0.8～1.0降到0.7，基本滿足地表水Ⅲ類水質標準要求。固結后吹填土中的有機質、總氮、總磷含量大幅度降低，有機污染指數(shù)提高了1個等級。重金屬含量符合土壤環(huán)境質量Ⅲ類標準，重金屬的浸出毒性指標低，對地表水無污染，重金屬污染程度的計算評價結果總體為輕微。

吹填土； 真空預壓； 生態(tài)處治； 有機污染物； 重金屬

采用水力強制絞吸、管道輸送吹填方式對河湖、水庫、港口航道等進行清淤疏浚，以提高河道、水庫儲水行洪能力、航道安全通行能力，改善河湖庫區(qū)水質和生態(tài)環(huán)境，保障城鄉(xiāng)供水安全，社會、環(huán)境效益十分顯著。水體底泥沉積物的成分與性質很復雜，含水率高、強度低，含有污染性物質或元素，如有毒重金屬(Hg，Cr，Pb，As等)、有機污染物(N，P等化合物)等。據(jù)統(tǒng)計，我國的江湖河庫底泥污染率達80.1%。河湖清淤泥水通過管道輸送到排泥場堆置，經(jīng)自然晾曬或固化處理后形成具有一定強度和承載力的吹填土地基，可用作工農(nóng)業(yè)開發(fā)建設[1-2]?，F(xiàn)有研究對代表性大型湖泊、水庫的底泥污染特征、種類、成因以及懸浮遷移累計規(guī)律特性、底泥與水體的相互作用、環(huán)保疏浚技術與工藝設備、污染性評價等開展了大量工作，取得了較豐富的成果[3-5]，對河湖生態(tài)治理工程建設具有重要指導意義。

為加快建設周期，常采用無砂真空排水預壓法[6]對清淤吹填土進行固結硬化處理，該方法利用管道集排、負壓抽吸，不添加任何固化劑，是純物理形式、純生態(tài)的地基處理方式。然而吹填土堆置經(jīng)自然沉積后溢流排放的自由浮水，以及在負壓排水固結處理過程中吹填土體排放出來的孔隙水，往往攜帶氮磷、水溶態(tài)或離子交換態(tài)的重金屬和有機物等污染物，且污染物大多附著在微細顆粒上，懸浮難沉降。

本文結合太湖生態(tài)清淤工程對無砂真空預壓法的固結硬化規(guī)律和效果進行了分析[7]，對硬化過程中排放的水體水質、硬化后地基土體內(nèi)的重金屬含量進行了測試，研究和評價了水質和土壤重金屬的污染性和“減量化”去污效果。

1 工程概況與處治方案

1.1 工程概況

蘇州市吳江區(qū)一水廠水源地生態(tài)清淤吹填土固化工程，需清淤約92萬m3，絞吸吹填管道輸送至兩個排泥場自然靜置落淤約1個月，排出表層浮水。排泥場位于廟港村，面積約為23萬m2，吹填土堆置高度平均約為4 m。在太湖內(nèi)的吹填取土區(qū)對太湖原水取樣測試主要水質指標，結果為：pH值6.8；SS值(總懸浮固體)96.2 mg/L；TN(總氮),TP(總磷),TC(總碳)分別為：1.054, 0.129和21.64 mg/L。取距進泥口較遠處的流動態(tài)“泥水混合物”，測試天然堆置狀態(tài)下吹填土主要物理性質，見表1。清淤吹填土含水率超過100%，約為液限含水率的3倍，以粉粒和黏粒的細顆粒為主，粒徑大于0.075 mm的粗顆粒含量僅占6.1%，塑性指數(shù)為21.9，為典型的超軟高含水量細顆粒黏性土。

表1 天然堆置吹填土主要物理性質Tab.1 Physical indexes of filled mud before improvement

圖1 排水固結法剖面Fig.1 Profile of drainage consolidation

1.2 排水固結硬化方案

采用淺層無砂真空預壓技術進行固結硬化處理，“板-管一體化”施工和逐級加泵抽真空，處理后地基表面承載力特征值≥50 kPa，如圖1所示。

1.3 生態(tài)處治方案

清淤底泥經(jīng)管道吹填至排泥場后，采用“環(huán)形流道+閘式泄水+多級溢流+多級沉淀、水生植物過濾帶”相結合的方式進行生態(tài)處治，平面布置見圖2。

圖2 工程平面布置Fig.2 Project layout

方案要點：①鏟除堆泥場底部表層浮土，整平后碾壓數(shù)遍密實。四周圍堰采用黏粒含量高、滲透性低的黏土進行分層碾壓堆筑而成，從而形成防滲層，吸附阻隔吹填土中的污染物質[8]。

②采用閘式泄水口，并將其設置在場內(nèi)吹填死角，盡可能遠離進泥口位置。通過閘門的開啟提放，來控制排泄流量，改善泥漿沉淀效果，減小流失及提高堆泥場平整度等。③堆泥場內(nèi)根據(jù)泄水口總體走向，設置由溢流堤和隔堤組成的環(huán)形流道，增加淤泥落淤行程，增強顆粒促淤分選效果。距進泥口由近到遠，沉淀泥顆粒由粗到細，含泥量大大降低，有利于污染物的懸浮、漂流和排放。④閘式泄水口排放的尾水通過“沉淀池+水生植物過濾帶+溢流堰”兩級生態(tài)處置，實施沉淀、植物吸附過濾和物理阻隔等強化措施，進一步減少含氮、磷等污染物總量或濃度，以保障水質符合相關標準。

1.4 檢測方案

設置真空度、表層沉降、孔隙水壓力等現(xiàn)場觀測項目，進行十字板剪切強度測試，取土樣進行室內(nèi)物理試驗，研究河湖清淤吹填土的固結變形特性，評價檢驗地基固結硬化效果。取樣測試吹填土處治過程中有機質、氮磷元素、重金屬元素含量以及浸出毒性指標，研究污染物的遷移變化過程，分析處治過程中排放的水體是否達標、固結硬化后的土體環(huán)境質量等級，是否對周邊環(huán)境產(chǎn)生二次污染等。

2 吹填土固結硬化處治效果測試分析

2.1 負壓排水固結變形性狀

圖3～4給出了吹填土地基膜下真空度和泥面沉降的變化過程，從中可以分析河湖吹填土在負壓排水固結聯(lián)合生態(tài)處治過程中體現(xiàn)出的比較獨特的性狀規(guī)律。

圖3 膜下真空度變化曲線Fig.3 Vacuum degree curves

圖4 泥面累計沉降量變化曲線Fig.4 Surface settlement curves

考慮到吹填泥十分稀軟，泥面浮水多，土顆粒呈懸浮態(tài)，流動性大，采用逐步加載法進行抽真空，水、土、氣在由小到大逐漸提高的負壓抽吸作用下逐步移動、匯聚和排出，膜下真空度呈波動性上升。當水、土、氣的移動、匯聚達到有序狀態(tài)時，膜下真空度進入持續(xù)穩(wěn)定階段。逐步加載抽真空方式可有效減免水平管路和豎向排水體的淤堵，保障負壓排水的長期通暢，較適合于清淤吹填土的固結處理。

從圖4的沉降觀測結果來看，環(huán)形流道的總體方向是：1區(qū)(累計沉降量403 mm)→2區(qū)(累計沉降量639 mm)→3區(qū)(累計沉降量794 mm)→6區(qū)(累計沉降量639 mm)→5區(qū)(累計沉降量728 mm)、9區(qū)(累計沉降量981 mm)、8區(qū)(累計沉降量875 mm)→4區(qū)(累計沉降量860 mm)→7區(qū)(累計沉降量891 mm)。越靠近進泥口顆粒越粗，越容易沉淀，沉降量較少且易穩(wěn)定收斂；越遠離進泥口，顆粒越細，越不易沉淀，沉降量較大，但收斂慢。不同分區(qū)沉降的差異性體現(xiàn)出環(huán)形流道具有延長泥漿流程、減緩流速、促進顆粒落淤分選的功能，可提高堆泥場充淤容量，有利于污染物懸浮排流。按變形計算吹填泥層的平均固結度均達到80%以上。

圖5列出了位于環(huán)形流道兩個不同區(qū)域的淤泥地基內(nèi)超靜孔壓的變化過程，可以看出，淺層的負超靜孔壓較大，深層相對較少，符合一般規(guī)律。受環(huán)形流道對泥漿沉積和顆粒落選的影響，超靜孔壓的分布呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域特征。2區(qū)位于第1道溢流堤后方，靠近進泥口，粗顆粒容易沉淀且含量較多，4區(qū)位于縱向隔堤的后方，距進泥口較遠，細顆粒含量增加。淺層1～2 m范圍內(nèi)2區(qū)的負超靜孔壓明顯大于4區(qū)，隨著深度增加，兩個區(qū)域的深層超靜孔壓基本趨于一致。

圖5 超靜孔壓變化曲線Fig.5 Pore pressure curves

2.2 吹填土固結硬化效果檢驗

為分析吹填土的固結硬化過程和效果，在抽真空不同階段分別取樣測試其主要物理性質指標，統(tǒng)計整理后見圖6。

圖6 不同階段吹填土主要物理性質指標Fig.6 Histogram comparison of physical indexes of filled mud at different improvement time

持續(xù)抽真空約50 d，含水率從122.8%降低至43.87%，降幅高達78.9%，中后期的約40 d內(nèi)，含水率降幅僅為2.4%，說明吹填土中的浮水、孔隙水主要在抽真空前中期排出，后期土體結構形成且日趨固結密實，排水較少。土體液塑限得到不同程度的提高，土體在可塑狀態(tài)的含水量范圍增大。液性指數(shù)由4.67降至0.7左右，吹填土由流泥態(tài)變?yōu)檐浰?。固結硬化以排水為主，黏粒含量變化不大，有利于水溶態(tài)污染物的排出。

3 水體排放生態(tài)處治效果測試分析

3.1 水質主要指標含量變化

取樣取泥區(qū)太湖原水、堆泥場沉淀表層浮水、真空預壓排出水、沉淀池余水測試水樣的pH值、懸浮固體(SS)、總碳(TC)、總有機碳(TOC)、無機碳(IC)、總氮(TN)、總溶解氮(TDN)、硝態(tài)氮(NO3)、總磷(TP)、總溶解磷(TDP)等指標含量，見圖7～8。

圖7 水質指標含量柱狀分布Fig.7 Histogram comparison of water quality indexes of filled mud in different phrase

圖8 水質指標含量變化率曲線Fig.8 Rate curves of water quality indexes of filled mud at different improvement time

據(jù)圖分析可知：水體的pH值變化很小，符合水質標準；經(jīng)歷絞吸、管道輸送到堆泥場后，懸浮固體雜質增多，SS值迅速增大；負壓固結硬化過程中泥面浮水、孔隙水通過具有過濾吸附功能的排水通道抽吸排出，懸浮固體雜質、粗顆粒被有效阻隔，SS值顯著減??；總碳(TC)中無機碳(IC)占比例較大，碳元素通過機械絞吸溶解遷移到水體，總碳(TC)含量增加。經(jīng)過處治后總有機碳(TOC)降幅較大，而無機碳(IC)增加較多?？傆袡C碳(TOC)是表征湖泊水質中有機質含量的重要參數(shù)，表明處治過程中吹填土水中的有機質含量大幅度減少，部分分解轉化為無機物，降低了水體的有機污染性；總氮(TN)和總溶解氮(TDN)含量增大，反映出氮元素在擾動、釋放、再懸浮、遷移過程中逐漸富集。經(jīng)過沉淀和水生植物過濾吸附后含量有所降低。硝態(tài)氮(NO3)含量一直在增加，說明硝態(tài)氮(NO3)不易沉淀、被蘆葦類植物過濾吸附。按照《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類水質標準，排放的尾水中總氮(TN)含量略有超標(標準值1.0)，也略高于原水含量；原水中的總磷(TP)含量超標(標準值0.05 mg/L)，通過底泥絞吸、自重沉淀到負壓固結排水，總磷(TP)逐漸減少，總溶解磷(TDP)逐漸增大，反映出磷元素的釋放、再懸浮、遷移和溶解過程。經(jīng)過沉淀和水生植物過濾吸附后兩者含量均降低，總磷(TP)未超標準值，且遠低于原水含量，對磷元素的生態(tài)處治效果明顯。

可見，真空排水預壓法的工藝和材料(排水通道、泥面編織布無紡布、密封膜、密封溝、真空負壓等)能有效阻隔、過濾、吸附吹填土中的污染物質，具備一定的生態(tài)處治功能。

圖9 污染指數(shù)變化Fig.9 Histogram comparison of pollution indexes of water quality

3.2 水質污染指數(shù)評價

水質污染指數(shù)法根據(jù)水質污染物組分濃度相對于其環(huán)境質量的標準值來判斷水的質量狀態(tài)，污染指數(shù)P的計算見文獻[5]。依據(jù)2010年上海市環(huán)境狀況公告將水體分為合格(P≤0.8)、基本合格(0.82.0)四類。按照《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類水質標準(視為非湖、庫的一般地表水)，關注水質的富營養(yǎng)化問題，選擇參加評價的污染物為總氮(TN)和總磷(TP)，計算結果見圖9。

“太湖原水樣”經(jīng)絞吸吹填、靜置沉淀、固結硬化到“沉淀池余水樣”，P值由0.8～1.0(處于“基本合格”狀態(tài))降低到0.7(處于“合格”狀態(tài))。總氮(TN)的分擔率高于總磷(TP)。處治過程中TN的污染分擔率由62%增加到84%，呈遞增趨勢，TP的污染分擔率由38%降低到16%，呈遞減趨勢，可見處治過程和工藝措施對氮、磷元素產(chǎn)生不同作用。氮元素以溶解富集為主，污染程度逐漸加劇，磷元素以過濾吸附為主，污染程度逐漸降低。生態(tài)處治技術措施有效，但富營養(yǎng)化仍然是水體主要可能的污染趨勢。

4 固結后土體生態(tài)處治效果測試分析

4.1 土體有機污染物含量與評價

取樣測試處治前后土體中的有機質OM、總氮TN和總磷TP的含量見表2，繪制指標含量的變化曲線見圖10，以分析有機污染物在處治過程中的遷移排出規(guī)律。

表2 硬化前后土體有機污染物含量Tab.2 Organic pollutants in soil mass before and after hardening

圖10 土體有機污染物含量變化曲線Fig.10 Change curves of organic pollutants in soil mass

土樣中有機質的含量遠高于總氮、總磷，有機污染物以有機質為主。固結后3項指標均得到了較大幅度的降低，說明懸浮的有機污染物在負壓抽吸作用下較易遷移排出，真空負壓、水平與豎向交織的排水管道為底泥有機污染物的遷移排出提供了動力和途徑。

兩個區(qū)的有機質(OM)含量沿深度分布的規(guī)律明顯不同，不同點位檢測值的差異也較大。3區(qū)有機質含量沿深度遞減，5區(qū)呈現(xiàn)“兩頭小，中間大”的形態(tài)，與吹填土硬化后強度分布“兩頭大、中間小”的規(guī)律相似，有機質含量越大，強度越低。泥漿先流經(jīng)3區(qū)，經(jīng)過縱向隔堤流往5區(qū)，測試結果反映出有機質主要吸附于土顆粒，隨顆粒分選沉積而變化。流程越短，沉積快，土層沉積物多，有機質含量多。遠離進泥口的區(qū)域，泥漿流動慢，細顆粒、懸浮物含量大，沉積慢，有機質容易隨懸浮物排走，或負壓作用下被抽吸往淺層遷移進入管道排出，總體表現(xiàn)出淺層有機質含量低，中下部含量高。總氮(TN)、總磷(TP)主要呈水溶態(tài)、離子態(tài)，容易隨孔隙水被抽吸遷移排出，故兩個區(qū)的總氮(TN)、總磷(TP)含量分布沿深度呈遞減趨勢，規(guī)律基本一致。

計算固結前土體的有機污染指數(shù)OI[9]約為0.484(Ⅲ級，尚清潔)，硬化后約為0.176(Ⅱ級，較清潔)，提高了1個等級，污染指數(shù)降低了63.6%。

4.2 土體重金屬元素含量與浸出量

分別于處治過程中和硬化后取土樣測試主要重金屬含量，結果見圖11。Zn的含量最高，其余依次是Cu，Ni，Cr，As，Pb，Cd，均符合《土壤環(huán)境質量標準》(GB 15618—1995)Ⅲ類標準。硬化前后重金屬含量有增有減，規(guī)律性不明顯，場地內(nèi)不同區(qū)域重金屬的重分布具有一定的差異性。硬化后5區(qū)的大部分重金屬含量平均值高于3區(qū)(Cd除外)，說明重金屬容易吸附于細顆粒并隨之懸浮遷移。

圖11 土體重金屬元素含量分布Fig.11 Distribution diagram of heavy metals in soil mass

檢測重金屬的浸出量(mg/L)為：Ni(0.019～0.04，平均值0.025)，Cu(0.012～0.054，平均值0.021)，Zn最大(0.094～0.541，平均值0.274)，Pb(0.002～0.056，平均值0.017)，Cr(0.035～0.045，平均值0.041)，Cd(0～0.003，平均值0.001)，As(0.004～0.020，平均值0.010)。浸出毒性指標符合《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準。

4.3 土體重金屬污染性分析評價

按照《土壤環(huán)境質量標準》(GB 15618—1995)Ⅲ級標準，分別采用內(nèi)梅羅指數(shù)法、地累積指數(shù)法和Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法[10-13]對土體的重金屬污染性進行計算，結果見表3。

表3 土體重金屬污染性計算評價結果Tab.3 Calculation and assessment results of heavy metals pollution in soil mass

3種評價方法各有其側重點和適用性，目前尚未有統(tǒng)一的規(guī)范標準。綜合來看，3種方法對重金屬污染性的評判級別基本一致，硬化后地基土中的重金屬污染程度總體為輕微。

5 結 語

(1)河湖清淤疏浚工程的堆泥場中設置分層碾壓黏土圍堰、底部黏土封層壓實、溢流堤、縱向隔堤、閘式泄水口等工程措施對于阻隔吹填土污染物擴散、減緩泥漿流速、延長流程、促進顆粒落淤分選和污染物沉淀是有效的。

(2)無砂真空預壓法處理河湖清淤吹填土的固結硬化效果顯著。受環(huán)形流道、顆粒落淤分選的影響，吹填土的固結沉降、超靜孔壓變化過程體現(xiàn)出明顯的差異性特征。

(3)按照《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準，吹填土經(jīng)過堆置沉淀、負壓固結、尾水沉淀、水生植物吸附等處治過程，水質pH值變化小，符合標準。水中懸浮固態(tài)雜質和有機質含量大幅度減小。排放的尾水中總氮(TN)含量略有超標，總磷(TP)未超標準值，水質污染綜合指數(shù)值由0.8～1.0降低到0.7，處于合格狀態(tài)。

(4)固結后吹填土中的有機質、總氮、總磷含量降幅較大，有機污染指數(shù)提高了1個等級，有機污染程度降低了。按照《土壤環(huán)境質量標準》(GB 15618—1995)和《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)的Ⅲ類標準，主要重金屬含量及浸出量均未超標，采用內(nèi)梅羅指數(shù)法、地累積指數(shù)法和Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法3種方法對重金屬的污染程度評價結果總體為輕微。

(5)在固結硬化清淤吹填土的同時，真空預壓的工藝和材料為污染物的遷移排出提供了動力和途徑，通過阻隔、過濾、吸附作用對水質產(chǎn)生凈化，但對重金屬的去除效果不明顯。建議在河湖清淤吹填土的處治和資源化利用過程中發(fā)展真空排水固結聯(lián)合電滲技術，以增強去除重金屬污染的能力。

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Hardening of hydraulic fill dredged from rivers & lakes and its ecological treatment effect

TANG Tongzhi1， WU Yuelong2， CONG Jian1， PENG Jie3， YAO Xuejun4， ZHANG Hongwei2

(1.NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029，China； 2.NanjingR&DTechGroupCo.，Ltd.，Nanjing210029，China； 3.HohaiUniversity，Nanjing210098，China； 4.WenzhouZhenanGeologicalEngineeringCo.,Ltd.,Wenzhou325006，China)

The hydraulic fill dredged from rivers and lakes is generally characterized by high water content, large fluidity, and greater pollution. The sand-free vacuum preloading method has a remarkable effect in consolidating and hardening the hydraulic fill, and improving its strength and bearing capacity. Due to the influences of the annular channel and the sedimentation separation, there are some differences between the foundation settlement and the change of the excess pore water pressure in the different areas of the same mud pit. This method performs an important purification function in barrier, filtration and adsorption of the organic pollutants. After the stacking and precipitation, the negative pressure suction, the tailwater precipitation, the filtration and adsorption of the aquatic plant, the content of organic matter and total phosphorus (TP) are decreased significantly, and the pollution indexPis reduced from 0.8～1.0 to 0.7, which basically meets the requirements of the class Ⅲ water quality standard of the surface water. After consolidation, the content of organic matter, total nitrogen and total phosphorus in the soil had decreased greatly, and the organic pollution index OI is improved by one grade. The content of the heavy metal element in the soil meets the class Ⅲ environment quality standard for soils, and the leaching toxicity of the heavy metals is low, thus producing no pollution to the surface water. The calculation results show that the heavy metals pollution degree is slight.

hydraulic fill; vacuum preloading; ecology treatment; organic pollution; heavy metal

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.02.001

2016-02-18

國家自然科學基金資助項目(51578214)；水利部公益性行業(yè)科研專項資助項目(201201015)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金重點資助項目(Y315016)

唐彤芝(1974—)，男，湖南東安人，教授級高級工程師，博士，主要從事軟弱土處治與環(huán)境巖土工程技術研究。E-mail: tztang@nhri. cn

TU447

A

1009-640X(2017)02-0001-09

唐彤芝， 吳月龍， 叢建， 等. 河湖清淤吹填土固結硬化及生態(tài)處治效果[J]. 水利水運工程學報, 2017(2): 1-9. (TANG Tongzhi, WU Yuelong, CONG Jian, et al. Hardening of hydraulic fill dredged from rivers & lakes and its ecological treatment effect[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(2): 1-9. (in Chinese))