深水條件下生態(tài)清淤技術應用研究

劉建飛，任紅俠

（浙江同濟科技職業(yè)學院，浙江 杭州311231）

我國已建成各類水庫98 822座［1］，這些水庫在經(jīng)濟社會發(fā)展中起著舉足輕重的作用。但是上游地表徑流流入水庫的同時，會挾帶泥沙和吸附在其顆粒表面的污染物入庫并不斷蓄積在庫底［2］，因此水庫普遍存在不同程度的淤積，尤其是運行時間較長的水庫淤積更為嚴重，導致水庫有效庫容減小。淤泥中的污染物不斷釋放到水體中，導致水庫水質變差。這些都會嚴重影響水庫自身安全及防洪、灌溉、供水、發(fā)電等社會效益和經(jīng)濟效益的充分發(fā)揮。

在水庫正常運行條件下，水庫清淤面臨的首要問題是如何保證清淤過程中對周圍環(huán)境尤其是水環(huán)境的影響最小。生態(tài)清淤是清理污染底泥時，對清淤深度的精確性、清淤后水生生態(tài)系統(tǒng)恢復等要求較高的環(huán)保疏浚方式［3-4］。生態(tài)清淤對清淤設備、清淤施工工藝等的要求較高，目前這種清淤方式多用于河道、湖泊的清淤［5-9］。相對于河道、湖泊而言，水庫生態(tài)清淤的特點是水更深、水壓力更大、水下地形條件和作業(yè)環(huán)境復雜、施工難度大。水庫底泥主要由粒徑微小的粉粒、膠粒和黏粒組成，清淤時表面含有污染物的微小底泥顆粒極易受擾動擴散而導致水庫水體二次污染［10］。近年來工程技術人員嘗試將生態(tài)清淤技術應用于水庫清淤，開展的研究主要集中在通過典型水庫清淤施工現(xiàn)場試驗以及水質跟蹤監(jiān)測，分析研究挖泥機械作業(yè)參數(shù)以及不同水深對所開挖底泥擴散的影響［10-11］；通過監(jiān)測典型水庫清淤前后水質參數(shù)，研究水質變化規(guī)律以及敏感水質參數(shù)，進而評價清淤效果；利用數(shù)值模擬方法分析庫周清淤、全庫清淤兩種不同生態(tài)清淤方案對典型水庫水質的影響［12］；基于對淤泥的物理、化學性質變化規(guī)律以及疏浚泥餅力學性質的分析，梳理典型水庫在疏浚、淤泥處理及利用中存在的關鍵問題［13］。筆者以通濟橋水庫為例，重點研究其生態(tài)清淤施工工藝、淤泥資源化利用途徑、施工期水體環(huán)境保護措施、施工期水質監(jiān)測要求等，以期為其他水庫生態(tài)清淤施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

通濟橋水庫位于錢塘江支流浦陽江上游，距浦江縣4.0 km。水庫總庫容8 076萬m3，有效庫容5 880萬m3，設計防洪標準為100 a一遇，校核防洪標準為10 000 a一遇。樞紐建筑物由攔河大壩、溢洪道、輸水隧洞、電站及升壓站等組成。水庫防洪保護人口25.26萬人、農(nóng)田10 206.7 hm2，灌溉受益面積7 140 hm2，電站裝機容量1.76 MW，是一座以防洪、灌溉、供水為主，兼顧養(yǎng)殖、發(fā)電等綜合利用的中型水庫。

通濟橋水庫始建于1958年12月，1962年4月建成蓄水。原計劃2015年年底為已經(jīng)建成的通濟橋水廠供水，但水庫水質不容樂觀。2014年水質監(jiān)測資料顯示:高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、總磷（TP）等指標部分月份不達標；水庫水體中總氮（TN）超標嚴重，全年TN含量最低時可達到Ⅲ類水標準，大部分月份TN含量只能達到Ⅳ、Ⅴ類或劣Ⅴ類水標準，是通濟橋水庫水質的定類因子。CODMn、BOD5、TP等指標主要受庫區(qū)上游外源污染物影響，TN則受內源污染物（底泥釋放）和外源污染物（農(nóng)村生活、生產(chǎn)和水土流失）綜合影響，上游面源污染與水庫底泥污染是水庫水質污染的主要原因。近年來，隨著浙江省“五水共治”及浦江縣“生態(tài)文明示范創(chuàng)建”等水環(huán)境綜合整治行動的開展，水庫上游庫區(qū)數(shù)百家水晶、錫箔加工廠已經(jīng)關停，極大地削減了外源污染物入庫量，水庫外源污染逐漸得到控制。多年來水庫沉積底泥中聚集著氮、磷、有機質等污染物，這些污染物的不斷釋放嚴重影響了庫區(qū)水質。2015年，通濟橋水庫管理處委托中國科學院南京地理與湖泊研究所進行水庫底泥污染調查，結果顯示:水庫底泥樣品TN、TP含量整體較高，空間分布差別較大，底泥中TN含量為461.06～6 915.31 mg/kg，TP含量為110.40～6 390.70 mg/kg；各點位柱狀底泥TN、TP含量垂向遞減趨勢較明顯，表層至底層逐漸減小，但深層底泥中TN、TP含量仍然較高；水庫底泥有機質含量多處于5%以上，最高達20%，有機質含量高促使深水水域底泥處于厭氧狀態(tài)，從而使底泥氮和磷釋放量增加［14］。

根據(jù)各采樣點污染物釋放監(jiān)測值，對水庫底泥年污染物釋放量進行估算。水庫不同點位底泥氨氮（NH3-N）、磷（P）的內源釋放速率較大，氨氮釋放通量為3.62～240.34 mg/（m2·d），磷酸鹽釋放通量為-3.12～8.16 mg/（m2·d），見圖1。初步估算，水庫底泥氮、磷年釋放量分別為82 700 kg/a（以N計）、300 kg/a（以P計）。底泥氮釋放量遠大于每年入庫氮總量，是影響水庫水質的主要因素。另外，水庫底泥中沉積的重金屬和有機毒物的長期存在［15］，也是影響水庫水質的重要因素，開展水庫清淤工作刻不容緩。利用生態(tài)清淤技術，清除水庫內已污染的底泥，將其中蓄積的氮磷營養(yǎng)鹽、重金屬、有毒有機物等污染物直接從水體中清除，有效減少底泥內源污染物的釋放量，降低水庫水體中TN、TP及其他有害物質的濃度，使水庫水質達到Ⅲ類水標準，同時恢復水庫部分興利庫容。

圖1 通濟橋水庫底泥氨氮、磷酸鹽釋放分布特征（單位:mg/（m2·d））

2 生態(tài)清淤技術

2.1 清淤設備的選擇

水庫污染底泥主要為流泥和浮泥，具有含水量大、流動性強以及外力作用下極易擴散的特點，清淤施工時應避免底泥向周圍擴散，從而導致水庫水體二次污染，影響水庫正常供水。有別于普通的工程疏浚，該工程以去除污染底泥為主要目的，兼顧恢復水庫部分有效庫容，視底泥柱狀土層污染物分布情況，分層開挖，確保將底泥環(huán)保、安全、高效地輸送到干化（固化）場，防止污泥、污水泄漏情況發(fā)生。庫區(qū)水域寬闊，水下地形變化大，清淤區(qū)底泥厚度分布不均，清淤機械需要有GPS、回聲測深儀等平面控制系統(tǒng)和深度控制系統(tǒng)。水庫西部和西南部清淤水深5～10 m，中部清淤水深10～20 m，東部和壩前清淤水深20～30 m，最大清淤水深30 m，水庫對外無航運條件，因此清淤機械除了滿足清淤要求外，還要滿足汽車運輸進場的條件。為了滿足以上要求，結合該工程施工條件，選擇了兩臺開挖能力為250 m3/h、額定功率為500 kW的深水型環(huán)保絞吸式挖泥船。

2.2 生態(tài)清淤施工工藝

環(huán)保絞吸式挖泥船是集開挖和運輸為一體的清淤設備，主要由泥漿泵總成、浮船、操縱系統(tǒng)三部分組成。浮船可以支撐泥漿泵總成和操縱系統(tǒng)等，連接船尾的排泥管道、定位樁等，并滿足水上行駛要求。操縱系統(tǒng)配有液壓裝置、船體行駛牽引和方向機構，液壓裝置可滿足泥、水深變化時機械升降調節(jié)的要求。泥漿泵總成由上吸管、下吸管、環(huán)保絞刀和泥漿泵等構成，其工作原理是作業(yè)時環(huán)保絞刀直接潛于水底進入底泥層，環(huán)保絞刀旋轉時將底泥切削攪動，攪動后的底泥與水混合后變成底泥漿，底泥漿由泥漿泵通過下吸管吸入，經(jīng)過泥漿泵加壓后，再通過上吸管及漂浮在水面的管道輸送至淤泥干化（固化）場，利用機械脫水方式進行干化（固化）處理。最后由自卸汽車將干化（固化）處理后的底泥運至水庫附近的堆放場，可用于土方回填、制磚等。

2.2.1 施工準備

根據(jù)水庫地形及淤積情況，清淤前將水庫劃分為5個區(qū)域，分別為壩前庫區(qū)、東部庫區(qū)、中部庫區(qū)、西部庫區(qū)和西南庫區(qū)，見圖2，清淤總面積316.4萬m2。根據(jù)庫區(qū)沉積底泥監(jiān)測時采集的完整柱狀底泥樣品，從底泥的顏色、含水率、有機質含量、氣味等特性進行觀察，發(fā)現(xiàn)底泥普遍具有十分明顯的三段式層序結構，即污染底泥層（A層）、污染過渡層（B層）和無污染層（C層），主要污染層分布在壩前庫區(qū)、東部庫區(qū)和中部庫區(qū)。底泥清淤總量246萬m3（含允許超挖量），其中污染底泥層73萬m3，污染過渡層92萬m3，無污染層81萬m3（含超挖量）。為保證清淤效果，同時將清淤期間對水庫運行的影響降到最低，清淤的順序為中部庫區(qū)→東部庫區(qū)→壩前庫區(qū)→西部庫區(qū)→西南庫區(qū)。

根據(jù)水庫底泥勘察成果，清淤分區(qū)的淤積情況差異較大，因此在5個清淤分區(qū)的基礎上進一步劃分區(qū)塊，其中:壩前庫區(qū)劃分為4個區(qū)塊，東部庫區(qū)劃分為5個區(qū)塊，中部庫區(qū)劃分為4個區(qū)塊，西部庫區(qū)劃分為3個區(qū)塊，西南庫區(qū)不再劃分區(qū)塊，區(qū)塊的長度和寬度均為100 m。

建設臨時干化（固化）場，規(guī)劃布置清淤線路。進行現(xiàn)場試挖，確定適合該工程實際的環(huán)保絞吸式挖泥船分層開挖厚度、絞刀旋轉速度和橫移速度等作業(yè)參數(shù)。

2.2.2 挖 泥

深水型環(huán)保絞吸式挖泥船清淤時，有效預防絞刀擾動后的底泥漿向周圍水體擴散，避免水庫水體再次污染，是生態(tài)清淤的關鍵。

（1）密封吸挖。環(huán)保絞吸式挖泥船配備專用環(huán)保絞刀，環(huán)保絞刀裝配有固定葉片和導流槽、導泥擋板、水平調節(jié)器、密封罩等。清淤時絞刀上的固定葉片旋轉切削淤泥；導泥擋板和水平調節(jié)器可以改善密封罩的防擴散效果，導泥擋板可伸縮，水平調節(jié)器用于調節(jié)密封罩與清淤面之間的角度，保證密封罩始終處于水平狀態(tài)［16］；密封罩將絞刀擾動范圍內的懸浮與流動狀底泥漿封閉起來，避免其向四周擴散［17］；泥漿泵通過真空吸泥管和導流槽將攪動后的底泥漿充分吸入，并通過管道將底泥漿運至干化（固化）場。此外，需保證運輸管道的止水密封效果，防止泥漿外泄，全部施工必須在全封閉狀態(tài)下進行。

（2）參數(shù)控制。在清淤過程中嚴格按現(xiàn)場試挖試驗確定的參數(shù)施工，以確保淤泥漿被充分吸入。試挖試驗表明，絞刀旋轉速度n=15 r/min，橫移速度v=15～20 m/min時，挖泥船抽吸的泥漿濃度最高［10］，此時，絞刀密封罩內已開挖的底泥可以最大限度地被泥漿泵吸走，底泥顆粒擴散至周圍水體中的概率最小。

（3）分條開挖。清淤作業(yè)時，采用扇形橫挖法分條開挖，分條寬度為50 m，條幅間搭接1～2 m，防止漏挖、欠挖以及超挖。在清淤過程中嚴格執(zhí)行分條作業(yè)要求，不得超出已經(jīng)確定的作業(yè)范圍，保證疏浚精度。

（4）分層開挖。開挖厚度是影響生態(tài)清淤效果的一個重要因素。當開挖厚度偏大時，單位時間內產(chǎn)生的泥漿量大于泥漿泵的吸漿量，過多被攪起的底泥漿不能完全被泥漿泵吸走而向周圍水體擴散，附著在底泥顆粒上的污染物也會向周圍擴散而引起水體二次污染；當開挖厚度偏小時，單位時間內產(chǎn)生的泥漿量小于泥漿泵的吸漿量，泥漿泵的實際生產(chǎn)率高于環(huán)保絞刀的實際生產(chǎn)率，會導致機械配套效率低，清淤效率低。因此，合理的開挖厚度應該是使單位時間內環(huán)保絞刀開挖的泥漿量略小于或等于泥漿泵的吸漿量。

環(huán)保絞刀適宜的開挖厚度為30～50 cm，清淤時實際開挖厚度要在額定轉速、泵吸濃度、絞刀凈深等參數(shù)協(xié)調平衡的基礎上確定，避免出現(xiàn)泥量過大向周圍水體擴散或泥量過小導致清淤效率太低的情況。當設計清淤深度超過環(huán)保絞刀的適宜開挖厚度時可分層開挖，避免因泥漿擴散而導致水體二次污染。

2.2.3 排 泥

通過排泥管將底泥泵送至位于水庫大壩下游的臨時干化（固化）場的儲泥池。根據(jù)地形特點搭設排泥管架，排泥管道通過管架翻越壩體進入干化（固化）場。疏浚區(qū)的水上管道一端與挖泥船上的排泥管連接，另一端與岸上的管道連接。岸上排泥管沿干化（固化）場延伸架設，道路處設坡道。疏浚環(huán)節(jié)無污染和泄漏，避免水體二次污染。

2.2.4 干化（固化）

（1）底泥干化（固化）要求。該工程底泥主要用于填埋挖砂坑和制磚。底泥干化（固化）的要求是干化（固化）后土體含水率不大于60%，28 d無側限抗壓強度大于80 kPa。

（2）底泥脫水干化方法。底泥脫水干化的主要方法有自重晾曬固結法、真空預壓法和機械脫水法。自重晾曬固結法的特點是底泥堆料上部水排出后即進入完全依賴自然條件的被動干化階段，效率低、歷時長、所需場地大。真空預壓法的特點是處理工藝及設備復雜、歷時長、所需場地大。機械脫水法具有處理量大、基建費用少、所需場地小、歷時短、效率高、操作簡便等優(yōu)點。由于該工程清淤工程量大，沒有自然堆填和真空預壓的場地條件，因此選用板框式壓濾機脫水，場地設置在通濟橋水庫大壩下游空地。

（3）板框式壓濾機脫水步驟分為泥水初步分離、機械脫水、底泥固化。首先采用篩分方式分離出泥漿中的垃圾、砂及礫石等，并將其運至指定地點。然后將泥漿輸入沉淀池進行泥水初分離，泥漿進入沉淀池前，在輸送管道內添加絮凝劑以加快泥水自重分離速度，絮凝劑采用聚丙烯酰胺（PAM）［11］，摻量為10～20 mg/L。泥漿在沉淀池沉淀2～3 d，初步脫水后，土體含水率由400%～500%降至200%左右。在進入板框壓濾機前，往泥漿中添加土壤改性外加劑，以增強土體的滲透性能，改善土體脫水效果，減少脫水費用。

采用板框式壓濾機進行機械脫水干化。使用簡易的小型挖泥船將儲泥池中沉淀好的高濃度泥漿輸送到生產(chǎn)車間的配料池。含水率200%左右的底泥漿通過渣漿泵輸送到板框式壓濾機中，在規(guī)定壓力下持續(xù)進漿、擠壓，將底泥中的水分榨出，實現(xiàn)泥、水快速分離，完成底泥的脫水干化。經(jīng)機械脫水后，底泥含水率可由200%降低至50%～65%。

為了提高底泥強度，改善底泥的力學性能，實現(xiàn)底泥固化，滿足利用底泥的要求，可以在機械脫水后再添加土壤固化外加劑并攪拌均勻進行底泥固化。固化后的底泥堆放6～7 h后即可外運。經(jīng)現(xiàn)場測定，脫水固化后底泥含水率為34.90%～59.49%，符合設計要求（含水率≤60%）。

2.3 資源化利用

通過試驗測定底泥脫水固化后土體的成分，然后確定其可利用途徑。在底泥干化（固化）過程中添加了絮凝劑、土壤改性外加劑、土壤固化外加劑，因此固化土不宜作為種植土，但可以用于土方回填、制磚等。該工程固化土采用推土機集料，2 m3挖掘機裝料，10～15 t自卸汽車運輸至白馬鎮(zhèn)王市村，用于填埋挖砂坑，其余部分運輸至浦江縣磚瓦廠，作為制磚原材料。將固化土作為制磚原材料可減少對自然泥土資源的開采。整個清淤過程結束后，完成了底泥固化、砂石分離、廢水處理等，達到了底泥的減量化、無害化、資源化處理要求。水庫底泥清淤及利用工藝流程見圖3。

圖3 水庫底泥清淤及利用工藝流程

2.4 施工期水體環(huán)境保護措施

（1）底泥余水凈化處理。集中收集泥漿沉淀和機械脫水、壓濾后的余水，添加絮凝劑后，通過管道進入尾水沉淀池，確保余水中懸浮物（SS）顆粒沉積。場區(qū)內設置相應的隔離帶和截污溝，防止污水直接進入河道。余水經(jīng)處理達到《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）一級標準及《農(nóng)田灌溉水質標準》（GB 5084—92）后，通過管道排放到距離干化（固化）場約2.2 km處的通濟橋灌區(qū)72線灌溉渠道。灌溉水經(jīng)過農(nóng)田、植物吸收和過濾后，少部分余水排放回浦陽江。底泥余水凈化處理后監(jiān)測結果見表1。

（2）水域濁水攔截。在水庫取水口上游30 m處設置1道土工布或擋泥鏈隔離帶，并在清淤施工區(qū)下游邊界設置2道隔離帶，減少清淤過程產(chǎn)生的懸浮物對取水口水質的影響。清淤作業(yè)區(qū)水體深度不同，同時隨著清淤的進行，水體深度也有變化，因此應及時調整隔離帶的攔截深度，以保證水域濁水攔截設施的攔截效果。隔離帶攔截深度應為攔截區(qū)水深的2/3。

表1 底泥余水凈化處理后監(jiān)測結果

2.5 施工期水質監(jiān)測

在施工過程中要加大水庫水質監(jiān)測力度，設置取水口、清淤操作點水質監(jiān)測斷面，布設疏浚水質監(jiān)測點，并及時向施工單位反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)。在施工過程中，一旦發(fā)現(xiàn)水質出現(xiàn)異常，就要提高監(jiān)測頻次，調整清淤作業(yè)參數(shù)，減少底泥擾動，從而避免清淤導致的水體濁度及TN、TP含量升高。水庫取水口部分水質監(jiān)測結果見表2。

表2 水庫取水口部分水質監(jiān)測結果

續(xù)表2

3 結 語

通過采取上述生態(tài)清淤施工工藝、施工期水體環(huán)境保護措施，科學合理利用淤泥資源，實現(xiàn)了通濟橋水庫生態(tài)清淤的預期目標。

（1）實現(xiàn)了水質改善的預期目標。清淤期（2015年10月1日至2017年11月30日）結束后，25 d之后對主要清淤區(qū)域底泥進行了監(jiān)測，將所采集到的底泥柱狀樣與原淤積底泥樣進行對比表明:清淤區(qū)污染底泥層及污染過渡層已基本清除，部分區(qū)域已清淤至水庫底層，局部殘留少量污染底泥，清淤滿足設計及規(guī)范要求。污染的底泥被清除后，形成潔凈底泥面，有效減少了底泥的內源釋放，改善了水庫水體中TN超標嚴重的狀況。對比清淤前后水庫水質監(jiān)測結果發(fā)現(xiàn):TN、TP濃度分別降低了43%和48%。同時，藻類、耗氧量、色度等都有較明顯下降，有效降低了水庫水華爆發(fā)的風險。清淤后水庫水質全年穩(wěn)定在Ⅲ類水，甚至優(yōu)于Ⅲ類水，目前已開始向義烏市供水。

（2）達到了生態(tài)清淤的目的。改變了傳統(tǒng)清淤模式，減少了有害物質的二次污染，實現(xiàn)了資源化利用。通過將淤泥進行固化處理，達到淤泥、垃圾、砂石“三分離”，實現(xiàn)固化淤泥的多途徑利用。

（3）有利于進一步充分發(fā)揮水庫的興利功能?；謴退畮炫d利庫容151.5萬m3，提高了水庫的經(jīng)濟效益。