李 楠，危夏安妮，胡艷芳，呂永峰

（1.北京市城市河湖管理處通惠河管理所，北京 100124；2.北京市城市河湖管理處，北京 100045）

1 研究背景

1.1 地理位置

北京市通惠河地處北京核心地區(qū)，上游承接首都功能核心區(qū)，下游連通北京行政副中心，是城市河湖水系中重要的排洪河道；上接南護(hù)城河尾段，西起東便門鐵路橋，承接前三門暗溝、東護(hù)城河暗溝，經(jīng)高碑店、普濟(jì)閘，于通州城北通濟(jì)橋（臥虎橋）下泄入北運(yùn)河，全長20.35 km，總流域面積為258 km2。其中，北京市城市河湖管理處管轄長度15.04 km（西起東便門鐵路橋，東至普濟(jì)閘下游251 m處），如圖1所示。

圖1 通惠河河道平面示意

據(jù)統(tǒng)計(jì)，高碑店閘水文站2022 年年降水量747.9 mm，最大流量290 m3/s（7 月27 日3 時），泄洪總量1 211.91×104m3，下泄水量16 432.35×104m3。樂家花園水文站2022年年降水量599.8 mm。

1.2 白色泡沫成因

據(jù)調(diào)查，通惠河?xùn)|便門橡膠壩上游有前三門暗溝、東護(hù)岸河暗溝2 個較大暗涵，受降雨影響，大量雨水將沉積的污泥及部分生活污水沖進(jìn)河道，大量有機(jī)物進(jìn)入河道迅速消耗水體的溶解氧，使水體處于厭氧狀態(tài)，并且老化分散的污泥有很強(qiáng)的吸附功能，致使污水的黏度增大，河道水體經(jīng)過橡膠壩跌水、大量曝氣時，氣泡分散于水中不易凝聚而被吸附，使污泥的濃度降低，河道表面即形成厚厚的白色泡沫層。同時，水體經(jīng)過曝氣時，水體內(nèi)的厭氧反應(yīng)產(chǎn)生的大量有害物質(zhì)（氨、硫化氫）會隨著部分氣泡融入空氣內(nèi)，氣味臭致使人體有惡心的不適之感[1]。

另外，生活污水中含有大量的油脂、洗滌劑。洗滌劑的主要成分是表面活性劑，其中磷含量較高，這種物質(zhì)會降低水表面張力。當(dāng)水體通過橡膠壩、跌水等落差明顯的水工建筑物時，在水體張力降低的情況下，油脂和表面活性劑在水體經(jīng)過橡膠壩高速沖擊時會產(chǎn)生大量泡沫，一般情況下，初期雨水的影響情況較為嚴(yán)重。通惠河作為城區(qū)最重要的排洪河道，此情況更為突出[2]，如圖2—3所示。

圖2 大北窯橡膠壩下游雨后白色泡沫聚集

圖3 高碑店閘下游雨后白色泡沫聚集

1.3 白色泡沫產(chǎn)生的影響

此種白色泡沫產(chǎn)生的突發(fā)水環(huán)境問題，不僅對水環(huán)境景觀造成惡劣影響，而且給市民造成很大困惑和不良的直觀感受，甚至近年幾次大范圍暴發(fā)事件被媒體進(jìn)行曝光和評論，北京市城市河湖管理處相關(guān)負(fù)責(zé)人雖對此進(jìn)行了解釋和說明，但在社會輿論中仍產(chǎn)生負(fù)面影響[3]。2021—2023年7月底，北京市城市河湖管理處接到反映通惠河突發(fā)白沫現(xiàn)象的接訴即辦工單共計(jì)6件，引起了廣泛輿情。

北京作為首都，肩負(fù)著全國政治中心、文化中心、國際交往中心、科技創(chuàng)新中心的核心功能。建設(shè)好首都，推動北京持續(xù)健康發(fā)展，需要付出持續(xù)的努力。生態(tài)水環(huán)境遭受破壞，同時引起輿情發(fā)生，作為城市水務(wù)管理單位的北京市城市河湖管理處，必須高效解決水環(huán)境突發(fā)問題，以減少對于城市環(huán)境的惡劣影響。

2 現(xiàn)階段處理方式

（1）水面清潔。雨后，加大水面保潔的力度，快速清理水面漂浮污染物，降低污染物對水體的持續(xù)影響。

（2）水資源調(diào)配。通過調(diào)配優(yōu)質(zhì)水源置換水體，來改善水體質(zhì)量[4]。

（3）生物制劑改善。通過投撒生物凈水劑、生物酶等制劑，降解水體污染物、消除臭味，從而改善水體質(zhì)量。

（4）物理消除泡沫。通過調(diào)節(jié)閘壩運(yùn)行狀態(tài)及船只物理干擾的方式消除泡沫，降低影響。

3 基于白色泡沫基礎(chǔ)上的產(chǎn)品研發(fā)

3.1 新型攔污網(wǎng)研發(fā)目的

汛期，城市河道防洪需求較高，上述傳統(tǒng)處理方式在實(shí)際應(yīng)用中呈現(xiàn)出諸多問題，如人工材料成本高、工作效率較低。為此，從操作難度、水流調(diào)度、見效速度及投入成本等綜合因素考量，認(rèn)為物理攔截效果最為便捷適宜，故考慮通過此方式進(jìn)行產(chǎn)品改造提升，以達(dá)到增強(qiáng)處置效力的目的[5]。通過對攔污網(wǎng)單體結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)，使其在水流沖擊作用下順勢旋轉(zhuǎn)，在攔截聚攏泡沫的同時，起到搗散消解泡沫體的作用[6]。

3.2 改裝攔污網(wǎng)產(chǎn)品規(guī)格及效果分析

3.2.1 一代產(chǎn)品

浮球選取2 種規(guī)格的泡沫浮球。單組為白色浮球（直徑12 cm）+橙色浮球（直徑8 cm）+黑色扎帶（200 根耐磨尼龍繩），整體組成為單組浮球+編織繩=串聯(lián)組合。在每個白色球體上打入均勻孔洞，垂直黏連嵌入200 條長度0.12 m 的耐磨尼龍繩，對泡沫體進(jìn)行直接破壞分解，如圖4—5 所示。橙色浮球?yàn)殚g隔物，表面耐磨尼龍繩互不妨礙，可靈活轉(zhuǎn)動，如圖6所示。整條攔污網(wǎng)重量適中，2名成年人即可搬運(yùn)、栓縛攔污網(wǎng)，如圖7—8所示。

圖4 白色浮球俯視示意

圖5 白色浮球側(cè)視示意

圖6 橙色浮球側(cè)視示意

圖7 成品整體展示

圖8 成品局部展示

攔污網(wǎng)浮球在水流作用下自由旋轉(zhuǎn)，隨水流流速的增加，球體自轉(zhuǎn)能力隨之增強(qiáng)，其表面覆蓋的針狀物可搗散泡沫體。在流速為0.12～0.31 m/s 內(nèi)，攔污網(wǎng)對白色泡沫的平均消除率達(dá)到60%。2022 年7月24日，攔污網(wǎng)應(yīng)用效果如圖9—10所示。

圖9 大北窯橡膠壩下游應(yīng)用過程

圖10 大北窯橡膠壩下游應(yīng)用效果

3.2.2 二代產(chǎn)品

通過應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，一代產(chǎn)品對于處理零星片狀泡沫體效果較強(qiáng)；而對處理成簇成團(tuán)狀泡沫體，由于表面“觸手”密度小、材質(zhì)軟，導(dǎo)致其刺破力度有限，效果不佳。

針對實(shí)際情況，對攔污網(wǎng)單體進(jìn)行了進(jìn)一步改良：①將球體改為圓柱體形態(tài)，進(jìn)一步增大單體的攔截面積；②將針狀觸手改為毛刷，提高植入密度，進(jìn)一步加大對白色泡沫的破壞力度；③嵌入方式由均勻垂直式改為螺旋排布式，進(jìn)一步提高在水流沖擊作用下的自轉(zhuǎn)效果，設(shè)計(jì)方案如圖11所示。

圖11 設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過對攔污網(wǎng)單體多次對比試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：①進(jìn)一步減輕毛刷體自重，可提高攔污網(wǎng)在水面的漂浮效果；②進(jìn)一步增加毛刷長度，可擴(kuò)大攔污網(wǎng)與聚集泡沫接觸面積，加大其破壞力度。因此，最終選擇密度小的塑料PP 材質(zhì)制作管芯，同時降低管壁厚度，加長毛刷長度。改進(jìn)后的單體外徑4 cm，內(nèi)徑2 cm，毛刷長度6 cm。單體構(gòu)造，如圖12—13所示。

圖12 毛刷單體側(cè)視示意

圖13 毛刷單體俯視示意

二代產(chǎn)品具體形式如下：單組為毛刷（自重0.7 kg，直徑50 cm）+浮球（直徑12 cm），整體組成為單組+防水繩=串聯(lián)組合，如圖14 所示。毛刷與浮球進(jìn)行串聯(lián)，使單體組合（毛刷+浮球）物體密度得到進(jìn)一步減輕，達(dá)到降低排水體積的效果，從而更好地漂浮于水面之上。

圖14 固定于大北窯橡膠壩的攔污網(wǎng)

攔污網(wǎng)毛刷體在水流作用下旋轉(zhuǎn)，在流速為0.12～0.31 m/s內(nèi)，泡沫消除率隨流速增加而增大；同時，處理零星片狀泡沫體效果極佳，平均消除率可達(dá)到80%。2023 年7 月11 日降雨后，河道出現(xiàn)零散泡沫體，隨后開展水面試驗(yàn)，效果如圖15 所示。改良后的攔污網(wǎng)可快速將零散泡沫進(jìn)行攔截、消解，對下游水環(huán)境狀況起到積極的改善作用，應(yīng)用效果十分顯著。

圖15 雨后同心橋下應(yīng)用效果

3.2.3 綜合評價

一代及二代產(chǎn)品綜合處理功效評價，詳見表1—2[7]。

表1 新型攔污網(wǎng)一代、二代產(chǎn)品處理時效對比 m2/min

表2 新型攔污網(wǎng)一代、二代產(chǎn)品泡沫攔截效率對比 %

經(jīng)過多次改良試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，可對兩代產(chǎn)品功效進(jìn)行對比評價，結(jié)果如下：兩代產(chǎn)品對白色泡沫的處理時效和攔截效率均隨水體流速增加而提升；二代產(chǎn)品處理零星片狀或成簇成團(tuán)泡沫體的時效和攔截效率均優(yōu)于一代產(chǎn)品；在同流速下，兩代產(chǎn)品對零星泡沫的處理效果較團(tuán)狀泡沫更加明顯。

4 新型攔污網(wǎng)產(chǎn)生的效益

通過分析2022 年在通惠河投入應(yīng)用情況發(fā)現(xiàn)，新型攔污網(wǎng)具備消除泡沫能力強(qiáng)、拼組便捷易操作、可復(fù)制能力強(qiáng)、原材料環(huán)保穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。鑒于白色泡沫問題在城市河湖乃至全國各個流域內(nèi)皆有發(fā)生，相關(guān)單位或部門可根據(jù)河道及排水口寬度自行組合并長期循環(huán)利用，具有普遍推廣價值[8]。

目前，新型攔污網(wǎng)二代產(chǎn)品單價成本為246元/m，試驗(yàn)所用產(chǎn)品制作長度為50 m。以城市河湖2022年水環(huán)境應(yīng)急事件為例，通惠河段突發(fā)白色泡沫問題2 次。如采取投撒生物制劑方式處理，需含材料成本、人工成本、機(jī)械成本，其中材料費(fèi)生物制劑約200元/kg、人工費(fèi)160元/d、機(jī)械費(fèi)船只200元/臺班。如處理一次突發(fā)事件，投撒制劑40 kg 左右，需3 名工人操作，每次治理周期2 d。按上述數(shù)據(jù)計(jì)算，2022年通惠河段2次治理共需花費(fèi)34 720元。如采用新型攔污網(wǎng)處理，除12 000元材料費(fèi)之外，無任何其他費(fèi)用支出，同時單體部件均可循環(huán)利用，使用壽命至少5 a。如長期投入使用，可直接降低長期支出成本[9]。

綜上，新型攔污網(wǎng)的應(yīng)用可快速處理突發(fā)水環(huán)境白色泡沫問題，保障城市河湖水環(huán)境安全，短時間內(nèi)恢復(fù)水環(huán)境常態(tài)；可節(jié)約人力成本，能夠幫助水務(wù)部門將更多精力投入汛期水流調(diào)度及水工設(shè)施維護(hù)工作中；可節(jié)約物資成本，減少打撈船只應(yīng)用等[10]。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

新型攔污網(wǎng)具有處理河道白沫高效、材料成本低、環(huán)保可靠、組裝方便、可循環(huán)使用的優(yōu)勢，在實(shí)際水環(huán)境維護(hù)運(yùn)用過程中能夠達(dá)到良好效果。

5.2 建議

水體受污染，絕大多數(shù)原因是由于排污口污水排放所致。為此，建議采取以下方法解決水污染問題：①利用指標(biāo)管理加強(qiáng)污水處理。建議排污入口處加裝除磷設(shè)施，可以采用生物處理、化學(xué)處理等方法，降低水體富營養(yǎng)化程度；②以水資源科學(xué)調(diào)度為原則，采取物理方式適當(dāng)調(diào)節(jié)降低閘體間水位落差，以緩解泡沫的產(chǎn)生；③建立初雨調(diào)蓄池，收集降雨后初期雨水，既規(guī)避雨水洪峰，又控制初期雨水的面源污染，以緩解河道受污染程度。

發(fā)展是第一要義，而創(chuàng)新是發(fā)展的源泉和動力。水務(wù)工作的全面進(jìn)步，更需要豐富的創(chuàng)新元素，以問題為導(dǎo)向，從實(shí)際問題著手，用繡花的功夫解決問題。新型攔污網(wǎng)正是在此大環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生的產(chǎn)物，具有極高的實(shí)際應(yīng)用價值，切實(shí)提高了水環(huán)境應(yīng)急處置能力，可達(dá)到將水環(huán)境問題進(jìn)行快速化解、消除的目的，具有便捷、高效、可循環(huán)的優(yōu)勢，對整體水環(huán)境狀況改善起到積極的促進(jìn)作用，為水環(huán)境應(yīng)急處置提供了新思路。