深水条件下生态清淤技术应用研究

刘建飞，任红侠

（浙江同济科技职业学院，浙江 杭州311231）

我国已建成各类水库98 822座［1］，这些水库在经济社会发展中起着举足轻重的作用。但是上游地表径流流入水库的同时，会挟带泥沙和吸附在其颗粒表面的污染物入库并不断蓄积在库底［2］，因此水库普遍存在不同程度的淤积，尤其是运行时间较长的水库淤积更为严重，导致水库有效库容减小。淤泥中的污染物不断释放到水体中，导致水库水质变差。这些都会严重影响水库自身安全及防洪、灌溉、供水、发电等社会效益和经济效益的充分发挥。

在水库正常运行条件下，水库清淤面临的首要问题是如何保证清淤过程中对周围环境尤其是水环境的影响最小。生态清淤是清理污染底泥时，对清淤深度的精确性、清淤后水生生态系统恢复等要求较高的环保疏浚方式［3-4］。生态清淤对清淤设备、清淤施工工艺等的要求较高，目前这种清淤方式多用于河道、湖泊的清淤［5-9］。相对于河道、湖泊而言，水库生态清淤的特点是水更深、水压力更大、水下地形条件和作业环境复杂、施工难度大。水库底泥主要由粒径微小的粉粒、胶粒和黏粒组成，清淤时表面含有污染物的微小底泥颗粒极易受扰动扩散而导致水库水体二次污染［10］。近年来工程技术人员尝试将生态清淤技术应用于水库清淤，开展的研究主要集中在通过典型水库清淤施工现场试验以及水质跟踪监测，分析研究挖泥机械作业参数以及不同水深对所开挖底泥扩散的影响［10-11］；通过监测典型水库清淤前后水质参数，研究水质变化规律以及敏感水质参数，进而评价清淤效果；利用数值模拟方法分析库周清淤、全库清淤两种不同生态清淤方案对典型水库水质的影响［12］；基于对淤泥的物理、化学性质变化规律以及疏浚泥饼力学性质的分析，梳理典型水库在疏浚、淤泥处理及利用中存在的关键问题［13］。笔者以通济桥水库为例，重点研究其生态清淤施工工艺、淤泥资源化利用途径、施工期水体环境保护措施、施工期水质监测要求等，以期为其他水库生态清淤施工提供借鉴和参考。

1 工程概况

通济桥水库位于钱塘江支流浦阳江上游，距浦江县4.0 km。水库总库容8 076万m3，有效库容5 880万m3，设计防洪标准为100 a一遇，校核防洪标准为10 000 a一遇。枢纽建筑物由拦河大坝、溢洪道、输水隧洞、电站及升压站等组成。水库防洪保护人口25.26万人、农田10 206.7 hm2，灌溉受益面积7 140 hm2，电站装机容量1.76 MW，是一座以防洪、灌溉、供水为主，兼顾养殖、发电等综合利用的中型水库。

通济桥水库始建于1958年12月，1962年4月建成蓄水。原计划2015年年底为已经建成的通济桥水厂供水，但水库水质不容乐观。2014年水质监测资料显示:高锰酸盐指数（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、总磷（TP）等指标部分月份不达标；水库水体中总氮（TN）超标严重，全年TN含量最低时可达到Ⅲ类水标准，大部分月份TN含量只能达到Ⅳ、Ⅴ类或劣Ⅴ类水标准，是通济桥水库水质的定类因子。CODMn、BOD5、TP等指标主要受库区上游外源污染物影响，TN则受内源污染物（底泥释放）和外源污染物（农村生活、生产和水土流失）综合影响，上游面源污染与水库底泥污染是水库水质污染的主要原因。近年来，随着浙江省“五水共治”及浦江县“生态文明示范创建”等水环境综合整治行动的开展，水库上游库区数百家水晶、锡箔加工厂已经关停，极大地削减了外源污染物入库量，水库外源污染逐渐得到控制。多年来水库沉积底泥中聚集着氮、磷、有机质等污染物，这些污染物的不断释放严重影响了库区水质。2015年，通济桥水库管理处委托中国科学院南京地理与湖泊研究所进行水库底泥污染调查，结果显示:水库底泥样品TN、TP含量整体较高，空间分布差别较大，底泥中TN含量为461.06～6 915.31 mg/kg，TP含量为110.40～6 390.70 mg/kg；各点位柱状底泥TN、TP含量垂向递减趋势较明显，表层至底层逐渐减小，但深层底泥中TN、TP含量仍然较高；水库底泥有机质含量多处于5%以上，最高达20%，有机质含量高促使深水水域底泥处于厌氧状态，从而使底泥氮和磷释放量增加［14］。

根据各采样点污染物释放监测值，对水库底泥年污染物释放量进行估算。水库不同点位底泥氨氮（NH3-N）、磷（P）的内源释放速率较大，氨氮释放通量为3.62～240.34 mg/（m2·d），磷酸盐释放通量为-3.12～8.16 mg/（m2·d），见图1。初步估算，水库底泥氮、磷年释放量分别为82 700 kg/a（以N计）、300 kg/a（以P计）。底泥氮释放量远大于每年入库氮总量，是影响水库水质的主要因素。另外，水库底泥中沉积的重金属和有机毒物的长期存在［15］，也是影响水库水质的重要因素，开展水库清淤工作刻不容缓。利用生态清淤技术，清除水库内已污染的底泥，将其中蓄积的氮磷营养盐、重金属、有毒有机物等污染物直接从水体中清除，有效减少底泥内源污染物的释放量，降低水库水体中TN、TP及其他有害物质的浓度，使水库水质达到Ⅲ类水标准，同时恢复水库部分兴利库容。

图1 通济桥水库底泥氨氮、磷酸盐释放分布特征（单位:mg/（m2·d））

2 生态清淤技术

2.1 清淤设备的选择

水库污染底泥主要为流泥和浮泥，具有含水量大、流动性强以及外力作用下极易扩散的特点，清淤施工时应避免底泥向周围扩散，从而导致水库水体二次污染，影响水库正常供水。有别于普通的工程疏浚，该工程以去除污染底泥为主要目的，兼顾恢复水库部分有效库容，视底泥柱状土层污染物分布情况，分层开挖，确保将底泥环保、安全、高效地输送到干化（固化）场，防止污泥、污水泄漏情况发生。库区水域宽阔，水下地形变化大，清淤区底泥厚度分布不均，清淤机械需要有GPS、回声测深仪等平面控制系统和深度控制系统。水库西部和西南部清淤水深5～10 m，中部清淤水深10～20 m，东部和坝前清淤水深20～30 m，最大清淤水深30 m，水库对外无航运条件，因此清淤机械除了满足清淤要求外，还要满足汽车运输进场的条件。为了满足以上要求，结合该工程施工条件，选择了两台开挖能力为250 m3/h、额定功率为500 kW的深水型环保绞吸式挖泥船。

2.2 生态清淤施工工艺

环保绞吸式挖泥船是集开挖和运输为一体的清淤设备，主要由泥浆泵总成、浮船、操纵系统三部分组成。浮船可以支撑泥浆泵总成和操纵系统等，连接船尾的排泥管道、定位桩等，并满足水上行驶要求。操纵系统配有液压装置、船体行驶牵引和方向机构，液压装置可满足泥、水深变化时机械升降调节的要求。泥浆泵总成由上吸管、下吸管、环保绞刀和泥浆泵等构成，其工作原理是作业时环保绞刀直接潜于水底进入底泥层，环保绞刀旋转时将底泥切削搅动，搅动后的底泥与水混合后变成底泥浆，底泥浆由泥浆泵通过下吸管吸入，经过泥浆泵加压后，再通过上吸管及漂浮在水面的管道输送至淤泥干化（固化）场，利用机械脱水方式进行干化（固化）处理。最后由自卸汽车将干化（固化）处理后的底泥运至水库附近的堆放场，可用于土方回填、制砖等。

2.2.1 施工准备

根据水库地形及淤积情况，清淤前将水库划分为5个区域，分别为坝前库区、东部库区、中部库区、西部库区和西南库区，见图2，清淤总面积316.4万m2。根据库区沉积底泥监测时采集的完整柱状底泥样品，从底泥的颜色、含水率、有机质含量、气味等特性进行观察，发现底泥普遍具有十分明显的三段式层序结构，即污染底泥层（A层）、污染过渡层（B层）和无污染层（C层），主要污染层分布在坝前库区、东部库区和中部库区。底泥清淤总量246万m3（含允许超挖量），其中污染底泥层73万m3，污染过渡层92万m3，无污染层81万m3（含超挖量）。为保证清淤效果，同时将清淤期间对水库运行的影响降到最低，清淤的顺序为中部库区→东部库区→坝前库区→西部库区→西南库区。

根据水库底泥勘察成果，清淤分区的淤积情况差异较大，因此在5个清淤分区的基础上进一步划分区块，其中:坝前库区划分为4个区块，东部库区划分为5个区块，中部库区划分为4个区块，西部库区划分为3个区块，西南库区不再划分区块，区块的长度和宽度均为100 m。

建设临时干化（固化）场，规划布置清淤线路。进行现场试挖，确定适合该工程实际的环保绞吸式挖泥船分层开挖厚度、绞刀旋转速度和横移速度等作业参数。

2.2.2 挖 泥

深水型环保绞吸式挖泥船清淤时，有效预防绞刀扰动后的底泥浆向周围水体扩散，避免水库水体再次污染，是生态清淤的关键。

（1）密封吸挖。环保绞吸式挖泥船配备专用环保绞刀，环保绞刀装配有固定叶片和导流槽、导泥挡板、水平调节器、密封罩等。清淤时绞刀上的固定叶片旋转切削淤泥；导泥挡板和水平调节器可以改善密封罩的防扩散效果，导泥挡板可伸缩，水平调节器用于调节密封罩与清淤面之间的角度，保证密封罩始终处于水平状态［16］；密封罩将绞刀扰动范围内的悬浮与流动状底泥浆封闭起来，避免其向四周扩散［17］；泥浆泵通过真空吸泥管和导流槽将搅动后的底泥浆充分吸入，并通过管道将底泥浆运至干化（固化）场。此外，需保证运输管道的止水密封效果，防止泥浆外泄，全部施工必须在全封闭状态下进行。

（2）参数控制。在清淤过程中严格按现场试挖试验确定的参数施工，以确保淤泥浆被充分吸入。试挖试验表明，绞刀旋转速度n=15 r/min，横移速度v=15～20 m/min时，挖泥船抽吸的泥浆浓度最高［10］，此时，绞刀密封罩内已开挖的底泥可以最大限度地被泥浆泵吸走，底泥颗粒扩散至周围水体中的概率最小。

（3）分条开挖。清淤作业时，采用扇形横挖法分条开挖，分条宽度为50 m，条幅间搭接1～2 m，防止漏挖、欠挖以及超挖。在清淤过程中严格执行分条作业要求，不得超出已经确定的作业范围，保证疏浚精度。

（4）分层开挖。开挖厚度是影响生态清淤效果的一个重要因素。当开挖厚度偏大时，单位时间内产生的泥浆量大于泥浆泵的吸浆量，过多被搅起的底泥浆不能完全被泥浆泵吸走而向周围水体扩散，附着在底泥颗粒上的污染物也会向周围扩散而引起水体二次污染；当开挖厚度偏小时，单位时间内产生的泥浆量小于泥浆泵的吸浆量，泥浆泵的实际生产率高于环保绞刀的实际生产率，会导致机械配套效率低，清淤效率低。因此，合理的开挖厚度应该是使单位时间内环保绞刀开挖的泥浆量略小于或等于泥浆泵的吸浆量。

环保绞刀适宜的开挖厚度为30～50 cm，清淤时实际开挖厚度要在额定转速、泵吸浓度、绞刀净深等参数协调平衡的基础上确定，避免出现泥量过大向周围水体扩散或泥量过小导致清淤效率太低的情况。当设计清淤深度超过环保绞刀的适宜开挖厚度时可分层开挖，避免因泥浆扩散而导致水体二次污染。

2.2.3 排 泥

通过排泥管将底泥泵送至位于水库大坝下游的临时干化（固化）场的储泥池。根据地形特点搭设排泥管架，排泥管道通过管架翻越坝体进入干化（固化）场。疏浚区的水上管道一端与挖泥船上的排泥管连接，另一端与岸上的管道连接。岸上排泥管沿干化（固化）场延伸架设，道路处设坡道。疏浚环节无污染和泄漏，避免水体二次污染。

2.2.4 干化（固化）

（1）底泥干化（固化）要求。该工程底泥主要用于填埋挖砂坑和制砖。底泥干化（固化）的要求是干化（固化）后土体含水率不大于60%，28 d无侧限抗压强度大于80 kPa。

（2）底泥脱水干化方法。底泥脱水干化的主要方法有自重晾晒固结法、真空预压法和机械脱水法。自重晾晒固结法的特点是底泥堆料上部水排出后即进入完全依赖自然条件的被动干化阶段，效率低、历时长、所需场地大。真空预压法的特点是处理工艺及设备复杂、历时长、所需场地大。机械脱水法具有处理量大、基建费用少、所需场地小、历时短、效率高、操作简便等优点。由于该工程清淤工程量大，没有自然堆填和真空预压的场地条件，因此选用板框式压滤机脱水，场地设置在通济桥水库大坝下游空地。

（3）板框式压滤机脱水步骤分为泥水初步分离、机械脱水、底泥固化。首先采用筛分方式分离出泥浆中的垃圾、砂及砾石等，并将其运至指定地点。然后将泥浆输入沉淀池进行泥水初分离，泥浆进入沉淀池前，在输送管道内添加絮凝剂以加快泥水自重分离速度，絮凝剂采用聚丙烯酰胺（PAM）［11］，掺量为10～20 mg/L。泥浆在沉淀池沉淀2～3 d，初步脱水后，土体含水率由400%～500%降至200%左右。在进入板框压滤机前，往泥浆中添加土壤改性外加剂，以增强土体的渗透性能，改善土体脱水效果，减少脱水费用。

采用板框式压滤机进行机械脱水干化。使用简易的小型挖泥船将储泥池中沉淀好的高浓度泥浆输送到生产车间的配料池。含水率200%左右的底泥浆通过渣浆泵输送到板框式压滤机中，在规定压力下持续进浆、挤压，将底泥中的水分榨出，实现泥、水快速分离，完成底泥的脱水干化。经机械脱水后，底泥含水率可由200%降低至50%～65%。

为了提高底泥强度，改善底泥的力学性能，实现底泥固化，满足利用底泥的要求，可以在机械脱水后再添加土壤固化外加剂并搅拌均匀进行底泥固化。固化后的底泥堆放6～7 h后即可外运。经现场测定，脱水固化后底泥含水率为34.90%～59.49%，符合设计要求（含水率≤60%）。

2.3 资源化利用

通过试验测定底泥脱水固化后土体的成分，然后确定其可利用途径。在底泥干化（固化）过程中添加了絮凝剂、土壤改性外加剂、土壤固化外加剂，因此固化土不宜作为种植土，但可以用于土方回填、制砖等。该工程固化土采用推土机集料，2 m3挖掘机装料，10～15 t自卸汽车运输至白马镇王市村，用于填埋挖砂坑，其余部分运输至浦江县砖瓦厂，作为制砖原材料。将固化土作为制砖原材料可减少对自然泥土资源的开采。整个清淤过程结束后，完成了底泥固化、砂石分离、废水处理等，达到了底泥的减量化、无害化、资源化处理要求。水库底泥清淤及利用工艺流程见图3。

图3 水库底泥清淤及利用工艺流程

2.4 施工期水体环境保护措施

（1）底泥余水净化处理。集中收集泥浆沉淀和机械脱水、压滤后的余水，添加絮凝剂后，通过管道进入尾水沉淀池，确保余水中悬浮物（SS）颗粒沉积。场区内设置相应的隔离带和截污沟，防止污水直接进入河道。余水经处理达到《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）一级标准及《农田灌溉水质标准》（GB 5084—92）后，通过管道排放到距离干化（固化）场约2.2 km处的通济桥灌区72线灌溉渠道。灌溉水经过农田、植物吸收和过滤后，少部分余水排放回浦阳江。底泥余水净化处理后监测结果见表1。

（2）水域浊水拦截。在水库取水口上游30 m处设置1道土工布或挡泥链隔离带，并在清淤施工区下游边界设置2道隔离带，减少清淤过程产生的悬浮物对取水口水质的影响。清淤作业区水体深度不同，同时随着清淤的进行，水体深度也有变化，因此应及时调整隔离带的拦截深度，以保证水域浊水拦截设施的拦截效果。隔离带拦截深度应为拦截区水深的2/3。

表1 底泥余水净化处理后监测结果

2.5 施工期水质监测

在施工过程中要加大水库水质监测力度，设置取水口、清淤操作点水质监测断面，布设疏浚水质监测点，并及时向施工单位反馈监测数据。在施工过程中，一旦发现水质出现异常，就要提高监测频次，调整清淤作业参数，减少底泥扰动，从而避免清淤导致的水体浊度及TN、TP含量升高。水库取水口部分水质监测结果见表2。

表2 水库取水口部分水质监测结果

续表2

3 结 语

通过采取上述生态清淤施工工艺、施工期水体环境保护措施，科学合理利用淤泥资源，实现了通济桥水库生态清淤的预期目标。

（1）实现了水质改善的预期目标。清淤期（2015年10月1日至2017年11月30日）结束后，25 d之后对主要清淤区域底泥进行了监测，将所采集到的底泥柱状样与原淤积底泥样进行对比表明:清淤区污染底泥层及污染过渡层已基本清除，部分区域已清淤至水库底层，局部残留少量污染底泥，清淤满足设计及规范要求。污染的底泥被清除后，形成洁净底泥面，有效减少了底泥的内源释放，改善了水库水体中TN超标严重的状况。对比清淤前后水库水质监测结果发现:TN、TP浓度分别降低了43%和48%。同时，藻类、耗氧量、色度等都有较明显下降，有效降低了水库水华爆发的风险。清淤后水库水质全年稳定在Ⅲ类水，甚至优于Ⅲ类水，目前已开始向义乌市供水。

（2）达到了生态清淤的目的。改变了传统清淤模式，减少了有害物质的二次污染，实现了资源化利用。通过将淤泥进行固化处理，达到淤泥、垃圾、砂石“三分离”，实现固化淤泥的多途径利用。

（3）有利于进一步充分发挥水库的兴利功能。恢复水库兴利库容151.5万m3，提高了水库的经济效益。