基于层次分析法的河道底泥应急处理方法

孙 浩

(上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061)

河道对于每个城市而言都必不可少，不但可以将废弃的污染物收集起来集中处理，还是控制环境污染的主要渠道。河道的存在提高了城市的清洁度，使整个城市焕然一新，是维持整个生态平衡的基础。但近年来各个行业直线发展，使用的技术手段也层出不穷，一方面促进了城市乃至全国的经济发展，提高了人们的生活水平，另一方面也增大了生态环境的压力。由于各个企业污染物或者废水废气排放不当，没有经过特殊处理直接排放到水中，导致周围的水质逐渐变差，环境受损得更加严重，产生了一系列的后续问题，不仅破坏了生态环境的稳定，还对人类的健康造成了严重的影响。同时河流流动的污染物会进入到下一段河流，而剩余的沉淀物或者底泥就会堆积在河道内，导致河道不断变窄，最后失去利用价值。里面的污染物随着时间的推移还会形成其他污染物，重新进入到城市中，释放有害气体，因此保持河道清洁与清理底泥就变得尤为重要。以往河道底泥处理方法虽然对底泥进行多次分解、处理，但受到条件的制约，效果并不明显，定量控制不均匀，还会生成新的污染物，造成多次污染。基于现状，设计一个基于层次分析法的河道底泥应急处理方法，期望在避免二次污染的同时，减少河道的拥堵压力，改善城市环境。

1 底泥测定与分析

由于河道底泥是诸多污染物堆积而成，且不能随着河流移动，其中含有大量的水分子，但却不与水混合，其组成部分包括不易溶解的化学物质与N、P等离子。将底泥进行脱水处理，然后加热到一定温度，把砂石过滤出来，剩余的微量水分全部蒸发，最后在高温下，加入结晶物质参与化学反应[1]，减少其中的离子动态反应。

在处理后，对底泥中含有的众多元素按照溶解程度进行排序，筛选出来的元素与离子就可以单独形成一个判断矩阵[2]，假设矩阵为A，含有的元素集合可表示为{B1，B2，…Bn}，得到每个元素的相对权重，就可以得到其分层元素的具体排序，限制条件公式为：

BW=λW

(1)

式中，λ—权重因子；W—特征向量。

对于相邻的判断矩阵而言[3]，每个分层都不相同，但仍然取决于河道底泥中元素的溶解顺序。

2 建立层次结构模型

在底泥测定与分析的基础上，预测每个层次的干扰因素，依次用递增的方式来描述分层之间的关联性，根据底泥中存在的物质区别，将层次划分为高级层、连接层与基础层，高级层次及时决定最终的底泥处理[4]方式，结构模型如图1所示。

图1 层次结构模型

在本文的河道底泥处理过程中，采用的是AHP模型，考虑到河道底泥对生态环境的影响[5]，将计算空气中污染指数的计算方法进行对比，总结出一个新的河道污染指标，可用公式表示为：

Ii=[Mi-Mi，j)/(Mi，j+1-Mi，j+1)]×(Ii，j+1-Ii，j)+Ii，j

(2)

式中，CPI—河道污染标准；εi—权重因子；Ii—河道内的污染程度，mg/kg；i—种类；n—数量；Mi—废水等污染物在河道内的比例；j—层数。

层次分析法的核心要素就是将河道内每个污染物进行排列，相互比较其污染程度[6]，找出其中的关联性，按照底泥的独特性，找出最为合理的处理技术。而当污染物中出现极其类似的元素或者物质，就要分批次对其进一步分析，相互比较，建立判断矩阵，一般比较的物质为2种，简单且快速，若底泥中存在的元素与离子共有n个，那么相邻2个层次的判断矩阵[7]就为：

(3)

式中，m×n代表矩阵大小。

判断矩阵中存在的元素最多不超过2个，按照污染指数的标准来互相比较，进行判断[8]，作为处理底泥的依据。而比较后产生标度的意义见表1。

表1 判断矩阵的标度以及含义

按照矩阵给出的指示来确定权重[9]，选出带有主要特征的元素，使其在特定条件下保证自身性质不变，公式为：

AW=λmaxW/n

(4)

式中，λmax—权重因子最大值，也是划分特征向量的标准，而矩阵不同也会导致权重互不相同。

为了使得到的数值具有准确性，将要对结果进行检验，公式为：

CI=(λmax-n)/(m-1)

(5)

式中，m—矩阵的序列数；CI—检验结果。

该公式一般用于底泥中污染较小的废弃物，而其中较为严重就是金属污染物，不但具有毒性，还不可以回收利用。基于上述结构，获取河道底泥含量的基本概况[10]，为河道底泥应急治理提供基础。

3 底泥减量化处理

减量化的含义就是将底泥中的污染物定位集中，通过管道运输，最后统一处理达到整治指标的过程。减量化操作不但过程明确，还能有效地清除河道内堆积的污染物，避免二次污染[11]，最后将过滤后的矿物质进行回收，循环利用，达到节约资源与保护环境的目的。

到目前为止，最为常用的底泥应急处理技术就是传统河道处理与循环式多面修复的方法，传统的方法主要是固定底泥的停留位置，保证周围环境与河道两极分化，互不影响，然后应用先进的物流技术和化学技术，对底泥中含有的特殊物质进行分解与过滤[12]，旨在提高河道中的水流速度，净化其中的污染，但治标不治本，剩余不易分解的物质还会流入下一条分支河道中。本文在传统方法的技术上进行改进与优化，首先彻底清除河道内的底泥，保证河道正常流淌，然后将取出的底泥用降解或者化学方法进行第一层处理，将分解得到的气体或者液体循环使用于工厂中，不但清理较为彻底，还促进了资源的可回收利用，给城市或者人们带来巨大的益处，但在处理时要注意不能将底泥中的有害物质流入城市中，以免污染其他河道，造成二次污染，破坏生态环境的稳定。

该方法涉及的分离技术需要较为复杂的操作手法，进而将底泥中的污泥与废弃物完整分解，从根本上减少有害物体对河道的污染。而选用的分离材料也较为常见，包括塑料材料与天然的砂石材料，不具有黏度而且易分离，利用其自身特性会在过滤器的作用下安全地将污泥与污染物分离[13]。虽然操作简单，但加入的砂石会使污泥的体积不断增大，增加了运输的难度，致使河道中的水量急速减少。此时，就要采用特殊的运输方法，将留存下来的材料运输到工厂内，进行利用。最常用的方法就是利用挖泥船进行输运，在河道底泥与船之间连接一个管道，利用船的发动机动力抽出底泥与材料，然后统一运输到废弃场，全部销毁。由于河道邻近城市，并且周围存在众多村庄，考虑到技术的特殊性，进一步对处理方法进行优化[14]。在上述方法的基础上，将会加入化学物质，使其与污泥中的物质发生化学反应，生成物不占用河道空间，且可继续循环使用，保证一段时间的投放，就会使河道内的污泥不断减少，并且不会污染环境，剩余不易溶解的矿物质就可以通过过滤器去除。然后污泥中会残存一些水量，如果与污泥一同销毁，就会浪费大量资源[15]，因此使用先进的底泥脱水技术将污泥中的水源隔离出来，继续投入河道中，整个污泥脱水的操作模块主要分为沙土分离模块、水分过滤模块、污泥控制模块与水源净化模块，流程如图2所示。

图2 稳定脱水固化同位处理技术工艺流程

通过机器脱水可以彻底将底泥中的毛细水与杂质水分别流入不同的管道，具体过程是将污水输送到滚筒的离心机中，固体杂质会经过特定的通道传送到船上，而污泥就会随着离心机的旋转而丢失大量水分，剩余干燥的泥土，水分就会随着管道重新进入到河道内，而后续的固体物质会根据滚筒筒身孔的大小进行分类，针对底泥的黏稠程度离心机可以随机调节转速，最高可达3000r/min，处理的工作量可达到100m3/h，流程如图3所示。

图3 淤泥处理工艺

此时，经过脱水后的污泥中的有害物质已经大大减少，对环境不能构成威胁，其中的固体物质可以作为建筑材料得以应用，还可以作为沙土用来填补与改善桥梁，不但土质较软，还具有一定的黏度，而剩余的杂质水会运输到加工厂，多次净化处理用于人们的生活用水。

4 实例分析

为验证所提出的基于层次分析法的河道底泥应急处理方法的有效性，以某城市河道为例，进行实例分析。此次分析主要分为2个部分，第一部分验证河道底泥成分检测的准确性，第二部分验证应急处理的有效性。

4.1 污泥采集

在第一部分实验中需要采集污泥，为保证底泥样品维持原有的状态，进行原位取样，取样过程如下。

(1)选取取样器，取样器主要分为取样头、取样管与密封塞3个部分。

(2)取样头的主要作用是插入和收集底泥，取样头为环锯齿状，为薄不锈钢制成，能够减少取样过程中对污泥的损伤。在进行取样时，将其安装到取样管的底部，并将一部分坚硬底泥留在取样管的头部，以封堵取样管。

(3)利用取样管存储采集的底泥样品，在采集后必须能对其性质进行直接观察，所以采管采用了厚而硬的透明塑料管。为了便于搬运，把它分成若干个小块，每个小块之间用螺钉固定，如果采样管的强度不足，应在采样管外面用钢护套来支撑和防护。

(4)封口采用橡胶材料，能将取样管顶部封死，收集完泥浆后，将封口塞子打开，将取样管内的泥浆样本送入取样瓶。

取样设备需按照如下步骤使用。

(1)到达指定的取样位置，将取样管的几个部分连接到适当的长度，然后在取样管的底部将取样头固定好。

(2)打开取样管顶端密封塞，将取样管连同取样头一并垂直插入指定位置，用力插至指定深度，过程中如底泥层坚硬难以继续插入，则在上方轻轻敲击取样管，使其继续向下插入至河底坚硬底泥层。

(3)用取样管顶部的密封塞子封堵取样管。

(4)慢慢地将采样管和采样头向上拉出，为了便于使用，可以稍微倾斜管体，但是要使封口始终向上，使采样管顺利地移动到岸上。

各个项目的检测方法见表2。

表2 各个成分检测方法

对采集到的污泥成分进行检测，得到实际成分，将实际成分与所提出的基于层次分析的河道底泥处理方法获得的成分进行对比，分析河道底泥成分判定的准确性。

在第二部分实验中，分别采用以往的应急处理方法与所提出的处理方法对实验地区河道底泥进行处理，主要对比5个月内分别采用2种方法处理后河道淤堵的次数。

4.2 河道底泥成分分析

实际成分与所提出的方法测得成分对比结果见表3。

表3 河道底泥成分

由表3可知，所提出的方法在污泥成本测量方面与实际成分差距较小，基本能够准确获得污泥成分含量。

4.3 河道淤堵情况分析

2个方法处理后河道淤堵次数对比结果如图4所示。

图4 河道淤堵情况分析

由图4可知，在5个月内，采用此次研究的方法处理后，河道淤堵次数非常少，说明在河道发生淤堵时能够及时对底泥进行处理，较该城市以往采用的方法处理效果好。

5 结语

河道底泥疏浚作为改善河道水质、提高河道行洪能力的重要工程措施，在水利行业日常建设管理中扮演着举足轻重的“角色”。虽然本文所构建的评价模型，其评价对象为主要污染物含量较小的底泥，而在对污染物超标的部分底泥进行评估时，评价结果往往会出现偏离。主要是由于底泥中所含污染物类型和浓度对于处置方案的选择产生较大影响。因此，为了进一步完善该评价模型，必须进行更多的案例比对和实验，从而获得更加全面的评价指标项和更加合理的指标权重，最终使得评价模型的适应性得到提升。但整治河道依然是一个未完成的挑战，仍然需要继续挖掘与研究。