降速促沉技术在河流悬浮物治理中的应用

罗应军

（湖北大禹水利水电建设有限责任公司，湖北 武汉 430061）

随着人们对水资源的使用力度和使用强度的不断提高，对河流自然生态系统造成了非常大的破坏。如果河流的自我修复能力低于人类对自然环境的破坏程度，河流的生态系统就会出现明显的退化，河流中的鱼虾也会随之消失，给自然生态系统的发展和循环利用造成了非常大的破坏。在工业生产中，大量的废料、废渣、尾水只是经过简单的处理就排到了河道中，导致河水浑浊、大量的悬浮物沉积在河道中，降低了河道的行水能力。

1 案例简介

某河流属于一级支流，流域的总面积为1500km2，整个流域的气候属于中温带大陆性气候，整体降雨量偏少，春季多风少雨，夏季酷热，秋季气温较低，冬季少雪干冷。地区降雨时间短，雨量强。山石裸露较多，沟道比降比较大，植被比较稀疏，土坡渗透力偏低等。因为短时间的降雨经常会导致河水急涨急落，使得河流上游的各种矿渣、尾矿随着降雨径流进入到了该河流，使得河流中的悬浮物含量严重超标，降低了河水质量。该河流的悬浮物含量如表1所示。

表1 河流悬浮物含量

2 整个河流存在的问题

该河流河道属于非常典型的季节性河道，上游从矿山里开采出来的污染物不断的流入河道，另外河道周围农田化肥、居民日常生活污水等也排放到河中，生态环境受到了严重破坏。

在洪汛期间，洪水期短且水流速度快，河水经常陡长陡落，河水的冲刷力也非常高，防洪任务非常重。

在枯水期，河流经常会出现断流、河床裸露的情况，可以使用的生态水也相对匮乏。从相关水文资料了解到，在汛期该河流的最大水流量为2930m3/s。在枯水期水流量可以达到1m3/s。河水中含有大量的泥沙，河流整体的纳污水平不高，河流水的质量也不高。该河段泥沙流量最高可以达到190m3/s。大量的污染物随着泥沙流入河道中，使得水质严重超标。相关的检测数据显示，BODS和CODcr是两个超标比较严重的污染源。

其中BODS属于劣质V类，超过规定标准1.38倍，CODcr属于V类水质标准，超过规定标准0.18倍。植物的覆盖率不高，水土保持难度较高。因为该地区植物的成长季节性比较强，淡水资源也相对匮乏，所以出现了大面积的土地裸露的情况，使得河岸边坡的稳定性不高，岸线也非常不稳定，大量的泥沙导致该河流的部分河段出现了非常严重的淤积现象，河道水资源长期缺水，加上人为干扰，河床在经过不断的采砂过后，出现了非常严重的下切现象，河道边滩旱化、河道收缩。

另外，大量的农村生活、建筑垃圾都堆放到了河道周围，没有对河道进行科学合理的规划，就对河道进行了开发，河道的防洪标准不高，个别河段还未全部建设完成。政府投入的河道治理资金不足，投资机制和渠道也不健全。

3 河流治理方法

该河道的水流速度快，河道的比降也较高，悬浮物无法在自然状态下沉积到河床，为了降低水流速度，使河水中的悬浮物沉入河底，要在河道中修建悬浮物拦截沉淀池和石笼坝。使河流中的悬浮物沉降并移动到河道外面，降低悬浮物的含量，改善河水质量。

3.1 修建悬浮物拦截沉淀池

该河流的悬浮物含量非常高，如果任由悬浮物随意沉入到河底，会使河床抬高，进而导致河道出现比较严重的淤积情况，所以，要在该河流的河道中修建悬浮物沉淀池。主要的修建方法是在河流的某河段向下挖出1.6m，然后使用石笼坝组成悬浮物拦截沉淀池，作为悬浮物沉淀的空间，在沉淀池中，水流速度较慢，悬浮物很容易在重力的影响下沉积到池底，经过净化的水流会沿着石笼坝顶进行溢流，以此起到净化河流悬浮物和净化水体的作用。

该河流一共修建了3个拦截沉淀池，第1个拦截池修建在该河流河道的上游，主要是用来沉淀直径比较大的悬浮物，池子长度为230m；下游分别建设了两个拦截沉淀池，两个池子长度分别为150m，主要是用来沉淀直径比较小的悬浮物。

3.2 修建石笼坝

该河道沉降快，水流速度非常高，因此要使用减低水流速度的方法来使悬浮物沉积，经研究决定，在该河流河道修建 4 座石笼坝，主要作用是用来减少水的流动速度，并对水流进行拦截。

石笼坝分两层修建（如图1所示），上层为梯形，高80cm，堰顶宽度为3.5m，下层为矩形，高度为80cm。使用这种方法主要是用来保证大坝的稳定性。上游第一座坝的形状为A型，底部宽度为11m，剩余三座大坝为B型，底部宽度为13.5m，大坝总高度为2m，在上层坝中心设置了长度为80m，深度为20cm的过水槽。经过净化后的水流沿着石笼坝顶进行溢流。下层的河坝从塘边向两岸延伸了11m的距离。整体长度为145m。为了提高笼坝的稳定性，在石笼坝的坝脚处使用抛石进行护脚。河流中的悬浮颗粒直径高于0.09mm的悬浮物含量为总含量的55%，可以下沉到河底的泥沙颗粒为52%，沉积量为621.8m3/d，使用石笼坝拦截措施后，下游悬浮沉淀物的含量为6120mg/L。

图1 石笼坝的结构图

4 治理后的效果

该河流使用止动水流条件和起动流水条件来对悬浮物的沉淀量进行确定，即摩阻流速的方法对悬浮物的沉淀量进行确定（分别用U1来表示起动摩组流，用U2来表示止动摩组流）。当河流中水流速度比较快时，床沙就会在一定范围内起动，泥沙的起动条件和止动条件如图2所示。

河流的水流强度为U，起动曲线共有两个交叉点，分别对应的泥沙直径为d1和d2（d1＞d2），根据不同的泥沙颗粒大小，把床沙河泥沙之间的交换类型分成3个区块，在第1个区块河道水流强度低于起动摩阻流速时，床沙不可以被启动，当河道水流强度低于止动摩组流速时，运动的泥沙淤落。在第2个区块河道流水的强度高于起动摩阻流速，床沙进入移动状态，而且当河道流水强度高于止动摩阻流速时，运动的泥沙不可以转变成静止的床沙。在第3个区块，河道流水强度小于起动摩组流，床沙不可以起动，同时，河道水流强度大于止动摩组流，运动的泥沙不可以转变成静止的床沙。

图2 河流泥沙的运行特征

该河流在枯水季节水流的速度为1m/s，低于河道流水的最大强度，通过上文可知，河流中颗粒直径大于0.09mm 的悬浮物会在石笼坝前沉积，颗粒直径低于0.09mm的悬浮物会顺着流水进入下游。

通过对该河道出现悬浮物含量超标问题的研究，找到了对应的解决办法，并对直流的效果进行了详细的分析。在建立4个水笼石坝后，分别在河道中设置了3个悬浮沉淀物拦截沉淀池，降低了该河流上游水的流动速度，从而使得河流中的悬浮物沉淀在悬浮物沉淀池中，以此达到清理河流悬浮物的目的，减少了河流悬浮污染物的含量。在使用了截污、引流、清淤、修复等方法后，河水的水质得到了一定程度的净化。在河流枯季流量下，悬浮沉淀物都沉淀在了石笼坝前，所有沉积的悬浮物颗粒直径均大于0.09mm,沉积率达到了55%，沉积量为621.8m3/d。在对河流进行石笼坝拦沙处理后，河流下游悬浮沉淀物的含量降低到了6120mg/L，水质得到了极大的改善，使河流周围的生态环境有了很大的改观。

5 结 语

在对河流使用以上方法处理后，河流的水质有了很大的改良，下游水库的水质也有了很大的提高，确保了该地区居民用水的供水安全，水体的自身净化能力也得到提高，使河流的生态系统得到了恢复并进入了一个良性循环阶段。同时也使得水环境得到了改善，把河流区域建设成了林茂、水清、草绿的绿色通道，为周围居民提供了一个环境优美的活动场所。

[1]宋宝旭,刘四清.国内选矿厂废水处理现状与研究进展[J].冶,2012,6(2)∶97-99.

[2]贺梦醒,高毅,孙庆业.尾矿废水对河流沉积物和稻田土壤细菌多样性的影响[J].环境科学,2008,11(6)∶208-209.

[3]张昌民,张尚锋,李少华.中国河流沉积学研究20年[J].沉积学报,2008(2)∶183-185.

[4]黄才安.冲击河流水流泥沙基本运动规律研究[D].河海大学,2003∶24-25.