人工湖泊微生物灌浆的新型生态防渗技术研究

李 娜，赵 宇，李 凯，王丽娟

(中国水利水电科学研究院， 北京 100044)

近年来随着宜居城市的提出，为营造城市水景体系，许多大中小城市通过拦河筑湖或人工开挖，构建了不同大小规模的人工湖，如北京的颐和园和团城湖、咸阳的咸阳湖、广州的海珠湖和白云湖、上海的月湖和滴水湖等。这些利用洼地“人工”形成的水系，生态系统的平衡易受到外界的干扰，自我调控能力较差，易造成富营养化、水质恶化等生态问题[1-3]。人工湖的生态系统设计不仅需要保证生物的多样性，更需要提供适宜微生物群落和水生植物群落生存的生态环境，防渗处理设计是生态系统设计的重点[4-6]。

具有生态功能的防渗方案不仅要减少湖水渗漏损失，节约水资源，优化水资源配置，实现水资源的可持续利用，更要从根本上提高湖泊的生态自净能力及自我修复能力，使生态环境的维持具有可持续性。生态防渗方案的设计应考虑以下因素：(1) 防渗标准适宜，防渗效果可满足防渗要求；(2) 能营造微生物和水生植物所需的生态环境，维持生态系统的平衡；(3) 具备生态体系的生态功能和防渗功能之间的兼容性。因此为了满足这些生态要求，良好的生态防渗技术应满足以下要求：

(1) 湖体的水体尽量流动起来，不能形成一潭死水，应能有充分的物质交换，包括：湖面表层水的交换、湖底层水与地下水的交换和湖中微生物、浮游生物以及氧气等物质交换。

(2) 运行期间或施工扰动或干扰小，尽量减小对原有生态环境的扰动或者有利于重新构建生态系统，包括地层、水系和生物系统。

(3) 防渗体系采用的材料无污染，采用的材料天然环保和尽量使用原生环境的材料。

传统的防渗措施主要采用混凝土防渗墙、混凝土铺砌、土工膜和具有一定环保的膨润土毯、黏土等直接防渗，隔断了大部分水分的交换和流动，微生物和水生生物不易生存，水体容易恶化，自净的能力差，导致人工湖泊起不到景观和生态等方面应有的功能[7-8]。结合某人工湖的防渗设计实例，在分析传统防渗措施的生态影响基础上，提出了以微生物灌浆为主的新型生态防渗体系，以达到防渗与生态之间的平衡，使得人工湖呈现水清岸绿的自然生态之美，为类似工程的防渗设计提供参考。

1 传统的人工湖泊防渗方案

人工湖的防渗方案大多采用灌浆帷幕、混凝土板(墙)、土工材料加盖重、黏土水平铺盖等结构型式进行防渗，兼顾人工湖的生态环境保护。不同的防渗方案具有不同的优缺点(见表1)。

表1 常规防渗方案及其优缺点

复合土工材料近几年在人工湖防渗工程中得到了广泛应用[9]。以某人工湖泊为例，以土工膜、混凝土衬砌和膨润土毯为主的综合防渗体系见图1。

图1以土工膜、混凝土衬砌和膨润土毯为主的综合防渗体系

该人工湖底地质结构以黏土—砂砾结构为主，下伏基岩未揭露。地下水位埋深约9 m～19 m。湖底位于卵砾石层，渗透系数约为200 m/d，具强透水性，采用以土工膜、混凝土衬砌和膨润土毯为主的综合防渗体系。

该综合防渗体系以土工膜、混凝土衬砌和膨润土毯为主，防渗效果可靠，渗漏量小，如不考虑回灌措施，经三维有限元渗流计算，该人工湖总渗漏量为43 m3/d。

在水量保证情况下，岸坡和周边湿地生态环境良好，湖面上的水生态环境能满足要求；湖底淤泥2 m～4 m范围内由于采用土工膜、混凝土衬砌等防渗后基本不透水，隔绝了大部分水分的交换和流动，湖底层的水分流动较慢，容易水质变差，需要进行定期换水等；防渗体下的地层完全隔绝了与上部水体的水分和物质交换，水动力循环和物质生态循环被人为截断，再加上该区域的地下水位低，该区域的土壤可能处于缺水状态，不能满足土壤生态环境的最低需水量。虽然采取了地下水回灌措施补充，但地下水回灌只能从岸坡处点状回灌、地下水位较低、砂卵石层渗透系数大等因素，经三维渗流计算，回灌水渗流范围有限，湖底防渗体下的大部分区域不会存在回灌的流水。

在施工过程中需要挖开地层，铺设土工膜或浇筑混凝土。土工膜一般在30 a～50 a后就会分解、破损，失去其防渗的功用，且无法修补，只能疏干水分、翻挖地层重修铺设。

2 以微生物灌浆为主的新型生态防渗体系

2.1 微生物灌浆技术

微生物在大自然中通过不同的生物化学反应过程可以诱导形成碳酸钙沉积，比如尿素水解、硫酸盐还原、脂肪酸发酵、反硝化作用等[10-12]。微生物灌浆技术是通过钻孔向地层中灌注微生物浆液，使微生物浆液在灌浆压力的作用下向钻孔的四周呈径向扩散到地层空隙中，通过微生物新陈代谢过程中的产物碳酸钙来填充地层空隙，并固结进而提高该区域土层的强度、减小渗水率，实现对基础防渗加固，微生物浆液产物碳酸钙结晶体与砂粒结合的扫描电镜图及能谱分析图见图2、图3。已有的研究表明，微生物灌浆加固砂土，抗压强度可达到22.06 MPa，灌后渗透系数可减少到<5×10-6cm/s，微生物加固后的砂柱效果和大体积砂土加固效果见图4。微生物灌浆同传统灌浆技术一样，可通过调整灌浆参数(如孔间距、压力、次数等)控制土层的灌浆效果满足不同的生态要求。

图2 扫描电镜分析

图3结晶体能谱分析

2.2 微生物灌浆材料

为维护工程现场的生态稳定，可从施工地点筛选并培养具有诱导碳酸钙沉淀功能的菌种，如广泛存在于各种地层中的巴氏芽孢杆菌、枯草杆菌-Ⅱ等碳酸盐矿化菌，选用合适的培养基或培养液及培养环境进行扩大培养形成微生物菌液；根据菌种类别确定合适的钙液：硝酸钙、氯化钙、乙酸钙等含钙离子有机物与尿素的混合液。

根据地层可灌性，将微生物菌液和钙液配制成A液和B液，或者混合成微生物浆液(见图5)。

(a) 砂柱(b) 砂土

图4 微生物加固后的砂柱效果和大体积砂土加固效果

图5微生物材料

2.3 新型生态防渗体系

该人工湖基底为砂卵石层、砂土层，渗透系数大、蓄水能力差，新型生态防渗技术基于保护人工湖水体生态功能及维持人工湖周边岩土层生态稳定，将工程措施和生态效应结合起来考虑，不仅能起到防渗功能，而且不影响水体的生态功能。该人工湖具体的设计防渗方案为：垂直防渗结合水平防渗板形成完整、封闭的防渗体系(见图6)。

图6以微生物灌浆为主的新型生态防渗体系

(1) 垂直防渗采用以微生物浆液为主的灌浆帷幕。垂直防渗地层包含填土层、粉土层和砂卵石层，设计灌浆厚度4 m(2排帷幕)，灌浆深度8 m(到达湖底下方2 m～3 m处)，设计渗透率为5×10-6cm/s。

填土层和粉土地层内孔隙小，可灌性差，微生物菌液、钙液的黏度接近于水，可将两者依次灌入地层；砂卵石地层内孔隙较大，采用微生物浆液结合黏土浆混合灌注：即先采用黏土浆液(可加5%～10%的水泥)填充较大的孔隙，再灌注微生物菌液和钙液的混合浆液。

(2) 水平防渗采用微生物浆液结合部分黏土浆形成水平防渗板。已有研究表明，湖底0 m～4 m深度是最活跃的原生态环境区域，防渗体应远离湖底的该区域，水平防渗灌浆位置为湖底下方4.5 m～9 m范围，地层为砂卵石层，帷幕厚度设计为4.5 m，灌后渗透率为5×10-6cm/s；所处砂卵石层孔隙大，采用微生物浆液结合黏土浆混合灌注。

3 三维渗流分析

根据现场抽水试验和资料，砂卵石层渗透系数约为200 m/d，湖泊总渗流量约为1.5×105m3/d，用MIDAS三维渗流程序反演地层参数，可得砂卵石层渗透系数取为7×10-2cm/s，上层砂土体渗透系数为3×10-3cm/s。稳定渗流期，设计正常水位为49 m，湖底高程为44 m，水位深5 m。灌浆帷幕布置2排，孔排距均为2 m，垂直帷幕体厚度为4 m，水平帷幕体厚度为4.5 m。利用MIDAS软件，按照给定的截面尺寸，建立相应的计算模型(见图7)，基于对称性，取湖泊的一半进行渗流稳定分析(见图8～图10)。

图7 计算模型图

图8 总水头分布图

图9 压力水头分布图

图10水力坡降分布图

由表2可见，当帷幕体渗透系数为5×10-6cm/s时，最大水力坡降为2.52，总渗漏量为1 465.2 m3/d，与未防渗时相比减小了98%，满足人工湖的防渗要求，且新型生态防渗技术可以达到此灌浆效果。

表2 不同渗透系数渗流计算结果统计表

4 生态环境评价及需水量分析

4.1 生态需水量分析

生态环境需水量是指特定的生态环境系统在一定的时空条件下发挥期望生态环境功能所需要的一定水质的水资源量(包括地表水资源、地下水资源和土壤水资源量)。根据该人工湖的生态环境功能认为其生态环境需水量主要包括：湖泊蒸发需水量、湖泊渗漏量、维持湖泊生态景观需水量和湖泊净化需水量[13]。

(1) 渗漏量。采用防渗处理后渗流量为1 465.2 m3/d，合计为53万m3/a。

(2) 蒸发量。水面面积约15 hm2，按该地区年蒸发量为20万m3。

(3) 湖泊生态景观需水量。城市人工湖泊内少有珍稀物种，鸟类也极少作为栖息地，可认为在保证自身存在需水量基础上，能满足生物栖息地的需要。

(4) 湖泊净化需水量。水质较佳，通过灌注具有净化水体能力的特定微生物后，提高水体的自净能力，湖泊净化需水量较小。

考虑其本身的蓄水量，初步估计该人工湖最小生态需水量约为135万m3/a。

4.2 生态环境评价

生态环境的评价可将该人工湖按照不同的区域分成以下几个部分进行考虑。

(1) 湖泊岸带及湖面。湖泊岸带是指高低水位之间的湖床及高水位之上直至湖水影响完全消失为止的地带。湖泊岸带生态系统是湖泊生态系统与陆地生态系统之间进行物质、能量信息交换的生态过渡带。经过防渗处理后，湖泊蓄水后湖泊岸带及湖面的水量能满足生态环境的要求。

(2) 湖底。湖底是湖泊营养物质循环的主要场所，是湖泊生态环境的重要组成部分。通过大气沉降、入湖径流等方式，外源污染物汇入水体，其中大部分污染物会在底泥中蓄积，在一定条件下蓄积的污染物会向上覆水体释放，成为影响湖泊水质的内源污染物。在外源污染得到有效控制后，湖泊底泥过多的营养物质(氮、磷、有机物等)重新进入水体，是导致水体富营养化的二次污染源。湖底防渗采用土工膜后，不能保证适当的水分流动和交换量， TN、TP的浓度将会提高，加大了水体富营养化的风险。

(3) 湖底防渗体外地层。湖底的土工膜隔断了湖底土壤中的氧气与水分与防渗体下土体的交换，对好氧微生物的繁殖有一定影响。对于生态系统而言, 土壤水是生态环境需水的重要组成要素，湖底防渗体下土壤需要的水分需要保持一定的范围值以维持生态系统的发展。计算土壤生态需水量时常用的指标为田间持水量或饱和持水量体积百分比α，根据土壤的级别或类型划分，最小取20%～30%,在此条件下，计算地层中土壤的年需水量[14]：

Qs=αsHsAs

(1)

式中：Qs为年土壤生态需水量；Hs为土壤的厚度；As为土壤的渗水面积。

根据土壤的蓄水能力划定土壤的生态需水量级别如表3所示。

表3 土壤生态需水量等级划分方法

采用防渗处理后，通过防渗体渗入地层的渗漏量应满足土体的年土壤需水量要求。按照经验值估算，新型生态防渗技术通过调整帷幕厚度和灌浆孔排距可使地层渗漏量满足地层生态环保需水量法的较小—优等类别。土工膜-混凝土衬砌等防渗体形成后由于其渗透系数小、防渗标准过高，地层的渗漏量很小，渗漏量难以满足最小的地层生态环保需水量。

5 结 论

结合某人工湖的防渗设计实例，在分析传统防渗措施的生态影响基础上，提出了以微生物灌浆为主的新型生态防渗体系，以达到防渗与生态之间的平衡，使得人工湖呈现水清岸绿的自然生态之美，可为类似工程的防渗设计提供参考。

(1) 防渗体系上方的湖底和下方地层是防渗体系建成后生态环境受影响最大的区域，要求一定的均匀渗水量来维持生态环境中的水动力循环和生态循环。采用以微生物灌浆为主的新型生态防渗体系满足地层的渗透稳定性要求，渗漏量相比于防渗前减少了98%，同时满足该人工湖泊各区域的生态需水量。

(2) 与以土工膜、混凝土衬砌和膨润土毯为主的综合防渗体系方案相比，新型生态防渗体系在防渗效果满足工程要求的条件下，具有对生态环境更有利、外来污染更少、耐久性更可靠和维护方便等优点。

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