利用疏浚底泥制备生态护岸材料在河道原位生态治理中的应用

田 旭，何贵堂，王 铁，孙即梁，李默挺，董家晏，季福志

(1. 堡森〈上海〉环境工程有限公司，上海 200441；2.上海市政工程设计研究总院〈集团〉有限公司，上海 200990； 3.上海理工大学环境与建筑学院，上海 200992)

生态护岸，兼有动植物栖息生长和工程结构稳定的优点，能为各种水生生物提供生存和繁衍的空间，同时,对提高生物多样性、治理水土流失、稳定河岸、增强河流自净能力以及改善河流水环境等具有显著的边缘效应[1]。生态型河道概念在国外发展时间较早，英国采用了“近自然河道”设计技术，例如，在最繁忙的兰戈伦运河航道上，采用生态效益较好的椰子纤维卷生态护岸技术[2]。荷兰强调河流生态修复与防洪的结合，提出了“给河流以空间”的理念，试图从河流管理的角度出发，实现“与自然同在”的想法[3]。1989年美国提出了“生态工程学”(ecological engineering)的概念，并从20世纪90年代以来，将河道生态修复作为水资源开发的必须考察项目，且取得了很大的成果[4]。20世纪90年代日本开展了“创造多自然型河川计划”，采取了放任自流的方式来恢复河流景观：堤坝改用天然的石块铺筑，提供了动植物生存的环境，使河流恢复了自然生态的景观[5]。

当前土壤生物工程护岸技术已经成为欧美国家主要的护岸形式，已经成功应用到许多河流保护工程中[6]。近年来, 国内对中小河道综合整治中的生态护岸技术研究有很大进展，肖红霞[7]对已有的河道缓冲带生态护岸模式进行了研究，并在功能和用材上进行了归纳和总结。王贞[8]总结了适宜乡土植物介入的城市河流生态护岸的范围以及生态景观设计的策略，首次提出了以乡土低矮植物介入城市河流护岸的方法来营建安全健康、环境友好、美观亲民的生态水利工程景观的理念。

崇明中小河道众多，水流侵蚀岸坡较普遍，底泥含沙量高，因此，传统中小河道整治多采取河道疏浚清淤、水陆交接处打混凝土板桩、密排木桩等刚性材料作护岸，这类硬质护岸的优点是抗水流冲刷、边坡稳定性好、能发挥河道疏洪排涝的作用。但由于硬质护岸在涵养水源、净化水质、营造动植物栖息环境等功能方面缺失，对生态环境产生较大负面影响，导致护岸生态功能缺失。同时，疏浚清淤产生巨量淤泥，运输处理成本高、堆放占用有效土地资源，且易对堆场周围土壤、空气环境等产生二次污染[1]。崇明目前在建“世界级生态岛”，本文使用ISER技术将疏浚底泥原位制作生态护岸、护坡，进行河道基础重建和生态恢复，达到疏浚底泥“取之于河，用之于河”的生态目标，具有显著的环境效益和经济效益。

1 疏浚底泥生态护岸参数设计和性能测试

1.1 疏浚底泥的理化性质

试验所用底泥采集自向化镇某河道，一般取河底表层0～30 cm的沉积物。对采集回来的底泥进行自然风干，测试底泥粒径，大部分集中在5～75 μm，属于粉质黏土。其主要理化性质和重金属含量如表1～表3所示。

表1 疏浚底泥基本理化性质Tab.1 Basic Physical and Chemical Properties of Dredged Sediments

表2 试验疏浚底泥化学成分Tab.2 Chemical Composition of Tested Sediments

表3 试验疏浚底泥中主要重金属含量(单位：mg/kg)Tab.3 Content of Main Heavy Metals in Tested Sediments(Unit: mg/kg)

1.2 疏浚底泥生态护岸配合比设计

原位利用疏浚底泥制备生态护岸材料配合比设计如表4、表5所示。

表4 疏浚底泥制备生态护岸目标参数设计Tab.4 Designed Target Parameters of Ecological Revetment after Solidified Sediments

表5 疏浚底泥制备生态护岸配合比设计Tab.5 Mix Proportion Design of Ecological Revetment after Solidified Sediments

1.3 疏浚底泥生态护岸主要性能指标测试

1.3.1 固化泥抗剪强度分析

疏浚底泥固结以后用于河道护岸结构体，应具有一定的抗剪切能力，即抗滑移性。抗剪切强度是指在外力作用下，一部分土体对另一部分土体产生相对滑动时具有的抵抗剪切破坏的极限强度。由土颗粒之间的内摩擦角φ及胶结物和束缚水膜的分子所产生的凝聚力c这2个参数作为土的抗剪强度指标。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)，利用三轴压缩固结不排水试验方法对所制得底泥材料的内摩擦角和凝聚力进行测量，不同龄期的c、φ值如表6所示。

表6 疏浚底泥不同龄期的c、φ值Tab.6 Value c and φ of Solidified Sediments in Different Curing Time

材料的抗剪切力是坡岸抗侵蚀和稳定性的重要指标[3]。一般认为，表层和浅层的土壤剪切力值越高，坡岸表面滑坡的可能性越小，稳定性越高[4]。由表6中疏浚底泥不同龄期的c、φ值可知，疏浚底泥经固结后抗剪切性能改善显著，并随疏浚底泥固结体龄期的增加而增大；随着后期植被生长，植被根系进入固结体后，在植被根系协同作用下，生态护岸的抗剪切强度进一步增强，岸坡的抗滑移性和稳定性得到显著改善。

1.3.2 固化泥无侧限抗压强度分析

将疏浚底泥和固结剂、添加剂按表2～表5配比混合搅拌，使用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm试模制备疏浚底泥生态护岸结构体试块，养护至规定龄期后将其放置于电脑全自动水泥抗折抗压试验机上，以0.03～0.15 kN/s的速度均匀连续地对试件加压至试件破坏，记录破坏荷载P。利用式(1)计算出试件的无侧限抗压强度。

f=P/A

(1)

其中：f——无侧限抗压强度，MPa；

P——破坏时最大力，N；

A——试件的承压面积，mm2。

材料抗压强度是坡岸稳定性的重要指标。一般认为，土壤的固结强度值越高，坡岸下沉垮塌的可能性越小，稳定性越高。由表7中疏浚底泥不同龄期的固结强度值可知，当疏浚底泥外掺固结剂为7%、秸秆粉为2%、树脂粉为1%时，其固结强度随龄期的增加逐渐升高；且固结体的28 d抗压强度为0.92 MPa，符合表7设计要求。

表7 疏浚底泥不同龄期无侧向抗压强度值Tab.7 Unconfined Compressive Strength of Solidified Sediments in Different Curing Time

1.3.3 固化泥干密度和孔隙率

疏浚底泥生态护岸结构体的干密度与其孔隙率关系密切，通过测量利用疏浚底泥固结制备出的生态护岸结构体的孔隙率和干密度，分析对比孔隙率干密度之间的关联性能。

由表8可知，疏浚底泥固结体干密度为1.2 g/cm3、孔隙率为31%，符合表2～表4设计要求；高孔隙率能有效增加疏浚底泥固结体的比表面积，为河道微生物群落繁殖提供良好的载体，并为水陆能量和物质交换提供良好通道。

表8 疏浚底泥制备生态护岸结构体干密度和孔隙率值Tab.8 Dry Density and Porosity Value of Solidified Sediments Used in Ecological Revetment

1.3.4 固化泥的重金属浸出安全性

对制备出的疏浚底泥生态护岸结构体进行重金属浸出试验，测量其浸出液是否满足国家的相关标准，探究其环境安全性。根据《固体废物浸出毒性浸出方法-醋酸缓冲溶液法》(HJ/T 300—2007)进行测定，浸出液使用Optima 8000 ICP—OES(PerkinElmer公司)测定分析重金属含量。疏浚底泥固结体重金属浸出浓度与国家相关标准试验结果如表2～表9所示。

对疏浚底泥固化体进行重金属浸出试验，由表9可知，各重金属浸出浓度均远小于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)和《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》(GB 5085.3—2007)中各重金属浓度指标，说明疏浚底泥固结制备的生态护岸不会使重金属污染物再次浸出而造成二次污染，固结剂对疏浚底泥的处理具有良好的固化、稳定化作用。

表9 重金属浸出浓度 (单位：mg/L)Tab.9 Leaching Concentration of Heavy Metals of Solidified Sediments (Unit: mg/L)

2 原位利用疏浚底泥制备生态护岸应用案例

2.1 工程概况

向化镇位于崇明岛东部，东与中兴镇接壤，西与堡镇、港沿镇相邻，南北两端皆临长江，境内地势平坦、物产丰富、空气新鲜、环境洁净。向化镇区位优势明显，东近上海长江隧桥(10 km)，北接崇启高速公路，镇政府所在地是全县规划中6个重点建设的集镇之一。向化镇水系发达， 纵横各村内,建设村村域内部有六滧河、南横引河2条主干河道，组成建设村的水网系统。镇内有多条南北向河沟，河塘散布各村域内，用于灌溉耕地，大多河沟较为杂乱无序。此项目主要是对向化镇镇示范河道进行生态治理，包括河道疏拓、护岸建设、沿河绿化种植以及其他设施配套等工程内容，发挥河道调蓄、防洪除涝和水资源调度的功能，防止岸坡坍塌、减小水土流失、解决河道淤积等问题，修复河道水生态系统、改善水质、改善区域生态环境，达到安全、资源、环境、景观、休闲等综合功能，完善河道功能。作为向化镇美丽乡村综合改造中河道生态综合整治示范工程，采用自主发明的一种基于疏浚底泥原位固化制备生态护岸进行河道生态修复(申请专利号: 2018105885353)。该生态护岸长度约为1.6 km，结构包括底部基础、生态隔梗、种植护坡区域，各个部分沿着河流到河岸的水平方向依次布置。工程项目设计及施工断面如图1所示。

图1 ISER型生态护岸设计标准断面图Fig.1 Standard Design Cross-Sectional View of ISER Ecological Revetment

2.2 原位利用疏浚底泥制备生态护岸工艺路线

原位利用疏浚底泥制备生态护岸工艺路线如图2所示。

图2 原位利用疏浚底泥制备生态护岸工艺路线图Fig.2 Technology Roadmap of Ecological Revetment Construction by Use of In-Situ Solidified Sediment

疏浚底泥固结完成后的生态护岸工程主要有两方面的生态功能：一是保持河岸的结构稳定性，稳固河岸以确保河岸物理生境的完整性; 二是提高河岸的生态稳定性，区域植被覆盖度、区域水土流失情况明显改善，使整个河流生态系统健康发展。

3 工程项目效益观测

2018年4月向化镇部分生态河道建设工程完成后，为了评估生态护岸、护坡技术的生态效果，对施工前和1年后的河岸区域植被覆盖度、区域水土流失情况进行了定性观测；在工程竣工后的1年内对所运用的生态护岸、护坡进行了连续的生态监测和水质监测。

3.1 工程项目施工前后效果对比

通过工程措施对河道疏通整治、岸坡修复、植被恢复。施工前和1年后河道实况对比如图3所示。

图3 原位利用疏浚底泥制备生态护岸施工前后对比图Fig.3 Comparison Chart before and after Ecological Revetment Construction

通过对施工前和1年后的河岸区域植被覆盖度、区域水土流失情况进行定性观测，河道边坡整体水土保持能力显著提升，不会因为水位区变动及水流冲刷而发生垮塌滑移现象；对护坡进行绿色植被栽植以及对护岸种植挺水植物，来增加沿河植被多样性，使其景观性恢复良好；河道沿岸因居民的违章搭建而导致的脏乱差现象得到了集中整治，河道的水生态环境逐渐恢复，河水水质也在逐渐提升。

3.2 水质指标情况监测及分析

一年中对所运用的生态护岸、护坡进行了4次水质监测。经监测分析，施工前后，河水中溶解氧、水体透明度有显著提高，其中溶解氧含量上升约50%，透明度上升约75%，这是水体理化性质和生物学过程的综合反映，表明水体的自净能力显著改善。检测数据如表10所示。

表10 原位利用河道疏浚底泥制备生态护岸后水质监测Tab.10 Water Quality Monitoring after ISER Technology

在前3次监测中，水体pH、化学需氧量、氨氮、总氮、总磷均有显著降低，其中水体中总氮、总磷含量下降约12%，氨氮含量下降约20%，整体呈现碱性的河水pH下降约10.8%，表明通过对底泥的疏浚、岸坡的修复、植被的恢复、生态护岸及河道生态系统的构建，为生物多样性创造条件，河道水质有明显改善，提升了生态效果。而第4次水质监测部分指标有所上升，和农业面源污染及农村生活污水排放有很大相关性，需配合截污纳管等措施进一步治理。

对现场水质进行重金属检测，发现各项重金属含量均满足《城市污水再生利用 绿地灌溉水质》(GB/T 25499—2010)相关要求，水体中重金属、氰化物、氟化物含量也均符合《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅴ类以上水质标准。由此可见，原位生态护坡对底泥所使用的固化稳定技术可使水质达到保护生态的预期效果。

4 结论

疏浚底泥原位利用疏浚底泥制备生态护岸并应用于水利工程建设，设计使用寿命10～12年，植生率≥90%。经上海市地方标准限定，底泥制备护岸结构体28 d无侧限抗压强度最高可达2.5 MPa，单方底泥处理定额为850元/m3，远低于木桩1 200元/m和混凝土板桩1 800元/m的定额。实现疏浚底泥的无害化、资源化利用，不仅能够净化水质，维护生态环境平衡，为动植物提供良好的栖息环境，且有效地解决了疏浚底泥处理、运输、堆放产生的高额成本和环境污染问题。同时，也解决了传统的水泥混凝土板桩、木桩等刚性硬质护岸对水生态系统与陆地生态系统的隔离而导致涵养水源、净化水质等功能的缺失问题。因此，使用ISER技术将疏浚底泥原位制作生态护岸具有良好的社会效益、环境效益，应用前景广阔。