市政工程截流式排水系统的实践运用

王益通WANG Yi-tong；汪向明WANG Xiang-ming

（①中交一航局生态工程有限公司，深圳 518000；②首创经中（天津）投资有限公司基础设施投资分公司，天津 300000）

0 引言

市政工程中有几个工程专业在施工中非常常见，主要是基础工程、水工结构、深层排水开挖、土地复垦或填埋场控制系统。垂直护栏的施工主要是基于防渗墙单相或两相技术，使用膨润土和水泥混合物作为填充材料。本文考虑了两个案例研究，其中垂直膨润土屏障用于防止城市垃圾填埋场对土壤水环境造成进一步污染。现场补救工程包括额外的解决方案，如渗滤液收集排水、沟渠修复，以及填埋场的主体工程和填埋场边坡的生物工程。以两个修复后的垃圾填埋场为例，证明了适当的地基条件调查和全面的土方工程设计是有效改善土壤水环境质量的关键。介绍和分析了截流式排水系统的结构和工作条件。根据测压记录、实验室试验和现场调查，研究了拟建工程方法对环境条件的影响，提供了污染水平和污染物迁移方向的信息。根据地下水监测结果，绘制了几幅地下水位变化图。监测数据显示，自现场安装土壤和地下水保护系统仅几年后，几乎每个测压计的水质都有所改善。该系统的有效性结果通过对地下水样本的长期监测得到证实，其中有机物、硝酸盐和重金属浓度等指标随时间显著降低。它展示了土木工程和环境工程结合的截流式排水系统如何在市政过程中发挥重要作用。

1 截流式排水系统

截流式排水系统，是指原始的简单排水系统常使水体受到严重的污染，因而设置截流管渠，把各小系统排放口处的污水汇集到污水厂进行处理，形成的排水系统。在区干管与截流管渠相交处的窖井称溢流井，上游来水量大于截流管的排水量时，在井中溢入排放管，流向水体。这样，晴天时污水（常称旱流污水）全部得到处理。截流管的排水量大于早流污水量，差额与早流污水量之比称截留倍数（或截流倍数）其值将影响水体的污染程度。设计采用的值理论上取决于水体的自净能力，实践上常受制于经济条件。

截流式排水系统不影响分流改造，且相比全面的分流改造具有工期短、见效快、适用性强等特点，多数城市进行截流系统建设后城市内河水质得到显著改善。并且截流式排水系统不容易出现污水处理厂进水污染物浓度下降、雨天污水溢流污染河道等问题。2019 年印发的《城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019-2021 年）》提出，要全面提升城市生活污水收集处理能力和水平，城市污水厂进水BOD，低于100mg/L 的，要围绕服务片区管网制定“一厂一策”系统化整治方案，明确整治目标和措施。污水处理厂进水污染物浓度下降、雨天污水溢流污染河道，会严重影响污水处理厂的处理效能和污水收集水平。因此，针对现有排水系统容易衍生的问题需要进一步地对排水系统进行改造和优化。以垃圾填埋场为例，阐述了现有排水系统面临的问题，介绍了系统性的完善措施和建议，为截流式排水系统在市政工程中的实际运用工作提供参考。

2 材料和方法

如今的垃圾填埋场主要的处理方式之一是隔离墙，用于创建污染场地的控制系统。如今，垂直护栏的建造通常采用基于深基础和地面加固技术的技术。蜂窝截止线的基本思想是通过在一定纵向距离处使用带有连接十字墙的屏幕进行隔离。它保护周围环境不受污染物迁移的影响，并显著降低土壤和地下水的污染水平。

适当施工技术的选择过程取决于地面的地质结构、所用材料的耐久性和耐化学性，还必须考虑现场重型机械入口的能力和经济因素。污染物的迁移取决于地质条件，这可能有利于水及其携带的物质的运输（渗透层厚度大，水力梯度高），也可能完全停止运输，使其远离填埋场（不渗透层，低梯度）。

通过改变从附近区域到渗滤液排水系统的流向，可以确保对污染迁移的额外保护。它还将保护防渗墙填充材料免受渗滤液造成的降解。在修复设计框架中，通常会在填埋场周围修建周边排水沟。此外，在护道底部，还可以安装排截流式排水系统，将渗滤液输送至周边排水系统。这类系统成功地安装在两个城市垃圾填埋场，其污染水平大大超过了国家标准。

2.1 研究地点说明

本研究对两个案例进行了调查和分析。这两个都是位于我国中部的旧城市垃圾填埋场。第一个垃圾填埋场，1962 年初至1991 年，它被用作处理华北城市垃圾的地方。自1992 年以来，只有来自堆肥厂的垃圾被存放在填埋场，自2012 年以来，只有来自机械和生物处理装置的垃圾被存放在那里。实际上，它覆盖了约16 公顷的区域，海拔约60 米。必须强调的是，最初填埋场没有引入环境污染保护系统。自1994 年以来，已在填土上修建了与稳定性加固方案、边坡工程和种植、粘土矿物覆盖、排水系统安装、再循环系统和膨润土防渗墙有关的补救工程。从环境保护的角度来看，填埋场的位置至关重要。它周围环绕着国家公园和住宅开发等宝贵的绿地。

第二个案例研究涉及卢布纳垃圾填埋场。与第一个垃圾填埋场一样，该填埋场也是一个路堤式结构，占地16.2公顷，高度超过地面60m。

1978 年，城市生活垃圾填埋场最初是用于一个区域储存城市垃圾，该地区域并没有对储存其他垃圾进行准备。在最初的30 年里，该市所有的城市垃圾都被填埋处理。然而，1992 年后，只有商业压舱物和技术废物被储存在那里。自1996 年以来，在填埋场内进行了保护和修复工程。根据建设项目实施了改造工程。根据对填埋场内物理和化学过程的观察，同时对其进行了验证和更新。

由于两个垃圾填埋场都产生了严重污染，必须立即采取行动防止污染扩散。为此，解决方案主要包括：填埋体边界上的膨润土防渗墙施工、截流式排水系统、脱气系统、沟渠修复、填埋体工程和填埋边坡生物工程。图1 显示了两个垃圾填埋场截流式排水系统的工程细节。

图1 截流式排水系统

2.2 研究中使用的现场污染评估方法

为了评估填埋场底土的环境条件，进行了两组测试：现场调查和实验室测试。第一组测试包括钻孔、压力计安装和岩土工程测试。主要是针对水文地质土壤剖面的调查。此外，还进行了地球物理测试，以调查潜在污染区。整套测试允许在地质剖面上识别污染土壤区域。

从实际角度来看，污染现场调查通常基于地质和岩土技术。这些方法允许对土壤和水进行取样，以进行分析测试，并允许直接测量研究现场的污染水平。然而，这种方法会使取样产生偏差，因为材料通常是从特定的钻孔或测压管中就地采集的。对于填埋场底土中受污染土层的空间评估，应采用直接法，并通过使用地球物理调查（如电阻率法或其他类似技术）进行扩展。此外，该方法允许：①获取垃圾填埋场底土的岩性，②确定地下水位深度，③确定污染区分布和污染物迁移方向，以及④评估垃圾填埋场上处置的垃圾厚度。电阻率法在过去50 年中是用途最大的方式。

实际上，土壤的电阻率是使用四电极结构测量的。在这种方法中，使用两个电极（A 和B）向土壤提供电流，产生电场，而M 和N 电极测量其电位。土壤的电阻率可以根据电场电位和电流之间的已知差异以及电极之间的距离来确定。这些测试是在工程完成后进行的。

2.3 研究中使用的实验室污染评估方法

为了对地下水和地表水进行质量评估，自90 年代初以来，这两个垃圾填埋场一直保持着一套监测系统。从安装在两个填埋场的测压管网络中连续采集地下水样本。通过当地观测，可以记录在填海工程期间以及之后的地下水质量变化。监测系统还用于评估所有侧重于污染场地修复的工程活动的效率和质量。由于一些测压计自1993 年至今一直提供记录，导致在垂直屏障施工过程中受损，其中一些必须更换为现场安装的新仪器。最终的监测系统由12 个以上的压力计组成。

使用浸入式泵从地表以下0.25-0.75m 深处的测压管中采集地下水样本。地下水监测网络由若干压力计组成，这些压力计的位置取决于地下水流向。监测区域覆盖填埋场底土的充排水，以及这两个区域之间最近的附近区域。

针对15 个选定的污染指标，对地表和地下水样本进行了质量测试。它们是：PTE（铜、锌、铅、镉、铬、汞）、电解电导率、总有机碳（TOC）、多环芳烃（PAH）、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氯化物和硫酸盐。样品的物理化学分析与测压计和水井中的地下水位变化以及淹没时通过调查沟渠的水流的测量同时进行。

为了避免在样品的物理和化学分析过程中出现任何误读，我们非常小心地收集了所有样品，以消除潜在的误差。如果由于采样和样品运输方法不当，将会导致30%的读数存在偏差。截至2004 年，采用的抽样程序是国家标准中建议的程序。从那时起，程序已根据ISO 56673 和ISO 5667-11 进行了更改。

取样前，仔细地将每个测压管中的顶部水抽出。泵送时间的计算基于每个压力计中的水量和泵的效率。为了确保取样的适当性，每次泵送时都会同时测量pH 值、温度和电导率。样本被收集到烟雾玻璃瓶中，然后被运送到认证实验室。根据从监测网络获得的数据，在建造垂直路障之前和之后，可以比较地下水污染浓度方面的水质。填埋场内的地下水质量评估基于收集样本中测量的浓度与国家标准要求的水平的比较。

3 结果和讨论

在两个填埋场安装的测压管网络能够对填埋场附近的水质进行适当的控制和估计。地下水的化学分析从1997 年开始进行。水质结果分析表明（图2），垂直屏障和截流式排水系统的引入对第一层地下水的基本参数产生了积极的影响。对于选定的测压计，用于评估水质的最重要参数读数。

图2 雨后水质变化情况

根据项目开展的技术工程，包括垂直膨润土屏障和截流式排水系统，以从填埋场分离乙酰乙酸，有助于显著改善填埋场附近的地下水质量。图3 显示了改造工程的影响，尤其是改造工程前后截流式排水系统对含水层中地下水质量的影响。很明显，每个指标的浓度都显著下降。在这两种情况下，对于垃圾填埋场而言，在截流式排水系统施工前后，对从测压管采集的地下水样本进行化学分析的结果都进行了质量改进。

图3 污水处理厂2010 年-2018 年的进水水质、水量变化情况

为了展示污染物如何扩散以及运输路径随时间的变化，创建了空间分布图（针对选定的污染物）。图3 显示了污水处理厂2010 年-2018 年的进水水质、水量变化情况。

结果基于90 年代安装的测压计的“现场”测量结果。通过比较监测得到的氯化物分布图，可以观察到浮油运动、污染区限制和氯化物浓度最大值降低的类比。污染会显著影响流出方向的水质。在截流式排水系统运行5 年后，最大浓度从7A 号测压计的区域移动到11A 号测压计的区域。在7A 号测压计中，靠近完成垂直屏障的区域，观察到污染物显著减少。污染浓度降低最显著的是：电导率、BOD5、CODcr、氨氮和氯化物。

从2017 年开始，减少氨氮污染是非常明显的。铵态氮的时间分布图清楚地显示，在安装截流式排水系统之前，所有仪器的读数给出的污染范围为3 至589mgNHa*/L。例外情况是位于进水区的30 号和31 号测压计。这基本上证实了填埋场的危险环境影响。截流式排水系统施工15 年后，仅在位于填埋场西侧地下水排放区的测压计（1A、2A、3、4 号测压计）中记录到氨氮浓度升高。然而，该位置的初始读数给出了最高的污染水平。填埋场附近氨氮的减少速度缓慢，但在时间上持续进行。NH 浓度：在过去10 年中，压力计下降了10 倍之多。

4 结束语

保护地下水不受垃圾填埋场渗滤液的影响，主要通过防渗墙和截流式排水系统组成的控制系统实现。在控制系统实施后，这两种情况下的地下水质量都有了显著改善。此外，观察到地下水中的污染浓度显著降低。同时，垂直屏障关闭后，主要污染浓度向地下水流方向移动。此外，来自第二层的截流式排水系统有效地隔离了来自表面的影响，从而避免了来自填埋区的影响。本文介绍了截流式排水系统施工现场效果的评价，提出了一套基于适当进行的实验室试验和现场调查的特定活动，可显著改善受污染现场的环境条件。在当地水质监测的框架内，观察了截流式排水系统对填埋场周围地下水流动的影响。为了最终评估垂直屏障和排水效率，需要进行长期监测观察。本文中给出的监测数据结果清楚地表明了这种应用的有效性及其在保护土壤-水环境免受污染物迁移方面的关键作用，实现了截流式排水系统在市政工程中的实践应用。