魏河下游段河道沉积物疏浚处置技术研究

张志青

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450000）

0 引言

河道沉积物疏浚是将河流底部的沉积物进行清理疏通，将淤泥从河底运走，进而恢复河流的过水断面，保证水流通畅[1]。同时，河道疏浚施工产生的沉积物要妥善处理，不能造成二次污染。随着国家对环境要求逐步提高，河道沉积物疏浚处置项目越来越多[2]。该文主要研究魏河下游段的沉积物疏浚和处理技术，对同类型的河道治理具有参考意义。

1 沉积物分布

魏河是贾鲁河的重要支流，具有典型的季节性河流特征，在秋冬季非汛期，河道的流量较小；而在夏季主汛期，河道流量较大。魏河在京港澳高速以上河段已按标准进行过生态治理，所以，下游段的污染情况并不严重，河道底部的沉积物主要是无毒沉积物。

通常，河道的底泥主要由颗粒物组成。颗粒物主要由粉砂和黏粒构成，受污染程度较大的底泥中，颗粒直径较小。此外，河道底泥还有很多有机质和无机质。有机质一般为腐殖质和有机氮、有机磷，例如蛋白质、氨基酸等。无机质则是一些氧化物，如二氧化硅、三氧化二铝等。

1.1 魏河下游段河道底泥的分层

河道底泥分为三层，最上一层为浮泥层，该层为黑色絮状物，含水率非常高，以粉砂为主，粒径很小，厚度为3cm左右，浮泥层污染物含量非常高。中间一层为近代沉积层，呈黑色，结构疏松，主要是植物和动物的残骸及有机垃圾，近代沉积层厚度0.5m～1m，该层的主要污染物是重金属离子。最底下一层为原始沉积层，呈黄色，结构紧密，而且质地坚硬，含水率很低，污染物较少，主要是渗透性重金属污染物。该层厚度可达3m以上。

河道的沉积物清淤疏浚施工，主要针对浮泥层和近代沉积层，污染物集中在这两层中。

1.2 河道底泥的污染物

河道底泥中的污染物主要分为三类。一类是有机污染物，而且以有毒难降解有机物为主。有机污染物周边的水体，碳氮比大于10，污染源自于河岸上的污水排泄，然后沉降吸附在土质颗粒上，在河道底泥中沉积。选取本次施工的河段，在典型的WH6+335、WH6+500、WH7+121、WH7+370、WH8+200五个桩位，采集水样进行了测试，得到的有机污染物含量见表1。

表1 魏河下游段的有机污染物含量/%

由表1中数据可知，魏河下游段的有机污染物分布规律，醇类、酯类污染物的含量较高，其中酯类污染物平均值达到了33.1%。苯类污染物和酮类污染物的含量较少，有毒性的苯系列污染物含量仅为2.1%，所以，魏河下游需要施工的河段，河道底泥基本没有毒性。

第二类污染物是营养盐，主要成分是氮磷元素，氮磷元素富集会造成水体富营养化，河道内的藻类大量繁殖，而藻类生长会消耗大量氧气，导致其他生物无法生存。

第三类污染物是重金属离子，降解难度非常大，而且重金属污染会通过食物链进入人体，损害人类健康。经调查取证，魏河下游段的重金属主要有锌、镉、锰、铜、镍等。

2 沉积物疏浚处置技术

本次治理的魏河属于典型的季节性河流，非汛期流量小，汛期流量大。根据这一特点，治理段河道施工必须选在非汛期进行，并且必须进行导流施工，临时建设纵向和横向的挡水围堰，将施工段河流分成左右2个部分，选择一侧施工，另一侧导流。本侧施工完毕后，再换另一侧施工。根据工程情况，制定魏河下游段河道沉积物疏浚处置施工流程如图1所示。

图1 魏河下游段河道沉积物疏浚处置施工流程

2.1 沉积物清淤技术

施工过程中，先在河道一侧开挖导流沟，将河道现有的基流引至导流沟内，然后在另一侧施工，待施工完成后，在另一侧交换施工。

2.1.1 水利清淤

河道的上层底泥主要是浮泥层，含水率非常高，无法直接采取机械方式清淤。针对浮泥层的施工，采用水力清淤的方式，利用高压水泵和水枪，冲刷浮泥层淤泥，将淤泥冲刷至下游处预先挖掘的泥浆池，用泥浆泵将汇集的泥浆抽吸至岸边的沉积物减容池，等待进一步处理。

2.1.2 机械清淤

对水力冲刷无法彻底冲刷的河道底泥，采用长臂自航式挖掘机进行挖掘。在开挖过程中，河道内有流塑状淤泥出现，可配备水陆两栖挖掘机1台～2台，自河道上游向下清淤。挖掘机组合成阶梯队列，长臂挖掘机在最前部的工作面清淤开挖。

施工过程中，对上述典型的WH6+335、WH6+500、WH7+121、WH7+370、WH8+200五个桩位，采集河道沉积物进行了含水率检测，得到的检测结果见表2，并绘制了折线图如图2所示。

图2 魏河河道沉积物含水率曲线

表2 魏河河道沉积物含水率检测/%

由检测数据看出，水力清淤处理的泥浆含水率基本在97%以上，平均值为98%；机械清淤处理的沉积物含水率为86%～88%，平均值为87.5%。水力清淤所得沉积物，含水率非常高，机械清淤得到的沉积物，含水率稍低，均需要进行风干减容处理。

2.2 沉积物减容技术

魏河河道的沉积物疏浚处理工程采用带式脱水机减容技术。带式脱水机采用带式浓缩机和带式压滤机组合，可以实现连续脱水，最后得到含水率较低的泥饼[3]。在脱水减容过程中，要在清淤处理后的沉积物中加入絮凝剂，提高脱水速度。絮凝剂与沉积物混合后，形成絮凝团，絮凝团进入带式污泥脱水机重力脱水区，在布料机构的作用下，絮凝团沉积物随着滤带向前运动，在重力作用下脱去沉积物的空隙水[4]。然后沉积物进入带式污泥脱水机的楔形脱水区。在楔形脱水区，沉积物被两条滤带形成的楔压力挤压，进一步脱水。最后进入低压区、高压区，通过压榨进行脱水。经过重力脱水、楔压脱水、低压脱水、中压脱水和高压脱水，沉积物的含水率逐步降低。

脱水前测定污泥的初始含水率，脱水过程中每隔1h对滤液测试一次，共4次。测试数据见表3，绘制折线图如图3所示。

表3 带式脱水机过程测试数据

由图3和表3可知，水力清淤和机械清淤的沉积物经过3 h的脱水减容后，含水率降为72%，脱水减容效果显著。随着脱水时间再增加，脱水效果也不再明显，基本保持在70%以上，很难再进一步降低。而且，水力清淤方式的沉积物，在开始脱水的前1h内，含水率降低非常明显，在脱水的2h～3h阶段，含水率甚至低于机械清淤的沉积物含水率，说明水力清淤的上层河道底泥为浮泥层，含水率高，颗粒直径小。

图3 带式脱水机过程曲线

2.3 沉积物处置技术

2.3.1 填埋

经过处理后的河道沉积物，直接填埋在河道两侧的堤岸，采用卫生填埋的方式，底部有衬垫系统，顶部不进行封闭，利用植物修复技术，清除河道沉积物中的重金属污染物。顶部不能种植高大树木，只能种植草本植物，因为树木根系发达，能深入地下3m甚至更深位置，容易破坏填埋场的结构[5]。填埋场两侧可栽植白杨，起到防风护坡作用。魏河下游段的卫生填埋场的结构如图4所示。

图4 魏河下游段的卫生填埋场的结构

2.3.2 植物修复技术

植物修复技术利用植物自身净化作用，吸收其生长环境中的污染物，将吸收的污染物进行转移、储存和富集。植物修复技术被广泛应用于去除重金属和有机污染物（如芳香烃、苯和农药），成本低、效率高、环境友好。通常，植物修复技术包括植物萃取技术、根际过滤技术和植物稳定化技术。植物修复的基本原理是通过植物的根系吸收作用， 提取分散在土质中的污染物，转移到植物地上茎叶部位，最后收获植物进行后处理，从而完成污染物治理。植物修复技术的原理如图5所示。

图5 植物修复技术的原理

2.3.2.1 植物萃取技术

植物萃取利用植物根系对重金属进行吸收、转移，集中贮存在植物的地上茎叶部位，然后收集植物地上部分，进行特殊处理，从而达到治理土壤重金属污染的目的。

重金属污染修复植物，一般具有针对性，只对特定的一种或少数几种金属元素具有富集累积作用，常见的修复植物与对应的重金属见表4。

表4 植物修复与对应的重金属关系

因为魏河下游段的重金属污染物主要是锌、镉、锰、铜、镍，经过处理的河道底泥的这些重金属污染物需要用对应的植物修复。适合种植白铜钱、香根草、白苏、龙葵、印度芥菜、商路、九节木、李氏禾，可根据园林绿化部门的规划，统筹安排。

2.3.2.2 根际过滤技术

根际过滤技术利用积累植物或者耐重金属植物从土质中吸收、沉淀和富集重金属。吸收的金属元素主要保留在根中。植物根际过滤与植物萃取的原理相似。植物根际过滤的优点是可利用植物对污染物进行原位修复，并且污染物也不必转移。

2.3.2.3 植物稳定化技术

植物稳定化技术可以抑制土壤中重金属污染物的活性，防止污染物进一步扩散。在这项技术中，耐受重金属的植物将土壤中高浓度污染物覆盖，同时限制了土壤侵蚀和污染物向地下水中淋溶。根系表面的吸附、积累作用以及根际的沉淀作用可以有效降低金属元素的渗透流动。

3 结语

河道沉积物疏浚对治理水环境、保证水流通畅具有重要作用。该文以魏河下游段的沉积物疏浚处置工程为研究对象，分析了该河段的沉积物分布情况，对实际疏浚施工中使用的水力清淤技术、机械清淤技术、带式脱水机减容技术和沉积物处置方法进行了论述，该系列施工技术对魏河下游段的河道治理发挥了良好的成效。该文研究的河道沉积物疏浚处置技术对同类型的河道治理具有参考意义。