南漪湖生态清淤试验工程方案研究

2024-02-01诸青，黄伟

海河水利 2024年1期

诸青，黄伟

（长江河湖建设有限公司，湖北武汉 430010）

实施生态清淤是落实河湖水污染治理工作方案的重要举措。通过实施静水湖泊生态清淤试验工程，清除试验区湖泊表层底泥，削减内源污染，提升水体自净能力，从而为生态系统的恢复创造条件[1]。通过深层疏浚湖泊扩容，增加湖区库容，增强湖泊水环境容量，为今后若干年的流域泥沙淤积影响留下余地，同时提升湖区防洪保障功能。在试验工程实施过程中，通过实时监测、数值模拟、专家咨询等技术手段，不断分析清淤工程对湖泊防洪、生态环境、灌溉、航运等方面的影响，根据评价结论动态调整实施方案，为湖泊后续推进生态清淤积累经验[2]。同时，试验工程结束后对试验区域水质进行检测，通过不同期次的水质检测成果的比对，评价试验段湖区水质提升效果。之后，对项目进行后评价，包括工程效益评价、环境影响评价、国民经济评价等，总结经验并为后续工程实施提供定量化的科学依据。

1 背景

南漪湖位于安徽省宣城市境内，属水阳江水系，系新构造断陷洼地经泥沙长期封淤、积水而成的滞积湖，是水阳江中游最大的调蓄洪区。由于逐年淤积，枯水位条件下，南漪湖现状局部水深已不足1.0 m，水环境容量非常有限；在风浪作用下，底泥易起悬浮，对水质影响较大。受人类活动和流域经济社会快速发展的影响，流域内N、P等污染物大幅增加，地表径流携带污染物进入湖体，经长期积累，湖泊底泥受到污染[3]。同时，由于湖泊淤浅，风浪掀沙，湖水透明度下降，有研究表明，当湖区透明度降为0.3～0.5 m 时，水下相对光线强度（水下光强与水面上光强之比）大于5%的水层厚度仅0.3～0.5 m，湖底光度还不足水面强度的1%，远未达到水生植物生长所需光强度（水下相对光线强度大于5%）[4]。透明度不足又反过来制约水生植物的生长，从而在湖区内部形成一个恶性循环，造成湖区内水生植物种类快速下降，最终造成水生动植物生境遭到破坏，水体自净能力也急剧下降[5]。上述种种原因导致南漪湖水质出现超标现象。因此，为加强南漪湖水环境治理，强化流域污染源控制、生态清淤、优化水产养殖和水生态修复，对南漪湖等呈富营养化的湖泊开展综合治理工作，消除外源污染、提高水体自净能力十分必要[6]。

2 生态清淤试验工程方案

2.1 总体方案

初步确定选择南漪湖西湖区南姥咀西岸片区作为试验工程实施范围，面积约8.18 km2，疏浚深度为2.0 m。

为满足南漪湖水质达标要求，必须清除湖区表层底泥层；另外，为达到南漪湖库容扩容要求，并为今后一段时期内南漪湖湖体的淤积预留必要的库容，确定清淤深度为2.0 m。正常情况下，从方便施工角度出发，从上往下2.0 m 范围内进行疏浚，既满足南漪湖水质达标要求，也满足湖区扩容要求，但表层2.0 m范围均为淤泥质土，该方案将产生数量巨大的淤泥，消纳淤泥难度较大且处理费用极高。为减少因处理大量表层淤泥疏浚量导致环境的二次污染，通过对地勘资料的进一步分析发现，在技术上通过挖除相对便于处理的深层疏浚料可以达到既满足湖区清淤深度要求、又节省淤泥处理费用的目的，因此推荐疏浚表层+深层的方案。

通过表层底泥污染程度分析，将工程区分成2个疏浚片区，疏浚一区面积5.38 km2，表层和深层疏浚深度分别取0.2、1.8 m；疏浚二区面积2.80 km2，表层和深层疏浚深度分别取0.5、1.5 m。根据本工程的工程特点和现场地形情况，并针对各道工序利用网络计划技术加强施工组织协调，采用提早插入、交叉作业、相互搭接等综合措施，实施方案总流程如图1所示。

图1 实施方案总流程

（1）底泥清淤疏浚。底泥清淤主要考虑对疏浚一、二区表层厚0.2、0.5 m 底泥进行疏浚，其主要施工流程为绞吸船进场→管道铺设→接力泵安装→表层底泥清淤疏浚→土工管袋淤泥固结及土料利用。

（2）深层疏浚。深层疏浚主要考虑对疏浚一、二区深层厚1.8、1.5 m 底泥进行疏浚，其主要施工流程为吸运专用工作船施工→皮带卸料机上岸→输送整平→弃土料资源化利用。

2.2 疏浚工程方案

根据地勘资料揭示，疏浚区域底泥厚度基本在0.1～0.5 m。底泥包括浮泥、流泥、淤泥、部分淤泥质土，其下为重粉质壤土、粉质黏土、粉细砂等。根据推荐的疏浚设计方案，疏浚区8.18 km2，距离北侧岸边最小距离为648 m，距离东侧岸边最小距离为175 m。疏浚一区竖向疏浚深度为表层底泥0.2 m+深层1.8 m，疏浚二区竖向疏浚深度为表层底泥0.5 m+深层1.5 m，由此形成疏浚范围为2.0 m 深的疏浚深度。表层底泥共疏浚247.72 万m3，其中疏浚一、二区分别为107.70万、140.02万m3，考虑在湖区周边设置临时堆场，采用土工管袋技术固结处理后，资源化利用于废旧矿山复绿、回填土方、园林用土、烧砖等。深层疏浚共1 389.38万m3，其中疏浚一、二区分别为969.32万、420.06万m3，采用专用工作船直接插管吸运至临时指定点，通过皮带卸料机上岸后输送整平临时堆放于堆场内，通过资源化利用进行消纳。

2.2.1 湖区疏浚分区

该工程对湖区水质指标和水环境保护具有较高的要求，对整个湖区进行分区分期疏浚。疏挖施工中要求尽可能降低底泥再悬浮和污染物释放，同时对清淤区域进行划分并采用围挡隔离，减少对周边水体扰动影响，防止二次污染，且泥水输送过程中不污染环境，为生态修复创造条件，恢复湖区的良性生态系统。同时，综合考虑施工机械设备选型、施工工期安排、淤泥固结技术、淤泥固结土消纳能力以及分区实施先后顺序等因素，对南漪湖疏浚进行分区分块实施，西湖区划分成4块疏浚，分别为1#～4#疏浚区；东湖区划分成6块疏浚，分别为5#～10#疏浚区，共形成10 块疏浚区进行分区疏浚施工。根据试验工程疏浚范围分析，初步考虑将4#疏浚区作为试验工程先行实施，在试验工程实施过程中，通过实时监测、数值模拟、专家咨询等技术手段，不断分析工程建设对南漪湖防洪、生态环境、灌溉、航运等方面的影响，根据评价结论动态调整实施方案，为后阶段大规模推进积累经验。

2.2.2 表层底泥清淤疏浚

（1）疏浚量。根据疏浚范围内表层底泥厚度的分布情况，确定疏浚一、二区竖向表层底泥疏浚深度分别为0.2、0.5 m，疏浚边坡根据表层土质特点确定为1∶20，由此计算得出表层底泥清淤疏浚工程量为247.72万m3。

（2）疏浚方案。①底泥特征及施工条件分析：南漪湖是宣城市重要的水系湖泊，对水环境保护具有较高的要求，其底泥疏浚主要目的是改善水生态环境。为此，需实施底泥疏浚，清除底泥中的污染物，防止疏漏和余水的二次污染，同时为生态修复创造条件，恢复湖区的良性生态系统。因此，疏浚机械选择应根据疏浚目的、地质条件、施工条件、机械性能，综合各方面要求进行。南漪湖疏浚清除的底泥主要是呈悬浮状稀泥状的流泥及部分受污染的淤泥质黏土，选择的疏浚施工设备能有效清除以上受污染底泥。疏挖施工中要求尽可能降低底泥再悬浮和污染物释放，防止二次污染，同时泥水输送过程中要求不污染环境。疏浚时扩散半径控制在10 m 以内。选择的疏浚施工设备应具有平面精确定位和较高的垂直精度，垂直精度应控制在5～10 cm。南漪湖上下游河道具有一定的通航能力，施工设备进场可以通过航运。常水位下湖水深1.2～2.0 m，不利水文条件时水深不足1.0 m。船型选择时应对土质、水深、排距、浚深等因素充分考虑。②疏浚设备选型：在水深能够满足绞吸式挖泥船施工条件时，均采用环保绞吸式挖泥船施工，并且施工时可根据施工需要调节水位，增加绞吸式挖泥船的疏浚范围。针对整个湖区表层底泥疏浚施工实际，分别对抓斗式、环保绞吸式和耙吸式挖泥船进行分析比较，选择合适的疏浚设备。根据各类挖泥船性能可知，抓斗式挖泥船无法挖除浮泥，不具有环保性，不能满足本工程环保要求，但挖除垃圾时比较适用，因此可用于湖周污染底泥的清理。绞吸式挖泥船可进行疏浚，但需进行余水处理，挖除垃圾较多的区域时绞刀易被渔网等杂物缠住导致工效降低，疏浚前需先对垃圾进行清理，同时其临时堆场退水较多。耙吸式挖泥船疏浚能力小，对大面积和大方量的疏浚工程有一定的局限性；同时，由于南漪湖底泥细颗粒含量高，其脱水设备不能有效减少其尾水处理量，但其疏浚设备本身疏浚含固率较高，余水处理量较环保绞吸式挖泥船小。各种船型的分析对比情况，详见表1。

表1 施工机械分析对比

综合以上分析，考虑采用绞吸式挖泥船进行疏浚，并且考虑采用环保绞吸式挖泥船，配备环保罩，以减少对周边水域环境的影响；同时，对排出的淤泥土直接充灌进入土工管袋进行固结处理，其余水均达标排放，对临时堆场地周边水质不造成污染影响，因此表层淤泥疏浚推荐采用环保绞吸式挖泥船进行。部分湖区平均水深小于挖泥船的最小挖深，可通过由深水区向浅水区作业的顺序来满足挖泥船性能需求。由于湖区进水和出水通路较多，在实际水深与施工需要水深差距太大时，也可通过湖区水位调度减少向外供水来满足施工水深要求。

2.2.3 深层疏浚

（1）疏浚量。深层疏浚一、二区疏浚深度分别为1.8、1.5 m，其疏浚范围按下开挖线面积控制，由此计算得出深层疏浚工程量为1 389.38万m3。

（2）疏浚方案。深层疏浚采用吸运的施工工艺，考虑选用专用工作船吸运至临时指定点，通过皮带卸料机上岸后输送整平临时堆放于堆场内，通过资源化利用进行消纳。

2.3 表层疏浚土固结方案

根据地勘资料可知，疏浚出来的湖区表层淤泥土含水率高、力学性能差，基本无法直接利用，为解决此难题，需首先研究对淤泥土的固结技术，再提出对固结土的利用途径。在对淤泥固结技术调查的基础上，对真空预压技术、机械脱水固结一体化技术、土工管袋固结技术和自然固结法4种淤泥固结技术进行比选分析。

2.3.1 真空预压技术

真空预压技术是基于软土地基内设置竖向排水通道，随后在地基表面铺设砂垫层，并在砂垫层内埋设透水管作为水平排水层，再在砂垫层上覆盖不透气的密封薄膜使之与外界大气隔绝的加固技术。该技术采用抽真空装置将密封膜内需加固处理的软土地基内的空气和水不断被抽出，使软土地基与外界大气的压力差逐渐增大，导致软土地基随空气和水的不断排出而固结，达到加固处理软土地基的目的[7]。

2.3.2 机械脱水固结一体化技术

淤泥机械脱水固结一体化技术是一套完整的清淤-脱水技术，它将清淤泥浆输送至岸上脱水场地内，其工艺流程如图2所示。脱水场地由初沉池、一级浓缩池、二级浓缩池、调节池、清水池、加药搅拌系统、均化池、脱水车间、泥饼输送设备等组成。

图2 淤泥机械脱水固结一体化技术工艺流程

进入脱水场地的泥浆通过初沉池分选出砂石、漂浮物、渔网、碎木头等大颗粒杂质，经复合固结后利用渣土车运往堆场。流经初沉池的泥浆进入一级浓缩池，后续进入加药搅拌系统，再进入泥浆均化系统，最后通过渣浆泵输送至板框机进行压榨脱水[8]。板框机生产泥饼通过皮带机输送至临时堆场，最终利用渣土车外运达到再次利用的目的。机械脱水固结一体化技术实行厂房式施工，对环境影响小，生产过程环保，在淤泥固化的同时对生产余水进行初步处理，使外排余水能够达到城市污水处理厂排放标准。

2.3.3 土工管袋固结技术

土工管袋是一种由聚丙烯纱线编织而成的具有过滤结构的管状土工袋，其直径可根据需要变化，一般为1.0～10 m，最大达200 m，具有强度高、过滤性能和抗紫外线性能好的特点。该技术是在水下疏浚过程中将高分子药剂按一定比例的剂量投入淤泥泥浆，打入管袋压滤脱水，可以达到减少污泥体积的目的。这种处理方法无需围堰，在平地就可施工，在用土的地方就地固化，无需二次转运，工期较短，约2个月，且全封闭式施工，不受天气的影响[9]。土工管袋固结技术工艺流程，如图3所示。

图3 土工管袋固结技术工艺流程

疏浚底泥通过疏浚船直接充灌至土工管袋，在进入土工管袋前需加入一定剂量的药剂以加速脱水。加药设备采用移动式加药站，加药能力与挖泥船干泥输送量的能力相匹配，药剂通过输药管道经混合器与排泥管中淤泥充分混合后充填入管袋，可以大大加快淤泥脱水时间。土工管袋脱水的效率与余水水质取决于脱水助剂，脱水助剂应选用环境友好型、以有机化合物为主的材料，同时具有锁固重金属、防止浸水二次泥化等功能。

2.3.4 方案比选

以上3 种淤泥固结技术优缺点分析比选结果，详见表2。

表2 疏浚土固结技术分析比选结果

由表2 可知，土工管袋固结技术能够将淤泥从湖区直接充灌至土工管袋，为全封闭施工不需要设置地面淤泥池，对环境影响最小，固结效率较高，淤泥固结在场地周转时间较短，能够较好地缩短工期，可以较好地控制脱水后的土料含水率，更加方便于土料的重复利用，且其固结成本也相对较低。因此，本次推荐土工管袋固结技术对南漪湖淤泥进行固结成土。