新型拦污网在北京市通惠河应急处置中的应用

李 楠，危夏安妮，胡艳芳，吕永峰

（1.北京市城市河湖管理处通惠河管理所，北京 100124；2.北京市城市河湖管理处，北京 100045）

1 研究背景

1.1 地理位置

北京市通惠河地处北京核心地区，上游承接首都功能核心区，下游连通北京行政副中心，是城市河湖水系中重要的排洪河道；上接南护城河尾段，西起东便门铁路桥，承接前三门暗沟、东护城河暗沟，经高碑店、普济闸，于通州城北通济桥（卧虎桥）下泄入北运河，全长20.35 km，总流域面积为258 km2。其中，北京市城市河湖管理处管辖长度15.04 km（西起东便门铁路桥，东至普济闸下游251 m处），如图1所示。

图1 通惠河河道平面示意

据统计，高碑店闸水文站2022 年年降水量747.9 mm，最大流量290 m3/s（7 月27 日3 时），泄洪总量1 211.91×104m3，下泄水量16 432.35×104m3。乐家花园水文站2022年年降水量599.8 mm。

1.2 白色泡沫成因

据调查，通惠河东便门橡胶坝上游有前三门暗沟、东护岸河暗沟2 个较大暗涵，受降雨影响，大量雨水将沉积的污泥及部分生活污水冲进河道，大量有机物进入河道迅速消耗水体的溶解氧，使水体处于厌氧状态，并且老化分散的污泥有很强的吸附功能，致使污水的黏度增大，河道水体经过橡胶坝跌水、大量曝气时，气泡分散于水中不易凝聚而被吸附，使污泥的浓度降低，河道表面即形成厚厚的白色泡沫层。同时，水体经过曝气时，水体内的厌氧反应产生的大量有害物质（氨、硫化氢）会随着部分气泡融入空气内，气味臭致使人体有恶心的不适之感[1]。

另外，生活污水中含有大量的油脂、洗涤剂。洗涤剂的主要成分是表面活性剂，其中磷含量较高，这种物质会降低水表面张力。当水体通过橡胶坝、跌水等落差明显的水工建筑物时，在水体张力降低的情况下，油脂和表面活性剂在水体经过橡胶坝高速冲击时会产生大量泡沫，一般情况下，初期雨水的影响情况较为严重。通惠河作为城区最重要的排洪河道，此情况更为突出[2]，如图2—3所示。

图2 大北窑橡胶坝下游雨后白色泡沫聚集

图3 高碑店闸下游雨后白色泡沫聚集

1.3 白色泡沫产生的影响

此种白色泡沫产生的突发水环境问题，不仅对水环境景观造成恶劣影响，而且给市民造成很大困惑和不良的直观感受，甚至近年几次大范围暴发事件被媒体进行曝光和评论，北京市城市河湖管理处相关负责人虽对此进行了解释和说明，但在社会舆论中仍产生负面影响[3]。2021—2023年7月底，北京市城市河湖管理处接到反映通惠河突发白沫现象的接诉即办工单共计6件，引起了广泛舆情。

北京作为首都，肩负着全国政治中心、文化中心、国际交往中心、科技创新中心的核心功能。建设好首都，推动北京持续健康发展，需要付出持续的努力。生态水环境遭受破坏，同时引起舆情发生，作为城市水务管理单位的北京市城市河湖管理处，必须高效解决水环境突发问题，以减少对于城市环境的恶劣影响。

2 现阶段处理方式

（1）水面清洁。雨后，加大水面保洁的力度，快速清理水面漂浮污染物，降低污染物对水体的持续影响。

（2）水资源调配。通过调配优质水源置换水体，来改善水体质量[4]。

（3）生物制剂改善。通过投撒生物净水剂、生物酶等制剂，降解水体污染物、消除臭味，从而改善水体质量。

（4）物理消除泡沫。通过调节闸坝运行状态及船只物理干扰的方式消除泡沫，降低影响。

3 基于白色泡沫基础上的产品研发

3.1 新型拦污网研发目的

汛期，城市河道防洪需求较高，上述传统处理方式在实际应用中呈现出诸多问题，如人工材料成本高、工作效率较低。为此，从操作难度、水流调度、见效速度及投入成本等综合因素考量，认为物理拦截效果最为便捷适宜，故考虑通过此方式进行产品改造提升，以达到增强处置效力的目的[5]。通过对拦污网单体结构的重新设计，使其在水流冲击作用下顺势旋转，在拦截聚拢泡沫的同时，起到捣散消解泡沫体的作用[6]。

3.2 改装拦污网产品规格及效果分析

3.2.1 一代产品

浮球选取2 种规格的泡沫浮球。单组为白色浮球（直径12 cm）+橙色浮球（直径8 cm）+黑色扎带（200 根耐磨尼龙绳），整体组成为单组浮球+编织绳=串联组合。在每个白色球体上打入均匀孔洞，垂直黏连嵌入200 条长度0.12 m 的耐磨尼龙绳，对泡沫体进行直接破坏分解，如图4—5 所示。橙色浮球为间隔物，表面耐磨尼龙绳互不妨碍，可灵活转动，如图6所示。整条拦污网重量适中，2名成年人即可搬运、栓缚拦污网，如图7—8所示。

图4 白色浮球俯视示意

图5 白色浮球侧视示意

图6 橙色浮球侧视示意

图7 成品整体展示

图8 成品局部展示

拦污网浮球在水流作用下自由旋转，随水流流速的增加，球体自转能力随之增强，其表面覆盖的针状物可捣散泡沫体。在流速为0.12～0.31 m/s 内，拦污网对白色泡沫的平均消除率达到60%。2022 年7月24日，拦污网应用效果如图9—10所示。

图9 大北窑橡胶坝下游应用过程

图10 大北窑橡胶坝下游应用效果

3.2.2 二代产品

通过应用发现，一代产品对于处理零星片状泡沫体效果较强；而对处理成簇成团状泡沫体，由于表面“触手”密度小、材质软，导致其刺破力度有限，效果不佳。

针对实际情况，对拦污网单体进行了进一步改良：①将球体改为圆柱体形态，进一步增大单体的拦截面积；②将针状触手改为毛刷，提高植入密度，进一步加大对白色泡沫的破坏力度；③嵌入方式由均匀垂直式改为螺旋排布式，进一步提高在水流冲击作用下的自转效果，设计方案如图11所示。

图11 设计方案

经过对拦污网单体多次对比试验后发现：①进一步减轻毛刷体自重，可提高拦污网在水面的漂浮效果；②进一步增加毛刷长度，可扩大拦污网与聚集泡沫接触面积，加大其破坏力度。因此，最终选择密度小的塑料PP 材质制作管芯，同时降低管壁厚度，加长毛刷长度。改进后的单体外径4 cm，内径2 cm，毛刷长度6 cm。单体构造，如图12—13所示。

图12 毛刷单体侧视示意

图13 毛刷单体俯视示意

二代产品具体形式如下：单组为毛刷（自重0.7 kg，直径50 cm）+浮球（直径12 cm），整体组成为单组+防水绳=串联组合，如图14 所示。毛刷与浮球进行串联，使单体组合（毛刷+浮球）物体密度得到进一步减轻，达到降低排水体积的效果，从而更好地漂浮于水面之上。

图14 固定于大北窑橡胶坝的拦污网

拦污网毛刷体在水流作用下旋转，在流速为0.12～0.31 m/s内，泡沫消除率随流速增加而增大；同时，处理零星片状泡沫体效果极佳，平均消除率可达到80%。2023 年7 月11 日降雨后，河道出现零散泡沫体，随后开展水面试验，效果如图15 所示。改良后的拦污网可快速将零散泡沫进行拦截、消解，对下游水环境状况起到积极的改善作用，应用效果十分显著。

图15 雨后同心桥下应用效果

3.2.3 综合评价

一代及二代产品综合处理功效评价，详见表1—2[7]。

表1 新型拦污网一代、二代产品处理时效对比 m2/min

表2 新型拦污网一代、二代产品泡沫拦截效率对比 %

经过多次改良试验及数据分析，可对两代产品功效进行对比评价，结果如下：两代产品对白色泡沫的处理时效和拦截效率均随水体流速增加而提升；二代产品处理零星片状或成簇成团泡沫体的时效和拦截效率均优于一代产品；在同流速下，两代产品对零星泡沫的处理效果较团状泡沫更加明显。

4 新型拦污网产生的效益

通过分析2022 年在通惠河投入应用情况发现，新型拦污网具备消除泡沫能力强、拼组便捷易操作、可复制能力强、原材料环保稳定等优点。鉴于白色泡沫问题在城市河湖乃至全国各个流域内皆有发生，相关单位或部门可根据河道及排水口宽度自行组合并长期循环利用，具有普遍推广价值[8]。

目前，新型拦污网二代产品单价成本为246元/m，试验所用产品制作长度为50 m。以城市河湖2022年水环境应急事件为例，通惠河段突发白色泡沫问题2 次。如采取投撒生物制剂方式处理，需含材料成本、人工成本、机械成本，其中材料费生物制剂约200元/kg、人工费160元/d、机械费船只200元/台班。如处理一次突发事件，投撒制剂40 kg 左右，需3 名工人操作，每次治理周期2 d。按上述数据计算，2022年通惠河段2次治理共需花费34 720元。如采用新型拦污网处理，除12 000元材料费之外，无任何其他费用支出，同时单体部件均可循环利用，使用寿命至少5 a。如长期投入使用，可直接降低长期支出成本[9]。

综上，新型拦污网的应用可快速处理突发水环境白色泡沫问题，保障城市河湖水环境安全，短时间内恢复水环境常态；可节约人力成本，能够帮助水务部门将更多精力投入汛期水流调度及水工设施维护工作中；可节约物资成本，减少打捞船只应用等[10]。

5 结论及建议

5.1 结论

新型拦污网具有处理河道白沫高效、材料成本低、环保可靠、组装方便、可循环使用的优势，在实际水环境维护运用过程中能够达到良好效果。

5.2 建议

水体受污染，绝大多数原因是由于排污口污水排放所致。为此，建议采取以下方法解决水污染问题：①利用指标管理加强污水处理。建议排污入口处加装除磷设施，可以采用生物处理、化学处理等方法，降低水体富营养化程度；②以水资源科学调度为原则，采取物理方式适当调节降低闸体间水位落差，以缓解泡沫的产生；③建立初雨调蓄池，收集降雨后初期雨水，既规避雨水洪峰，又控制初期雨水的面源污染，以缓解河道受污染程度。

发展是第一要义，而创新是发展的源泉和动力。水务工作的全面进步，更需要丰富的创新元素，以问题为导向，从实际问题着手，用绣花的功夫解决问题。新型拦污网正是在此大环境下应运而生的产物，具有极高的实际应用价值，切实提高了水环境应急处置能力，可达到将水环境问题进行快速化解、消除的目的，具有便捷、高效、可循环的优势，对整体水环境状况改善起到积极的促进作用，为水环境应急处置提供了新思路。