席松 朱樹成 瞿強
[摘要]在濱海新區(qū)的大力的開發(fā)開放的背景下,環(huán)境工程的提升與新區(qū)的城市定位相適應(yīng)。人工湖、水系的應(yīng)用在各種景觀工程中得到了大量的應(yīng)用。如何對原有的湖泊進行改造,通過對新港公園改造,形成了新區(qū)一整套人工湖泊的綜合治理技術(shù)。這些技術(shù)方法普遍適用于天津濱海地區(qū),具有很強的代表性和實用性,經(jīng)濟效益非常明顯。
[關(guān)鍵詞]濱海地區(qū)人工湖綜合治理
新港公園人工湖的綜合治理技術(shù)包含:湖底淤泥填埋及清理技術(shù)、湖底防滲處理技術(shù)、湖區(qū)生態(tài)保持技術(shù)、湖區(qū)補水及水質(zhì)保持技術(shù)等四大關(guān)鍵技術(shù)。
工程概況及技術(shù)難點。
1)工程概況
天津新港公園改造工程是2010年天津濱海新區(qū)市容環(huán)境整治重點工程,工程地處新港三號路與二號路之間,港醫(yī)路以東,離濱海新區(qū)政府直線距離約500米。該公園做為新港地區(qū)的唯一一個公園,工程改造受到了社會各界的廣泛關(guān)注。該工程為市政公建工程,工程總面積81600㎡,其中水面用地15700㎡、公建用地1900㎡、公共綠地用地46900㎡、道路用地16600㎡、市政公共用地500㎡。改造后湖區(qū)最深處限制在1.5m。
2)技術(shù)難點
(1)湖底清淤問題
由于原湖區(qū)較深,如將淤泥全部清理出去,回填量將大大增加,且清淤期處在11月底,湖底無法晾干,淤泥也無法進行有效的清理。如何進行湖底處理加快施工進度是一大難點。
(2)湖區(qū)防滲漏及補水的問題
由于濱海地區(qū)土質(zhì)情況決定了必須采取可靠措施進行防滲漏處理,這也是人工湖處理的一個大難題。由于湖區(qū)面積大,表面蒸發(fā)速度快加之局部滲漏的問題,湖區(qū)失水較快,如何解決湖區(qū)的補水問題亦是一大難題。
(3)人工湖自潔及生態(tài)保持的問題
湖區(qū)建成后其生態(tài)保護、水質(zhì)的保持是必須重視的問題,如何巧妙的解決生態(tài)保護的問題在新港公園改造工程中得到了較好的解決。
通過對新港公園改造工程人工湖的綜合治理,在新區(qū)人工湖中樹立一個精彩亮點,給同類工程的設(shè)計及施工帶來了全新的理念和解決方法。
2、湖底淤泥處理及粘土防滲技術(shù)
人工湖的湖底如何處理是比較關(guān)鍵的,通過調(diào)查塘沽及開發(fā)區(qū)多個人工湖,發(fā)現(xiàn)人工湖普遍存在漏水、水質(zhì)較差等問題。如何處理湖底擺在了我們面前。
1)利用拆房土擠淤進行湖底處理。
在新港公園工程開工時間為2009年11月底,在這個季節(jié),淤泥無法晾干。同時湖底標(biāo)高較低。經(jīng)與設(shè)計及業(yè)主方協(xié)調(diào)采用了拆房土(磚渣土)進行填埋、碾壓對淤泥進行處理的方法。這一方法在天津地區(qū)被廣泛用于洼地及淤泥坑的填埋處理以及一些地基處理方面。經(jīng)過對淤泥處理后再采用800厚粘性土分層碾壓,形成隔水層,達到防滲防漏的效果。
采用磚渣土處理淤泥的做法源自于天津地區(qū)的填坑做法,其廣泛應(yīng)用于地基處理。要求磚頭含量在80%以上,由于粘土磚良好的吸濕性,在外力的作用下壓入淤泥中,流塑體變成硬塑復(fù)合體。其模型為:
湖區(qū)淤泥厚度:1米,淤泥面積:20000m2。淤泥含水量大于60%,天然孔隙大于1.5,根據(jù)地質(zhì)報告,淤泥基本承載力為50Kpa,填筑拆房土后,由于吸水固結(jié)穩(wěn)固,含水量降低到塑限狀態(tài)后,天然孔隙小于1.0,地基允許承載力100kPa。
理論計算:拆房土粗料占80%以上,一塊磚重2487g,吸水飽和后2935g,一塊磚體積24.0×11.5×5.3cm,所以磚密度在1.70~2.01之間,選定磚的平均密度:1.86g/cm3。拆房土中砂漿密度在1.8~1.9之間,選定砂漿平均密度:1.85 g/cm3。最終確定拆房土密度為:1.86 g/cm3。淤泥密度取1.4 g/cm3。
拆房土墊鋪完成后,現(xiàn)場測定拆房土頂面高出淤泥頂面0.5米。
數(shù)學(xué)模型:采用單位立方拆房土柱體進行計算。拆房土進入淤泥的深度為:h
根據(jù)受力平衡考慮:最終平衡干系,拆房土重力與淤泥吸水后提供的支持力平衡。
即:ρ拆房土hg s +0.5ρ拆房土g s =ρ淤泥hg s+100×10-3×s
h=0.2m
需平均填筑厚度為:0.2+0.5=0.7米。
根據(jù)計算,公園湖區(qū)需平均鋪筑0.7米的拆房土??紤]到拆房土的虛鋪密度較小,在公園人工湖處理過程中采取了填筑1米厚拆房土并碾壓密實的作法。
2)利用粘土層做為防滲層。
由于粘土的微滲漏性,廣泛用于湖區(qū)、堤壩的防滲漏處理。在新港公園工程中,我們采用了純粘土碾壓的方法進行防滲。
3、人工湖補水及湖水自循環(huán)系統(tǒng)
1)人工湖補水系統(tǒng)
由于北方地區(qū)天氣晴朗,湖區(qū)面積大,蓄水量少,水汽蒸發(fā)量較大。加之新區(qū)地質(zhì)較差,難以做到完全不滲漏。采取何種方式補水顯得尤為重要。
在新港公園人工湖補水采取了三種補水方式,其一是采用地下水進行補水。在公園的西南角,設(shè)置口徑700,深度達90米的深井,采用兩臺300QJ深井泵進行補水。這是公園主要的補水方式。第二是采用市政管網(wǎng)進行補水。在假水疊水處及西南側(cè)排水處分別設(shè)置了兩個市政補水井。必要情況下采用自來水進行補水。第三種補水方式是自然補水法。利用雨、雪天等自然條件進行補水。其中主要的補水方式為第一種,經(jīng)水質(zhì)檢測,達到了飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
2)湖水自循環(huán)系統(tǒng)
(1)湖水循環(huán)自潔的原理
自然界的湖泊本來具有一定的自凈能力,能自我凈化水質(zhì),保持水質(zhì)潔凈。但當(dāng)湖水缺乏流動性,自凈能力不足,周圍環(huán)境、空氣中的污染物逐漸聚集到湖水中時時,往往會使水體特別是底層水體嚴(yán)重缺氧,極大地抑制了好氧微生物(硝化細(xì)菌)的活性。在缺氧狀態(tài)下厭氧微生物大量繁殖,對落入水底的有機物進行厭氧分解,產(chǎn)生硫化氫、甲烷、氨等有害氣體,釋放臭氣并造成魚蝦大量死亡甚至絕跡。硫化氫又與水中的鐵反應(yīng),生成硫化鐵使水體發(fā)黑。得不到及時分解的有機物沉積在水底,形成黑色淤泥,并發(fā)出惡臭。
因此在人工湖處理過程中要設(shè)法增加水體中的氧分。
氧能消除有機物污染;在有充足氧氣和豐富微生物的條件下,有機物污染指標(biāo)COD和BOD明顯下降,黑臭現(xiàn)象消失。湖底的有機物降解所產(chǎn)生的甲烷、硫化氫等有毒和有害氣體被去除。
氧能減少水體營養(yǎng)鹽含量;水體充氧后,抑制了湖底厭氧菌的有機質(zhì)分解過程、隨湖底氮、磷營養(yǎng)鹽的釋放量減少。同時,好氧微生物的活動,加速底質(zhì)的無機化過程。磷可以與水體中鈣相結(jié)合,形成不溶于水的化合物,而沉降于湖底,從水中去除。
氧能消除藻類水華;水體循環(huán)曝氣造成的水層對流交換條件,使表層藍藻水華難以形成,表層水中的藻類被轉(zhuǎn)移到湖底或下水層,因光照條件的改變,難于維持生長,抑制藻類的繁殖。它可以在短時間內(nèi)消除水體黑臭、降低有機污染物和胺氮,在外觀上使水體變清。在后續(xù)的保持過程中可逐步提高水體的自凈能力;即使在外來污染源未被截斷的情況下,它仍然可通過曝氣充氧和添加微生物菌種等措施,減少外來污染源對水體的沖擊,使天然水體污染加劇的狀況得到控制。
氧能改善水質(zhì)及透明度;被污染的水體中的多種無機懸浮物、活的浮游植物及死亡的殘骸、大型水生植物碎屑、分解的有機碎屑等是影響水質(zhì)和透明度的重要物質(zhì)。水體曝氣充氧后有效的抑制藻類過度繁殖,從而減少了水中有機質(zhì),使水體透明度明顯提高,改善水質(zhì)量。
氧能減少底泥的內(nèi)源污染;水體充氧后,湖泊底質(zhì)表層含氧量增加,好氧微生物活動趨強,通過微生物的代謝過程促進底泥有機污染物的降解,逐步形成無機化底質(zhì)覆蓋層,阻斷內(nèi)源污染。由于很多景觀水體人為污染嚴(yán)重,包括接引的水源水質(zhì)較差、水域娛樂場所的污染、觀賞魚投加餌料的沉積等,長時間污染物聚集,可能在一年后出現(xiàn)水質(zhì)惡化現(xiàn)象,水體透明度變差、顏色變暗、甚至有異味。這種情況下僅靠水體原有的生態(tài)系統(tǒng)難以完成自凈,因而需要科學(xué)合理的對原有的生態(tài)系統(tǒng)進行修復(fù)和加強。
讓水體合理循環(huán)利用,也可使污染的水質(zhì)還原修復(fù)。
(2)自循環(huán)泵的選擇
在新港公園人工湖改造工程中,我們通過對水體進行自循環(huán)加氧的辦法進行處理。在公園的東北角,我們新增了一下循環(huán)泵井,在井內(nèi)安裝了兩臺KQL300-300立式循環(huán)水泵(一用一備),每小時流量達到900m3,每9小時將湖水循環(huán)一遍。循環(huán)水管道采用了DN300的球磨鑄鐵給水管道,自綠化排鹽層下部向西一直埋設(shè)至假山景亭處。從根本上解決了補氧的問題。
作為循環(huán)水處理來說,首先遇到的問題就是循環(huán)水量的問題,換句話說就是循環(huán)周期如何確定。國際上循環(huán)水處理最成熟的理論莫過于對游泳池循環(huán)水處理周期的確定,國際上法定的循環(huán)周期是6~8h,即每天循環(huán)3~4遍。河湖水體不考慮人體入水污染,自然要拉長水處理周期。如上所述,因為第三天水體開始顯現(xiàn)水質(zhì)變差,故周期采取2~3天。根據(jù)這國內(nèi)一些人工河湖運轉(zhuǎn)幾年的情況看,循環(huán)周期采用48h是合適的,夏季時水體能見度也可達到1米。一般在暴雨時,都會出現(xiàn)混濁,雨后循環(huán)2~3個周期即4~6天后水體又恢復(fù)清澈如初,因此循環(huán)周期定為48h是合理的。
48~72h作為河湖水的循環(huán)周期是遵循:實踐—理論—再實踐,這樣的過程產(chǎn)生的。當(dāng)然也不是固定不變的。譬如,不同的季節(jié)循環(huán)周期可以相差很大,涼季可以停機,48h是指炎夏而言,其它季節(jié)可以延長循環(huán)周期,減少循環(huán)水量或停機。因此還有一個后期運轉(zhuǎn)管理的問題,凡觀察到水體清澈透亮的時候都可以隨時停機。
以新港公園為例,其湖區(qū)面積20000m2,最深處為1.5m,平均深度為1m,湖區(qū)蓄水量:20000×1=20000(m3)。按48h循環(huán)一次,則有:20000÷48=416(m3/h)??紤]到白天循環(huán),夜間停泵,循環(huán)水泵流量選擇不小于:416×2=832(m3/h)。
選用KQL300-300,其流量為900m3/h,揚程25m,功率75KW。完全滿足湖區(qū)水的循環(huán)要求。
循環(huán)泵的自動控制:循環(huán)泵控制采用定時器控制,每天自動開啟循環(huán)12h,電源采用雙電源,水泵采用一用一備。
4、生態(tài)保護技術(shù)
1)采用原生態(tài)河卵石鋪筑湖底面層,人工搭建相似的生態(tài)系統(tǒng)
湖底面層處理由原來的混凝土澆筑及面磚鋪貼更改為河卵石壓鋪。卵石采自綏中河道,經(jīng)海運到達天津港運至現(xiàn)場。對于原狀河卵石不允許過篩,保持原河底卵石的級配,同時要求即采即用。由于河卵石中含有大量的各種生物的卵,主要目的是將綏中河道中的生物帶到人工湖中,讓其繁殖。以保持人工湖的生物多樣性。湖底處理后的結(jié)構(gòu)圖如下:
更為有效的做法是改變生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)有的環(huán)境條件,包括降低營養(yǎng)鹽負(fù)荷,消除風(fēng)浪、藍藻水化,提高光照和透明度,改善底質(zhì)環(huán)境等,創(chuàng)造草型生態(tài)系統(tǒng)能夠得以發(fā)展和培植的良好外部環(huán)境。
2)種植水生高等植物
水生高等植物發(fā)育良好有利于創(chuàng)造環(huán)境多樣性,提高湖泊生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性,而生態(tài)系統(tǒng)的多樣性又有助于提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。國外有實驗表明,某大型無脊椎動物的種類、數(shù)量伴隨著水生植物的減少而減少。水草本身又是水生動物的飼料,進一步增加了水生生態(tài)系統(tǒng)食物鏈長度和復(fù)雜性,從而形成穩(wěn)定、平衡的生態(tài)系統(tǒng)。此外,水生高等植物能夠從多方面影響浮游動物的生境,是影響浮游動物的種類組成、密度、多樣性的重要因素之一。
作者介紹:
席松:中建八局西南分公司天津事業(yè)部副總工程師。
朱樹成:天津塘沽城市建設(shè)投資公司副總經(jīng)理、總工程師。
瞿強:天津塘沽城市建設(shè)投資公司工程師。
注:文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。