陶琛杰顧曉惠周 健

（1.無(wú)錫市水利工程基建工程質(zhì)量監(jiān)督站，江蘇無(wú)錫 214023；2.江蘇東方生態(tài)清淤工程有限公司，江蘇無(wú)錫 214125；3.江蘇省水利工程科技咨詢有限公司，江蘇南京 210029）

1 河湖生態(tài)清淤與淤泥固化的作用

生態(tài)清淤（又稱：環(huán)保清淤）旨在為改善河湖的生態(tài)環(huán)境，利用生態(tài)清淤機(jī)械設(shè)備清除河湖水體中含有污染物的底泥，通過(guò)阻斷污染源以減少水體的污染而采取的人為措施。生態(tài)清淤相對(duì)傳統(tǒng)清淤有更高的要求，即：需盡量避免攪動(dòng)污染底泥和造成細(xì)分子顆粒物質(zhì)的擴(kuò)散。

由于河湖生態(tài)疏浚過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的污染底泥，而對(duì)污染底泥傳統(tǒng)的處理方法是尋找大面積的連片土地修建排泥堆場(chǎng)，采用簡(jiǎn)單堆放、自然干化的原始方法固結(jié)后再利用。但是，一般污染底泥屬高有機(jī)質(zhì)、高含水量的粉質(zhì)粘土，單靠自然干化固結(jié)需要長(zhǎng)達(dá)5～10年時(shí)間，甚至更長(zhǎng)，勢(shì)必造成對(duì)土地資源的長(zhǎng)時(shí)間占用，不利于土地資源的及時(shí)開(kāi)發(fā)利用及其景觀修復(fù)。特別是我國(guó)東部沿海人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，這一矛盾尤為突出。此外，采用排泥堆場(chǎng)處理污染底泥的方法還存在著一定的環(huán)境和安全隱患，由于堆場(chǎng)中底泥裸露，與周圍環(huán)境直接接觸，如果排泥堆場(chǎng)余水處理不達(dá)標(biāo)，將會(huì)對(duì)周邊水體造成二次污染。同時(shí)，由于河湖疏浚底泥是一種高含水量的工程垃圾，其顆粒細(xì)小，有機(jī)質(zhì)含量高，處于流動(dòng)狀態(tài)，幾乎沒(méi)有強(qiáng)度，不能直接為工程所用。故淤泥固化技術(shù)近年來(lái)廣泛運(yùn)用于污染土的處理和處置，面對(duì)河湖生態(tài)疏浚工程產(chǎn)生的大量底泥，通過(guò)固化處理后有效轉(zhuǎn)化為工程性質(zhì)良好的工程用土，致使其淤泥向穩(wěn)定化、減量化、無(wú)害化和資源化利用的方向發(fā)展。

2 河湖生態(tài)清淤與淤泥固化的主要特點(diǎn)

2.1 河湖生態(tài)清淤的特點(diǎn)

河湖生態(tài)清淤的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為：一是為了防止疏浚底泥過(guò)程中污染底泥的擴(kuò)散，需對(duì)傳統(tǒng)挖泥船進(jìn)行改造，開(kāi)發(fā)出新型的環(huán)保型絞刀頭和防污屏等環(huán)保設(shè)備。二是在疏浚船上配置全球定位儀、污染監(jiān)視儀器，以提高疏浚精度，也可盡量避免欠挖與超挖的現(xiàn)象存在。同時(shí)，為避免對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染，需對(duì)其輸、排系統(tǒng)進(jìn)行改造，以減少輸、排泥過(guò)程中的泄漏。三是在生態(tài)清淤的基礎(chǔ)上，通過(guò)多種措施兼顧修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)的更高目標(biāo)，即通過(guò)一系列的有效措施將河湖底泥中的有害化學(xué)物質(zhì)、細(xì)菌毒素和營(yíng)養(yǎng)鹽從河湖底層抽取出來(lái)，以減少河湖底泥污染，防止這些有害物質(zhì)對(duì)河湖水體產(chǎn)生污染，影響水體。故生態(tài)清淤不僅要求將河湖底部的淤泥及有害物質(zhì)有效清除，還要求在修復(fù)底泥的同時(shí)為恢復(fù)河湖的生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造有利條件，改善河湖的水生態(tài)環(huán)境，維持人類生產(chǎn)、生活、生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡。

2.2 淤泥固化的主要特點(diǎn)

由于河湖疏浚后的底泥呈帶水的粒狀，其結(jié)構(gòu)疏松，含水率高。底泥的傳統(tǒng)處理方式主要有：堆肥、填埋、焚燒利用、制造建筑材料等。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家較重視對(duì)環(huán)保清淤后的淤泥進(jìn)行脫水處理，脫水方式主要有：固化處理、分組壓榨脫水、移動(dòng)式連續(xù)脫水、高壓脫水等。將生態(tài)清淤的底泥固化處理后作為填土材料使用的研究最早于國(guó)外，如：日本富山港疏浚填海工程和新加坡“長(zhǎng)基”國(guó)際機(jī)場(chǎng)第二跑道工程等。我國(guó)在這方面的應(yīng)用則剛剛起步，在深圳鹽田港區(qū)三期工程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，并取得了一定的效果。當(dāng)今，河湖底泥的資源化利用已成為疏浚領(lǐng)域內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)。淤泥固化技術(shù)不僅可解決工程用土資源匱乏之虞，同時(shí)對(duì)河湖的環(huán)境保護(hù)和實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型社會(huì)有著積極的實(shí)用型意義。

3 河湖生態(tài)清淤效果判別和淤泥固化機(jī)理的分析

3.1 生態(tài)清淤效果的判別

生態(tài)疏浚被廣泛應(yīng)用于河湖水體的排污治理中。判別河湖底泥生態(tài)疏浚工程效果的標(biāo)準(zhǔn)：一是河湖底泥中的污染物、有害物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽是否徹底清除，這是判斷河湖底泥生態(tài)疏浚效果的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)；二是水體中懸浮物上有害物質(zhì)是否為最少，若仍有較多的污染物和有害物質(zhì)依附在水體中的懸浮顆粒上，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大破壞，說(shuō)明水體的生態(tài)環(huán)境并沒(méi)有徹底恢復(fù)正常；三是疏浚出的河湖底泥中所含污染物、有害物質(zhì)的濃度要高，在生態(tài)疏浚工程實(shí)施中，通常考慮一定的經(jīng)濟(jì)因素，在疏浚過(guò)程中對(duì)底泥中有害物質(zhì)濃度高的污染物進(jìn)行集中清除，既可減少疏浚時(shí)間，又能節(jié)省了費(fèi)用；四是疏浚方位準(zhǔn)確、面積小，以不破壞水底生態(tài)環(huán)境為前提［1］。目前，對(duì)生態(tài)疏浚效果的研究主要集中在河口、港灣的疏浚對(duì)環(huán)境的影響及底泥的再懸浮，對(duì)湖泊水生態(tài)系統(tǒng)影響的研究尚未多見(jiàn)。國(guó)內(nèi)的生態(tài)疏浚是近10年發(fā)展起來(lái)的控制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的措施，對(duì)其工程效果的系統(tǒng)研究開(kāi)展較少。故目前對(duì)河湖清淤工程實(shí)踐效果的評(píng)判也只能停留在上述四個(gè)方面。

3.2 淤泥固化機(jī)理的分析

淤泥固化機(jī)理的分析主要集中在：一是基于水分轉(zhuǎn)化模型機(jī)理分析；二是基于骨架構(gòu)建模型機(jī)理分析［1］。

3.2.1 基于水分轉(zhuǎn)化模型機(jī)理分析

該理論認(rèn)為：通過(guò)在底泥中摻入水泥（石灰）類固化材料，進(jìn)行混合攪拌，即通過(guò)對(duì)底泥固化過(guò)程中水分轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行分析。該機(jī)理為：底泥在沒(méi)有摻入固化材料時(shí)，底泥中的水分可分為礦物水、結(jié)合水和自由水3個(gè)部分，當(dāng)摻入固化材料并發(fā)生水化反應(yīng)后，發(fā)生變化的只是孔隙中的自由水，這部分自由水一部分因固化材料釋放熱量而被蒸發(fā)到空氣中，一部分轉(zhuǎn)換到水化產(chǎn)物中。同時(shí)該機(jī)理還表明：一是固化底泥的破壞模式由塑性向脆性轉(zhuǎn)化，固化底泥的脆性與結(jié)合水的量有關(guān)，由塑性向脆性轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在消化產(chǎn)物中的結(jié)合水量增長(zhǎng)率開(kāi)始減少的點(diǎn)上。二是固化底泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、變形系數(shù)、屈服應(yīng)力和粘聚力都與水化產(chǎn)物中的礦物水水量和結(jié)合水水量有關(guān)，且隨兩者的增加而增加。則固化底泥的破壞應(yīng)變、變形系數(shù)、初始孔隙比都將隨著水化產(chǎn)物中礦物水和結(jié)合水水量的增加而呈遞減趨勢(shì)。

3.2.2 基于骨架構(gòu)建模型機(jī)理分析

該理論認(rèn)為：固化是通過(guò)對(duì)底泥的骨架起到一定的支撐效應(yīng)和填充效應(yīng)。其中，骨架支撐效應(yīng)是指固化材料中的硅酸鈣類、鋁酸鈣類和鐵鋁酸鈣類等與水發(fā)生相應(yīng)的水解和水化反應(yīng)后，部分與周圍土顆粒結(jié)合后形成骨架，部分則與周圍具有一定活性的粘土顆粒發(fā)生反應(yīng)，也參與形成一定量的骨架。而固化對(duì)底泥的填充效應(yīng)，則表現(xiàn)為固化材料在水化反應(yīng)產(chǎn)生膠體形成骨架的同時(shí)，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)一步深入，溶液中析出大量的鈣離子，當(dāng)其數(shù)量超過(guò)離子交換所需量后，在堿性環(huán)境中，能使組成粘土礦物的二氧化硅及三氧化二鋁的一部分或大部分與鈣離子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，逐漸生成不溶于水的結(jié)晶化合物，這些結(jié)晶產(chǎn)物的產(chǎn)生，對(duì)底泥間的大量孔隙起到填充作用。

3.3 淤泥固化技術(shù)的運(yùn)用

由于疏浚出的底泥具有顆粒細(xì)、容量輕、有機(jī)質(zhì)含量高、含水率高等特點(diǎn)，若僅依靠堆場(chǎng)自然蒸發(fā)、滲透等自然干化措施，往往需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成相應(yīng)的固結(jié)。因此，淤泥處置與資源化利用的關(guān)鍵是如何有效地解決好淤泥的脫水問(wèn)題，通過(guò)采取人為措施加速降低其含水量，提高強(qiáng)度。同時(shí)，由于淤泥往往存在一定程度的污染，故對(duì)淤泥中含有的各種重金屬（如鉛、鎘、汞、鋅等）和有機(jī)污染物須進(jìn)行有效處理。目前，淤泥脫水主要措施有：物理方法、化學(xué)方法或復(fù)合干化法，在具體的底泥清淤工程中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況選擇相應(yīng)的底泥處置方式［2］。

物理處置法。即通過(guò)蒸發(fā)、滲透等作用，利用自然沉降、人工機(jī)械強(qiáng)化等物理措施降低淤泥的含水量，去除淤泥中多余的自由水，如：傳統(tǒng)的堆場(chǎng)干化和人工強(qiáng)化措施堆場(chǎng)排水、低位真空預(yù)壓法、加熱處理、拋填處理和機(jī)械脫水固結(jié)等，均是利用物理原理脫水。實(shí)踐表明，物理處理方法并不能去除污泥中的污染物質(zhì)，所以對(duì)于具有高污染性的疏浚淤泥，物理脫水固結(jié)后，仍需進(jìn)行污染源處理。

化學(xué)處置法。即通過(guò)向淤泥中添加固化材料，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)使其形成穩(wěn)定的固化物。固化后的產(chǎn)物具有較高的強(qiáng)度和較低的透水性，能夠封閉重金屬類的污染物和控制生物化學(xué)反應(yīng)物滋生的條件，最大程度地防止淤泥的二次污染。淤泥化學(xué)固化反應(yīng)過(guò)程主要有水解和酸性反應(yīng)、水化作用、碳酸化作用等。利用該技術(shù)處理后的淤泥具有強(qiáng)度可控、施工簡(jiǎn)便迅速等優(yōu)點(diǎn)，可使廢棄淤泥變?yōu)樵偕こ逃猛临Y源。

復(fù)合干化法。即將淤泥固化與余水處理融為一體的技術(shù)方法，通過(guò)在疏浚管道中添加高性能強(qiáng)氧化疏水劑與疏浚底泥電荷中和，實(shí)現(xiàn)毛細(xì)管水的分子級(jí)分離。復(fù)合干化法可以較為顯著地縮短疏浚排泥場(chǎng)的施工工期，但該技術(shù)屬于新型技術(shù)，固化成本高，現(xiàn)有的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)少，且施工不確定因素較多。

4 常見(jiàn)的生態(tài)清淤技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

4.1 生態(tài)清淤機(jī)械設(shè)備的主要性能

目前，生態(tài)清淤的施工機(jī)械設(shè)備主要有：旋挖式河道清淤船、新型多功能挖泥船和生態(tài)環(huán)保清淤船［3］，其相應(yīng)的性能分別表現(xiàn)為：

（1）旋挖式河道清淤船。即生態(tài)環(huán)保絞吸式清淤船，該船主要功能是通過(guò)攪動(dòng)河底表面20～40 cm的淤泥層，然后由污泥泵直接輸送到污泥水池。其特點(diǎn)是體積小，功效高，性價(jià)比高，較適應(yīng)城市中小河湖的生態(tài)環(huán)保清淤。

（2）新型多功能挖泥船。該船為多功能挖泥船，通過(guò)更換不同的施工設(shè)備（環(huán)保螺旋絞刀、吸泥頭、鏟斗和耙具）實(shí)現(xiàn)環(huán)保絞吸施工，完成吸泥、反鏟挖泥及水下垃圾收集。不同施工設(shè)備更換簡(jiǎn)便，挖泥施工擺動(dòng)區(qū)域較大，能滿足多種清淤施工方式的要求。此外，螺旋絞刀本身對(duì)淤泥擾動(dòng)小，絞刀周圍還可再加上防護(hù)罩，通過(guò)調(diào)整絞刀角度可對(duì)河道邊坡進(jìn)行施工。

（3）生態(tài)環(huán)保清淤船。是一種多功能環(huán)保絞吸船，以淤泥絞吸為主，集反鏟清淤、抓斗清淤、耙子清理河道垃圾，打樁作業(yè)，清理水面油污等多種功能于一體，且各功能在施工作業(yè)時(shí)可互相轉(zhuǎn)換，具有機(jī)動(dòng)靈活和應(yīng)用范圍廣的特性，特別適合于城市內(nèi)陸河湖水環(huán)境的綜合治理。

4.2 生態(tài)清淤的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

一是要在截住外污染源（包括點(diǎn)源和面源污染）的基礎(chǔ)上進(jìn)行。二是 在確定生態(tài)清淤的地點(diǎn)和范圍時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮河湖水體污染淤積嚴(yán)重區(qū)、重要城市的供水水源地取水口和重點(diǎn)風(fēng)景旅游區(qū)以及對(duì)河湖水生態(tài)影響較大的湖區(qū)（包括魚類繁殖場(chǎng)和水生植物基因庫(kù)）等，同時(shí)，清淤時(shí)需考慮設(shè)置200～300 m疏浚安全范圍。三是確定底泥薄層的精確疏浚深度，對(duì)底泥疏浚深度需進(jìn)行多參數(shù)（包括：湖體水文特征、底泥分布狀況和土工特征、底泥土壤水運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、營(yíng)養(yǎng)鹽含量和垂直分布特性、釋放系數(shù)、沉水植物種屬類型、生物學(xué)特性和根系分布等）的綜合分析與評(píng)估。應(yīng)嚴(yán)格控制疏浚深度誤差不大于10 cm，疏浚底泥擴(kuò)散距離不大于0.5 m，并為后續(xù)動(dòng)植物介入創(chuàng)造必要的生態(tài)環(huán)境條件。由于河湖沉水植物分布水深一般在0.8～1.8 m，因此，生態(tài)疏浚要控制疏浚后新形成的底泥表面高程，并由湖區(qū)向湖岸形成一定的緩坡?tīng)?，為沉水植物修?fù)繁衍創(chuàng)造湖底基質(zhì)條件。四是選擇生態(tài)疏浚設(shè)備時(shí)，應(yīng)首先考慮采用環(huán)保無(wú)擾動(dòng)型挖泥船，選擇疏浚設(shè)備依據(jù)的主要參數(shù)為：底泥密度小于1.8 g/cm2時(shí)可考慮采用環(huán)保絞吸式疏浚船；底泥密度大于1.8 g/cm2時(shí)可考慮采用環(huán)保斗輪式疏浚船。生態(tài)清淤疏浚為薄層精確疏浚，要求超疏深度不大于10 cm，底泥擴(kuò)散距離不大于0.5 m，表面平整度好，不漏疏或形成溝坎。五是劃定好相應(yīng)的水生物種區(qū)，當(dāng)已確定的疏浚區(qū)域較大時(shí)，應(yīng)考慮專門劃定一定面積的水生物種保護(hù)基因庫(kù)區(qū)，底泥疏浚完成后，以保護(hù)區(qū)物種基因庫(kù)為基點(diǎn)，力求在較短時(shí)間內(nèi)使疏浚區(qū)域內(nèi)物種得以恢復(fù)和繁衍。六是選定適宜河湖底泥疏浚期，生態(tài)疏浚作業(yè)的最佳疏浚期為冬初至春末，此時(shí)開(kāi)展疏?？勺龅绞≠M(fèi)高效，并可最大限度地去除水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)［4］。

5 存在的問(wèn)題和建議

5.1 存在問(wèn)題

河湖生態(tài)清淤見(jiàn)效快，并能夠增加河湖水體容量和提高河湖過(guò)水能力及挾沙率等優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足，使其大規(guī)模推廣受到限制：一是不僅底泥疏浚費(fèi)用高，且底泥疏浚后的后續(xù)資源化利用費(fèi)用也相當(dāng)高，從而限制了河湖底泥疏浚技術(shù)的有效開(kāi)展。二是河湖底泥生態(tài)清淤的精度和準(zhǔn)確度要求較高，河湖底泥生態(tài)清淤屬于精密的薄層疏浚，主要是挖走底層表面的污染物和部分過(guò)渡層的沉積物，疏挖不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致底質(zhì)中原有生態(tài)系統(tǒng)的破壞，從而使水質(zhì)更加惡化。三是河湖底泥生態(tài)清淤產(chǎn)生的淤泥還需進(jìn)一步處理，疏浚的底泥若處理不當(dāng)將可能再次污染水體。目前，提倡生態(tài)疏浚與資源化利用相結(jié)合，但在對(duì)底泥進(jìn)行資源化利用的同時(shí)也須考慮如何有效去除底泥中污染物質(zhì)。四是目前國(guó)內(nèi)幾乎所有的清淤工程都沒(méi)有開(kāi)展清淤區(qū)水體生態(tài)系統(tǒng)重建的影響研究，特別是對(duì)底棲生物的影響等研究在國(guó)內(nèi)外仍是一片空白，因此，需要建立必要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)方法，用來(lái)定量分析清淤工程對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度。

5.2 幾點(diǎn)建議

（1）國(guó)內(nèi)外都將河湖底泥生態(tài)清淤作為治理河湖富營(yíng)養(yǎng)化的一項(xiàng)主要措施，但河湖底泥自身對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化影響的程度以及底泥疏浚后對(duì)消除河湖水體富營(yíng)養(yǎng)化程度如何，至今在學(xué)術(shù)界尚有爭(zhēng)議。因此，河湖底泥生態(tài)清淤作為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化內(nèi)源治理的一種措施，不僅需從理論上進(jìn)一步研究和豐富，而且在實(shí)踐上應(yīng)慎用，只能將其作為修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)、改善水質(zhì)的一種輔助和補(bǔ)充方法。

（2）河湖底泥生態(tài)清淤是一項(xiàng)集工程、環(huán)境、生態(tài)等為一體的修復(fù)技術(shù)，涉及到眾多的學(xué)科領(lǐng)域，生態(tài)清淤實(shí)施過(guò)程中對(duì)河湖底泥疏浚的精度和疏浚設(shè)備的要求嚴(yán)格，與普通的工程疏浚有相當(dāng)大的差別。在具體地實(shí)施前期工作中，需多學(xué)科聯(lián)動(dòng)，多部門配合，方能將河湖底泥疏浚所產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)降至最低層面。

（3）河湖底泥生態(tài)疏浚完成前后，如何有效地開(kāi)展對(duì)底泥污染物和河湖水體的監(jiān)測(cè)、分析和評(píng)價(jià)，以便通過(guò)河湖底泥疏浚前后水體環(huán)境的對(duì)比，對(duì)河湖底泥疏浚的效果進(jìn)行評(píng)判，最終衡量河湖底泥疏浚的實(shí)際生態(tài)環(huán)境效果，是需要進(jìn)一步研究的課題。

［1］ 張?zhí)煜?，王仲旭，毛?yīng)淮.城市河流治理技術(shù)研究進(jìn)展［J］.中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，17（2）：73-75.

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