田杰

（山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002）

高頻振動(dòng)取芯系統(tǒng)在冊(cè)田水庫(kù)底泥取樣中的應(yīng)用

田杰

（山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002）

在冊(cè)田水庫(kù)底泥污染治理項(xiàng)目中，采用高頻振動(dòng)取芯系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)底泥進(jìn)行取樣，對(duì)采集的巖芯樣品進(jìn)行了地質(zhì)編錄、巖芯采樣、運(yùn)輸、保管、化學(xué)分析。并對(duì)水庫(kù)底泥取樣提出了合理建議。實(shí)踐證明，高頻振動(dòng)取芯系統(tǒng)可在類似水利工程作業(yè)中推廣應(yīng)用。

高頻振動(dòng)取芯系統(tǒng)；底泥污染；底泥取樣

1 工程概況

冊(cè)田水庫(kù)位于桑干河中上游，山西省大同縣西冊(cè)田村北，屬于海河流域永定河水系，距大同市區(qū)約60 km。壩址以上控制流域面積16 700 km2（包括上游趙家窯、下米莊、薛家營(yíng)、東榆林、鎮(zhèn)子梁、恒山、十里河等七座中型水庫(kù)，流域面積6 618 km2），占下游北京市官?gòu)d水庫(kù)流域面積的38.5%，其中石山區(qū)3 815 km2，平川區(qū)5 260 km2。干流縱坡1.9%，流域多年平均降水量400 mm。庫(kù)總?cè)莘e5.8億m3，其中，死庫(kù)容3.6億m3，調(diào)洪庫(kù)容1.63億m3，現(xiàn)壩前淤積高程944.2 m。水庫(kù)始建于1958年3月，1960年攔洪。建庫(kù)以來(lái)，多年平均徑流量3.3億m3，平均輸沙量1 200萬(wàn)t，年均淤積725萬(wàn)m3。

冊(cè)田水庫(kù)防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇，下游河道為20年一遇，設(shè)計(jì)汛限水位956 m，是一座集城市用水、防洪、灌溉及養(yǎng)殖綜合利用的多年調(diào)節(jié)大型水庫(kù)。

水體底泥污染是世界范圍內(nèi)的一個(gè)環(huán)境問(wèn)題，污染物通過(guò)大氣沉降、廢水排放、雨水淋溶與沖刷進(jìn)入水體，最后沉積到底泥中并逐漸富集，使底泥受到嚴(yán)重污染。底泥中主要的污染物有重金屬、營(yíng)養(yǎng)元素、難降解有機(jī)物。為了研究排入水體的污染物在底泥中的積累、分布、轉(zhuǎn)化和遷移的規(guī)律，需要對(duì)水庫(kù)底泥樣品進(jìn)行采集。

目前，大同3 528廠近四十年的嚴(yán)重污染，影響了桑干河干流及下游冊(cè)田水庫(kù)水質(zhì)，因此有必要對(duì)水庫(kù)底泥污染情況進(jìn)行取樣調(diào)查，并采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理。

2 取樣方案

底泥的正確采集在水體環(huán)境研究和底泥污染分析評(píng)價(jià)中有十分重要的意義；收集非代表性底泥或不正確采集底泥樣品，不僅勞民傷財(cái)，而且會(huì)造成錯(cuò)誤的結(jié)論。因此，選擇良好、實(shí)用的底泥芯樣采集器對(duì)水庫(kù)底泥采樣，是污染分析的關(guān)鍵。

對(duì)冊(cè)田水庫(kù)的水面、水面萎縮后形成的沙灘和農(nóng)田進(jìn)行了實(shí)地考察，并通過(guò)水底聲納掃描，調(diào)查了解水底地形地貌及淤泥結(jié)構(gòu)等情況。從聲吶數(shù)據(jù)來(lái)看在頂層淤泥中有一條明顯的分界線，說(shuō)明分界線上下沉積泥的性質(zhì)完全不同，才會(huì)出現(xiàn)明顯的分界。根據(jù)分析白線以上是較為疏松的淤泥質(zhì)粉質(zhì)組成，白線以下逐步變?yōu)榫o密沉積的粉細(xì)沙組成。上層疏松的淤泥質(zhì)粉質(zhì)的厚度大約在1～1.4 m左右，接近庫(kù)尾逐步減小至0.5 m左右。從整體掃描數(shù)據(jù)來(lái)看，沉積底泥的組成結(jié)構(gòu)變化不大，壩前沉積淤泥較厚。

在分析前期調(diào)查數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，研究制定了淤泥采樣方案。由于淤泥沉積較厚，只有采用柱狀樣采樣方案才能夠分析出沉積淤泥污染物的分布情況。需要采集的樣品分為水下沉積淤泥樣品、沙灘樣品和農(nóng)田樣品三種。重點(diǎn)為水下沉積淤泥樣品。

對(duì)于水下淤泥和沙灘沙土應(yīng)通過(guò)柱狀樣進(jìn)行采樣，因?yàn)樾枰杉臉悠分饕獮樗鲁练e淤泥，采樣器使用高頻振動(dòng)取芯系統(tǒng)。

高頻振動(dòng)取芯系統(tǒng)是一款既可以運(yùn)用于沙灘沙土采樣也可以運(yùn)用于水下淤泥取樣的采樣器。

高頻振動(dòng)取芯系統(tǒng)由加重高頻振動(dòng)頭，樣芯管連接器，樣芯管，并可以配置PVC樣芯內(nèi)承管。該裝置可以在很短的時(shí)間內(nèi)手工安裝完成。振動(dòng)取芯系統(tǒng)，能夠快速鉆穿（因此能保證巖芯質(zhì)量）所有常見(jiàn)未固結(jié)的沉積地層，包括致密砂巖、硬粘土巖和未固結(jié)的石灰?guī)r等。

3 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

對(duì)采集的巖芯樣品進(jìn)行地質(zhì)編錄、巖芯采樣、運(yùn)輸、保管、化學(xué)分析。

鉆探施工開(kāi)始后，地質(zhì)編錄人員隨施工進(jìn)度在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)進(jìn)行巖芯編錄。首先檢查巖芯擺放有無(wú)拉長(zhǎng)，順序有無(wú)顛倒等；然后開(kāi)始詳細(xì)記錄，內(nèi)容包括鉆孔編號(hào)、位置、深度、巖性描述取樣位置及樣號(hào)等。

試驗(yàn)樣品從巖芯中采集，采取方法采用連續(xù)采樣法。取樣原則為不同層位變層采樣；相同層位間隔0.5 m左右采樣。樣品采集好后，由專人逐項(xiàng)檢查、核對(duì)。對(duì)采樣孔號(hào)、采樣深度、樣品描述、樣品總數(shù)、采樣時(shí)間、采樣人等如實(shí)記錄。樣品包裝使用可密封的塑料袋，樣品保存使用冷藏柜，溫度不高于4℃。

從野外采集回的樣品經(jīng)登記，核對(duì)，編號(hào)后，將樣品攤在聚乙烯塑料盤(pán)中，在通風(fēng)避光的室內(nèi)自然風(fēng)干，經(jīng)磨細(xì)至200目，混勻，分裝，制成待測(cè)樣品送到檢測(cè)室。

樣品檢測(cè)采用內(nèi)部監(jiān)控和外部比對(duì)的質(zhì)量控制辦法。內(nèi)部監(jiān)控首先采用組內(nèi)檢測(cè)人員平行檢測(cè)，自檢率達(dá)100%，并在每30個(gè)樣品中加插4個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控；其次按不同鉆孔、深度、地層層位，均勻合理選取內(nèi)檢樣品，并由不同人員重復(fù)檢測(cè)，內(nèi)檢樣品占樣品總數(shù)的20%，準(zhǔn)確度和精密度符合規(guī)范要求。

在外部比對(duì)質(zhì)量控制上，項(xiàng)目部從全部樣品中隨機(jī)抽取10個(gè)樣品，送國(guó)土資源部太原礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中芯檢測(cè)，檢測(cè)后的數(shù)據(jù)，與基本分析數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，系統(tǒng)誤差滿足置信度95%的要求。

4 結(jié)論和建議

在現(xiàn)場(chǎng)取樣中因?yàn)樾枰谒嬉陨线M(jìn)行作業(yè)，因此要搭建較為穩(wěn)定的作業(yè)平臺(tái)，保證作業(yè)人員安全及取樣設(shè)備正常工作，平臺(tái)可采用簡(jiǎn)易船體搭建，外側(cè)固定浮筒以增加浮力。

目前，大于5 m深的水下淤泥取芯樣的采取并進(jìn)行分層分析在國(guó)內(nèi)并不多見(jiàn)。此次采樣選用了加拿大維克輕便型高頻震動(dòng)鉆機(jī)。該取樣系統(tǒng)用6.5 Ps的汽油機(jī)作為動(dòng)力，振動(dòng)頭產(chǎn)生每分鐘7 000～12 000次的震動(dòng)頻率，當(dāng)振動(dòng)頻率與地層的自然諧振頻率疊合時(shí)，能把極大的能量直接傳遞給鉆頭。高頻振動(dòng)作用使鉆頭以切削、剪切、斷裂的方式鉆進(jìn)地層中，甚至還會(huì)引起周圍土粒液化，讓鉆進(jìn)變得非常容易。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)可以看出，高頻振動(dòng)取芯系統(tǒng)適合水下泥沙層、軟巖或淤泥等沉積物環(huán)境的鉆探取樣。特別適合水庫(kù)、河流、湖泊水下沉積物無(wú)擾動(dòng)取樣。同時(shí)該鉆機(jī)鉆進(jìn)速度快，能夠達(dá)到1.5 m/min，鉆進(jìn)施工安全性好、適應(yīng)地層范圍廣、能夠進(jìn)行連續(xù)取樣，保證采集到不被擾動(dòng)的樣品，并且鉆進(jìn)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生二次污染。

維克鉆機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)新穎、性能可靠，代表了世界先進(jìn)技術(shù)；設(shè)備操作簡(jiǎn)單，通過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)就可以掌握，易損件少、維修方便；同時(shí)，設(shè)備整機(jī)重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，適合地形陡峭、交通不便地區(qū)和狹小區(qū)域開(kāi)展工作，運(yùn)輸成本非常低，同時(shí)也方便在水面開(kāi)展作業(yè)?？稍谕惞こ虒?shí)踐中推廣應(yīng)用。

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1004-7042（2017）04-0030-02

田杰（1980-），男，2002年畢業(yè)于太原理工大學(xué)水利工程專業(yè)，工程師。

2016-02-03；

2016-03-15