人工湖泊微生物灌漿的新型生態(tài)防滲技術(shù)研究

李 娜，趙 宇，李 凱，王麗娟

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院， 北京 100044)

近年來(lái)隨著宜居城市的提出，為營(yíng)造城市水景體系，許多大中小城市通過(guò)攔河筑湖或人工開(kāi)挖，構(gòu)建了不同大小規(guī)模的人工湖，如北京的頤和園和團(tuán)城湖、咸陽(yáng)的咸陽(yáng)湖、廣州的海珠湖和白云湖、上海的月湖和滴水湖等。這些利用洼地“人工”形成的水系，生態(tài)系統(tǒng)的平衡易受到外界的干擾，自我調(diào)控能力較差，易造成富營(yíng)養(yǎng)化、水質(zhì)惡化等生態(tài)問(wèn)題[1-3]。人工湖的生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅需要保證生物的多樣性，更需要提供適宜微生物群落和水生植物群落生存的生態(tài)環(huán)境，防滲處理設(shè)計(jì)是生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[4-6]。

具有生態(tài)功能的防滲方案不僅要減少湖水滲漏損失，節(jié)約水資源，優(yōu)化水資源配置，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，更要從根本上提高湖泊的生態(tài)自凈能力及自我修復(fù)能力，使生態(tài)環(huán)境的維持具有可持續(xù)性。生態(tài)防滲方案的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下因素：(1) 防滲標(biāo)準(zhǔn)適宜，防滲效果可滿足防滲要求；(2) 能營(yíng)造微生物和水生植物所需的生態(tài)環(huán)境，維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡；(3) 具備生態(tài)體系的生態(tài)功能和防滲功能之間的兼容性。因此為了滿足這些生態(tài)要求，良好的生態(tài)防滲技術(shù)應(yīng)滿足以下要求：

(1) 湖體的水體盡量流動(dòng)起來(lái)，不能形成一潭死水，應(yīng)能有充分的物質(zhì)交換，包括：湖面表層水的交換、湖底層水與地下水的交換和湖中微生物、浮游生物以及氧氣等物質(zhì)交換。

(2) 運(yùn)行期間或施工擾動(dòng)或干擾小，盡量減小對(duì)原有生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)或者有利于重新構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)，包括地層、水系和生物系統(tǒng)。

(3) 防滲體系采用的材料無(wú)污染，采用的材料天然環(huán)保和盡量使用原生環(huán)境的材料。

傳統(tǒng)的防滲措施主要采用混凝土防滲墻、混凝土鋪砌、土工膜和具有一定環(huán)保的膨潤(rùn)土毯、黏土等直接防滲，隔斷了大部分水分的交換和流動(dòng)，微生物和水生生物不易生存，水體容易惡化，自凈的能力差，導(dǎo)致人工湖泊起不到景觀和生態(tài)等方面應(yīng)有的功能[7-8]。結(jié)合某人工湖的防滲設(shè)計(jì)實(shí)例，在分析傳統(tǒng)防滲措施的生態(tài)影響基礎(chǔ)上，提出了以微生物灌漿為主的新型生態(tài)防滲體系，以達(dá)到防滲與生態(tài)之間的平衡，使得人工湖呈現(xiàn)水清岸綠的自然生態(tài)之美，為類似工程的防滲設(shè)計(jì)提供參考。

1 傳統(tǒng)的人工湖泊防滲方案

人工湖的防滲方案大多采用灌漿帷幕、混凝土板(墻)、土工材料加蓋重、黏土水平鋪蓋等結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行防滲，兼顧人工湖的生態(tài)環(huán)境保護(hù)。不同的防滲方案具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)(見(jiàn)表1)。

表1 常規(guī)防滲方案及其優(yōu)缺點(diǎn)

復(fù)合土工材料近幾年在人工湖防滲工程中得到了廣泛應(yīng)用[9]。以某人工湖泊為例，以土工膜、混凝土襯砌和膨潤(rùn)土毯為主的綜合防滲體系見(jiàn)圖1。

圖1以土工膜、混凝土襯砌和膨潤(rùn)土毯為主的綜合防滲體系

該人工湖底地質(zhì)結(jié)構(gòu)以黏土—砂礫結(jié)構(gòu)為主，下伏基巖未揭露。地下水位埋深約9 m～19 m。湖底位于卵礫石層，滲透系數(shù)約為200 m/d，具強(qiáng)透水性，采用以土工膜、混凝土襯砌和膨潤(rùn)土毯為主的綜合防滲體系。

該綜合防滲體系以土工膜、混凝土襯砌和膨潤(rùn)土毯為主，防滲效果可靠，滲漏量小，如不考慮回灌措施，經(jīng)三維有限元滲流計(jì)算，該人工湖總滲漏量為43 m3/d。

在水量保證情況下，岸坡和周邊濕地生態(tài)環(huán)境良好，湖面上的水生態(tài)環(huán)境能滿足要求；湖底淤泥2 m～4 m范圍內(nèi)由于采用土工膜、混凝土襯砌等防滲后基本不透水，隔絕了大部分水分的交換和流動(dòng)，湖底層的水分流動(dòng)較慢，容易水質(zhì)變差，需要進(jìn)行定期換水等；防滲體下的地層完全隔絕了與上部水體的水分和物質(zhì)交換，水動(dòng)力循環(huán)和物質(zhì)生態(tài)循環(huán)被人為截?cái)?，再加上該區(qū)域的地下水位低，該區(qū)域的土壤可能處于缺水狀態(tài)，不能滿足土壤生態(tài)環(huán)境的最低需水量。雖然采取了地下水回灌措施補(bǔ)充，但地下水回灌只能從岸坡處點(diǎn)狀回灌、地下水位較低、砂卵石層滲透系數(shù)大等因素，經(jīng)三維滲流計(jì)算，回灌水滲流范圍有限，湖底防滲體下的大部分區(qū)域不會(huì)存在回灌的流水。

在施工過(guò)程中需要挖開(kāi)地層，鋪設(shè)土工膜或澆筑混凝土。土工膜一般在30 a～50 a后就會(huì)分解、破損，失去其防滲的功用，且無(wú)法修補(bǔ)，只能疏干水分、翻挖地層重修鋪設(shè)。

2 以微生物灌漿為主的新型生態(tài)防滲體系

2.1 微生物灌漿技術(shù)

微生物在大自然中通過(guò)不同的生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程可以誘導(dǎo)形成碳酸鈣沉積，比如尿素水解、硫酸鹽還原、脂肪酸發(fā)酵、反硝化作用等[10-12]。微生物灌漿技術(shù)是通過(guò)鉆孔向地層中灌注微生物漿液，使微生物漿液在灌漿壓力的作用下向鉆孔的四周呈徑向擴(kuò)散到地層空隙中，通過(guò)微生物新陳代謝過(guò)程中的產(chǎn)物碳酸鈣來(lái)填充地層空隙，并固結(jié)進(jìn)而提高該區(qū)域土層的強(qiáng)度、減小滲水率，實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)防滲加固，微生物漿液產(chǎn)物碳酸鈣結(jié)晶體與砂粒結(jié)合的掃描電鏡圖及能譜分析圖見(jiàn)圖2、圖3。已有的研究表明，微生物灌漿加固砂土，抗壓強(qiáng)度可達(dá)到22.06 MPa，灌后滲透系數(shù)可減少到<5×10-6cm/s，微生物加固后的砂柱效果和大體積砂土加固效果見(jiàn)圖4。微生物灌漿同傳統(tǒng)灌漿技術(shù)一樣，可通過(guò)調(diào)整灌漿參數(shù)(如孔間距、壓力、次數(shù)等)控制土層的灌漿效果滿足不同的生態(tài)要求。

圖2 掃描電鏡分析

圖3結(jié)晶體能譜分析

2.2 微生物灌漿材料

為維護(hù)工程現(xiàn)場(chǎng)的生態(tài)穩(wěn)定，可從施工地點(diǎn)篩選并培養(yǎng)具有誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀功能的菌種，如廣泛存在于各種地層中的巴氏芽孢桿菌、枯草桿菌-Ⅱ等碳酸鹽礦化菌，選用合適的培養(yǎng)基或培養(yǎng)液及培養(yǎng)環(huán)境進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)形成微生物菌液；根據(jù)菌種類別確定合適的鈣液：硝酸鈣、氯化鈣、乙酸鈣等含鈣離子有機(jī)物與尿素的混合液。

根據(jù)地層可灌性，將微生物菌液和鈣液配制成A液和B液，或者混合成微生物漿液(見(jiàn)圖5)。

(a) 砂柱(b) 砂土

圖4 微生物加固后的砂柱效果和大體積砂土加固效果

圖5微生物材料

2.3 新型生態(tài)防滲體系

該人工湖基底為砂卵石層、砂土層，滲透系數(shù)大、蓄水能力差，新型生態(tài)防滲技術(shù)基于保護(hù)人工湖水體生態(tài)功能及維持人工湖周邊巖土層生態(tài)穩(wěn)定，將工程措施和生態(tài)效應(yīng)結(jié)合起來(lái)考慮，不僅能起到防滲功能，而且不影響水體的生態(tài)功能。該人工湖具體的設(shè)計(jì)防滲方案為：垂直防滲結(jié)合水平防滲板形成完整、封閉的防滲體系(見(jiàn)圖6)。

圖6以微生物灌漿為主的新型生態(tài)防滲體系

(1) 垂直防滲采用以微生物漿液為主的灌漿帷幕。垂直防滲地層包含填土層、粉土層和砂卵石層，設(shè)計(jì)灌漿厚度4 m(2排帷幕)，灌漿深度8 m(到達(dá)湖底下方2 m～3 m處)，設(shè)計(jì)滲透率為5×10-6cm/s。

填土層和粉土地層內(nèi)孔隙小，可灌性差，微生物菌液、鈣液的黏度接近于水，可將兩者依次灌入地層；砂卵石地層內(nèi)孔隙較大，采用微生物漿液結(jié)合黏土漿混合灌注：即先采用黏土漿液(可加5%～10%的水泥)填充較大的孔隙，再灌注微生物菌液和鈣液的混合漿液。

(2) 水平防滲采用微生物漿液結(jié)合部分黏土漿形成水平防滲板。已有研究表明，湖底0 m～4 m深度是最活躍的原生態(tài)環(huán)境區(qū)域，防滲體應(yīng)遠(yuǎn)離湖底的該區(qū)域，水平防滲灌漿位置為湖底下方4.5 m～9 m范圍，地層為砂卵石層，帷幕厚度設(shè)計(jì)為4.5 m，灌后滲透率為5×10-6cm/s；所處砂卵石層孔隙大，采用微生物漿液結(jié)合黏土漿混合灌注。

3 三維滲流分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)和資料，砂卵石層滲透系數(shù)約為200 m/d，湖泊總滲流量約為1.5×105m3/d，用MIDAS三維滲流程序反演地層參數(shù)，可得砂卵石層滲透系數(shù)取為7×10-2cm/s，上層砂土體滲透系數(shù)為3×10-3cm/s。穩(wěn)定滲流期，設(shè)計(jì)正常水位為49 m，湖底高程為44 m，水位深5 m。灌漿帷幕布置2排，孔排距均為2 m，垂直帷幕體厚度為4 m，水平帷幕體厚度為4.5 m。利用MIDAS軟件，按照給定的截面尺寸，建立相應(yīng)的計(jì)算模型(見(jiàn)圖7)，基于對(duì)稱性，取湖泊的一半進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析(見(jiàn)圖8～圖10)。

圖7 計(jì)算模型圖

圖8 總水頭分布圖

圖9 壓力水頭分布圖

圖10水力坡降分布圖

由表2可見(jiàn)，當(dāng)帷幕體滲透系數(shù)為5×10-6cm/s時(shí)，最大水力坡降為2.52，總滲漏量為1 465.2 m3/d，與未防滲時(shí)相比減小了98%，滿足人工湖的防滲要求，且新型生態(tài)防滲技術(shù)可以達(dá)到此灌漿效果。

表2 不同滲透系數(shù)滲流計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4 生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)及需水量分析

4.1 生態(tài)需水量分析

生態(tài)環(huán)境需水量是指特定的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)在一定的時(shí)空條件下發(fā)揮期望生態(tài)環(huán)境功能所需要的一定水質(zhì)的水資源量(包括地表水資源、地下水資源和土壤水資源量)。根據(jù)該人工湖的生態(tài)環(huán)境功能認(rèn)為其生態(tài)環(huán)境需水量主要包括：湖泊蒸發(fā)需水量、湖泊滲漏量、維持湖泊生態(tài)景觀需水量和湖泊凈化需水量[13]。

(1) 滲漏量。采用防滲處理后滲流量為1 465.2 m3/d，合計(jì)為53萬(wàn)m3/a。

(2) 蒸發(fā)量。水面面積約15 hm2，按該地區(qū)年蒸發(fā)量為20萬(wàn)m3。

(3) 湖泊生態(tài)景觀需水量。城市人工湖泊內(nèi)少有珍稀物種，鳥(niǎo)類也極少作為棲息地，可認(rèn)為在保證自身存在需水量基礎(chǔ)上，能滿足生物棲息地的需要。

(4) 湖泊凈化需水量。水質(zhì)較佳，通過(guò)灌注具有凈化水體能力的特定微生物后，提高水體的自凈能力，湖泊凈化需水量較小。

考慮其本身的蓄水量，初步估計(jì)該人工湖最小生態(tài)需水量約為135萬(wàn)m3/a。

4.2 生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)

生態(tài)環(huán)境的評(píng)價(jià)可將該人工湖按照不同的區(qū)域分成以下幾個(gè)部分進(jìn)行考慮。

(1) 湖泊岸帶及湖面。湖泊岸帶是指高低水位之間的湖床及高水位之上直至湖水影響完全消失為止的地帶。湖泊岸帶生態(tài)系統(tǒng)是湖泊生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間進(jìn)行物質(zhì)、能量信息交換的生態(tài)過(guò)渡帶。經(jīng)過(guò)防滲處理后，湖泊蓄水后湖泊岸帶及湖面的水量能滿足生態(tài)環(huán)境的要求。

(2) 湖底。湖底是湖泊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的主要場(chǎng)所，是湖泊生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。通過(guò)大氣沉降、入湖徑流等方式，外源污染物匯入水體，其中大部分污染物會(huì)在底泥中蓄積，在一定條件下蓄積的污染物會(huì)向上覆水體釋放，成為影響湖泊水質(zhì)的內(nèi)源污染物。在外源污染得到有效控制后，湖泊底泥過(guò)多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(氮、磷、有機(jī)物等)重新進(jìn)入水體，是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的二次污染源。湖底防滲采用土工膜后，不能保證適當(dāng)?shù)乃至鲃?dòng)和交換量， TN、TP的濃度將會(huì)提高，加大了水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 湖底防滲體外地層。湖底的土工膜隔斷了湖底土壤中的氧氣與水分與防滲體下土體的交換，對(duì)好氧微生物的繁殖有一定影響。對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)而言, 土壤水是生態(tài)環(huán)境需水的重要組成要素，湖底防滲體下土壤需要的水分需要保持一定的范圍值以維持生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。計(jì)算土壤生態(tài)需水量時(shí)常用的指標(biāo)為田間持水量或飽和持水量體積百分比α，根據(jù)土壤的級(jí)別或類型劃分，最小取20%～30%,在此條件下，計(jì)算地層中土壤的年需水量[14]：

Qs=αsHsAs

(1)

式中：Qs為年土壤生態(tài)需水量；Hs為土壤的厚度；As為土壤的滲水面積。

根據(jù)土壤的蓄水能力劃定土壤的生態(tài)需水量級(jí)別如表3所示。

表3 土壤生態(tài)需水量等級(jí)劃分方法

采用防滲處理后，通過(guò)防滲體滲入地層的滲漏量應(yīng)滿足土體的年土壤需水量要求。按照經(jīng)驗(yàn)值估算，新型生態(tài)防滲技術(shù)通過(guò)調(diào)整帷幕厚度和灌漿孔排距可使地層滲漏量滿足地層生態(tài)環(huán)保需水量法的較小—優(yōu)等類別。土工膜-混凝土襯砌等防滲體形成后由于其滲透系數(shù)小、防滲標(biāo)準(zhǔn)過(guò)高，地層的滲漏量很小，滲漏量難以滿足最小的地層生態(tài)環(huán)保需水量。

5 結(jié) 論

結(jié)合某人工湖的防滲設(shè)計(jì)實(shí)例，在分析傳統(tǒng)防滲措施的生態(tài)影響基礎(chǔ)上，提出了以微生物灌漿為主的新型生態(tài)防滲體系，以達(dá)到防滲與生態(tài)之間的平衡，使得人工湖呈現(xiàn)水清岸綠的自然生態(tài)之美，可為類似工程的防滲設(shè)計(jì)提供參考。

(1) 防滲體系上方的湖底和下方地層是防滲體系建成后生態(tài)環(huán)境受影響最大的區(qū)域，要求一定的均勻滲水量來(lái)維持生態(tài)環(huán)境中的水動(dòng)力循環(huán)和生態(tài)循環(huán)。采用以微生物灌漿為主的新型生態(tài)防滲體系滿足地層的滲透穩(wěn)定性要求，滲漏量相比于防滲前減少了98%，同時(shí)滿足該人工湖泊各區(qū)域的生態(tài)需水量。

(2) 與以土工膜、混凝土襯砌和膨潤(rùn)土毯為主的綜合防滲體系方案相比，新型生態(tài)防滲體系在防滲效果滿足工程要求的條件下，具有對(duì)生態(tài)環(huán)境更有利、外來(lái)污染更少、耐久性更可靠和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

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