利用疏浚底泥制備生態(tài)護(hù)岸材料在河道原位生態(tài)治理中的應(yīng)用

田 旭，何貴堂，王 鐵，孫即梁，李默挺，董家晏，季福志

(1. 堡森〈上?！淡h(huán)境工程有限公司，上海 200441；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院〈集團(tuán)〉有限公司，上海 200990； 3.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200992)

生態(tài)護(hù)岸，兼有動(dòng)植物棲息生長(zhǎng)和工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，能為各種水生生物提供生存和繁衍的空間，同時(shí),對(duì)提高生物多樣性、治理水土流失、穩(wěn)定河岸、增強(qiáng)河流自凈能力以及改善河流水環(huán)境等具有顯著的邊緣效應(yīng)[1]。生態(tài)型河道概念在國(guó)外發(fā)展時(shí)間較早，英國(guó)采用了“近自然河道”設(shè)計(jì)技術(shù)，例如，在最繁忙的蘭戈倫運(yùn)河航道上，采用生態(tài)效益較好的椰子纖維卷生態(tài)護(hù)岸技術(shù)[2]。荷蘭強(qiáng)調(diào)河流生態(tài)修復(fù)與防洪的結(jié)合，提出了“給河流以空間”的理念，試圖從河流管理的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)“與自然同在”的想法[3]。1989年美國(guó)提出了“生態(tài)工程學(xué)”(ecological engineering)的概念，并從20世紀(jì)90年代以來(lái)，將河道生態(tài)修復(fù)作為水資源開(kāi)發(fā)的必須考察項(xiàng)目，且取得了很大的成果[4]。20世紀(jì)90年代日本開(kāi)展了“創(chuàng)造多自然型河川計(jì)劃”，采取了放任自流的方式來(lái)恢復(fù)河流景觀：堤壩改用天然的石塊鋪筑，提供了動(dòng)植物生存的環(huán)境，使河流恢復(fù)了自然生態(tài)的景觀[5]。

當(dāng)前土壤生物工程護(hù)岸技術(shù)已經(jīng)成為歐美國(guó)家主要的護(hù)岸形式，已經(jīng)成功應(yīng)用到許多河流保護(hù)工程中[6]。近年來(lái), 國(guó)內(nèi)對(duì)中小河道綜合整治中的生態(tài)護(hù)岸技術(shù)研究有很大進(jìn)展，肖紅霞[7]對(duì)已有的河道緩沖帶生態(tài)護(hù)岸模式進(jìn)行了研究，并在功能和用材上進(jìn)行了歸納和總結(jié)。王貞[8]總結(jié)了適宜鄉(xiāng)土植物介入的城市河流生態(tài)護(hù)岸的范圍以及生態(tài)景觀設(shè)計(jì)的策略，首次提出了以鄉(xiāng)土低矮植物介入城市河流護(hù)岸的方法來(lái)營(yíng)建安全健康、環(huán)境友好、美觀親民的生態(tài)水利工程景觀的理念。

崇明中小河道眾多，水流侵蝕岸坡較普遍，底泥含沙量高，因此，傳統(tǒng)中小河道整治多采取河道疏浚清淤、水陸交接處打混凝土板樁、密排木樁等剛性材料作護(hù)岸，這類硬質(zhì)護(hù)岸的優(yōu)點(diǎn)是抗水流沖刷、邊坡穩(wěn)定性好、能發(fā)揮河道疏洪排澇的作用。但由于硬質(zhì)護(hù)岸在涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)、營(yíng)造動(dòng)植物棲息環(huán)境等功能方面缺失，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大負(fù)面影響，導(dǎo)致護(hù)岸生態(tài)功能缺失。同時(shí)，疏浚清淤產(chǎn)生巨量淤泥，運(yùn)輸處理成本高、堆放占用有效土地資源，且易對(duì)堆場(chǎng)周圍土壤、空氣環(huán)境等產(chǎn)生二次污染[1]。崇明目前在建“世界級(jí)生態(tài)島”，本文使用ISER技術(shù)將疏浚底泥原位制作生態(tài)護(hù)岸、護(hù)坡，進(jìn)行河道基礎(chǔ)重建和生態(tài)恢復(fù)，達(dá)到疏浚底泥“取之于河，用之于河”的生態(tài)目標(biāo)，具有顯著的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 疏浚底泥生態(tài)護(hù)岸參數(shù)設(shè)計(jì)和性能測(cè)試

1.1 疏浚底泥的理化性質(zhì)

試驗(yàn)所用底泥采集自向化鎮(zhèn)某河道，一般取河底表層0～30 cm的沉積物。對(duì)采集回來(lái)的底泥進(jìn)行自然風(fēng)干，測(cè)試底泥粒徑，大部分集中在5～75 μm，屬于粉質(zhì)黏土。其主要理化性質(zhì)和重金屬含量如表1～表3所示。

表1 疏浚底泥基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic Physical and Chemical Properties of Dredged Sediments

表2 試驗(yàn)疏浚底泥化學(xué)成分Tab.2 Chemical Composition of Tested Sediments

表3 試驗(yàn)疏浚底泥中主要重金屬含量(單位：mg/kg)Tab.3 Content of Main Heavy Metals in Tested Sediments(Unit: mg/kg)

1.2 疏浚底泥生態(tài)護(hù)岸配合比設(shè)計(jì)

原位利用疏浚底泥制備生態(tài)護(hù)岸材料配合比設(shè)計(jì)如表4、表5所示。

表4 疏浚底泥制備生態(tài)護(hù)岸目標(biāo)參數(shù)設(shè)計(jì)Tab.4 Designed Target Parameters of Ecological Revetment after Solidified Sediments

表5 疏浚底泥制備生態(tài)護(hù)岸配合比設(shè)計(jì)Tab.5 Mix Proportion Design of Ecological Revetment after Solidified Sediments

1.3 疏浚底泥生態(tài)護(hù)岸主要性能指標(biāo)測(cè)試

1.3.1 固化泥抗剪強(qiáng)度分析

疏浚底泥固結(jié)以后用于河道護(hù)岸結(jié)構(gòu)體，應(yīng)具有一定的抗剪切能力，即抗滑移性?？辜羟袕?qiáng)度是指在外力作用下，一部分土體對(duì)另一部分土體產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)具有的抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度。由土顆粒之間的內(nèi)摩擦角φ及膠結(jié)物和束縛水膜的分子所產(chǎn)生的凝聚力c這2個(gè)參數(shù)作為土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)，利用三軸壓縮固結(jié)不排水試驗(yàn)方法對(duì)所制得底泥材料的內(nèi)摩擦角和凝聚力進(jìn)行測(cè)量，不同齡期的c、φ值如表6所示。

表6 疏浚底泥不同齡期的c、φ值Tab.6 Value c and φ of Solidified Sediments in Different Curing Time

材料的抗剪切力是坡岸抗侵蝕和穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[3]。一般認(rèn)為，表層和淺層的土壤剪切力值越高，坡岸表面滑坡的可能性越小，穩(wěn)定性越高[4]。由表6中疏浚底泥不同齡期的c、φ值可知，疏浚底泥經(jīng)固結(jié)后抗剪切性能改善顯著，并隨疏浚底泥固結(jié)體齡期的增加而增大；隨著后期植被生長(zhǎng)，植被根系進(jìn)入固結(jié)體后，在植被根系協(xié)同作用下，生態(tài)護(hù)岸的抗剪切強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，岸坡的抗滑移性和穩(wěn)定性得到顯著改善。

1.3.2 固化泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

將疏浚底泥和固結(jié)劑、添加劑按表2～表5配比混合攪拌，使用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試模制備疏浚底泥生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)體試塊，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后將其放置于電腦全自動(dòng)水泥抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)上，以0.03～0.15 kN/s的速度均勻連續(xù)地對(duì)試件加壓至試件破壞，記錄破壞荷載P。利用式(1)計(jì)算出試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

f=P/A

(1)

其中：f——無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；

P——破壞時(shí)最大力，N；

A——試件的承壓面積，mm2。

材料抗壓強(qiáng)度是坡岸穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。一般認(rèn)為，土壤的固結(jié)強(qiáng)度值越高，坡岸下沉垮塌的可能性越小，穩(wěn)定性越高。由表7中疏浚底泥不同齡期的固結(jié)強(qiáng)度值可知，當(dāng)疏浚底泥外摻固結(jié)劑為7%、秸稈粉為2%、樹(shù)脂粉為1%時(shí)，其固結(jié)強(qiáng)度隨齡期的增加逐漸升高；且固結(jié)體的28 d抗壓強(qiáng)度為0.92 MPa，符合表7設(shè)計(jì)要求。

表7 疏浚底泥不同齡期無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度值Tab.7 Unconfined Compressive Strength of Solidified Sediments in Different Curing Time

1.3.3 固化泥干密度和孔隙率

疏浚底泥生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)體的干密度與其孔隙率關(guān)系密切，通過(guò)測(cè)量利用疏浚底泥固結(jié)制備出的生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)體的孔隙率和干密度，分析對(duì)比孔隙率干密度之間的關(guān)聯(lián)性能。

由表8可知，疏浚底泥固結(jié)體干密度為1.2 g/cm3、孔隙率為31%，符合表2～表4設(shè)計(jì)要求；高孔隙率能有效增加疏浚底泥固結(jié)體的比表面積，為河道微生物群落繁殖提供良好的載體，并為水陸能量和物質(zhì)交換提供良好通道。

表8 疏浚底泥制備生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)體干密度和孔隙率值Tab.8 Dry Density and Porosity Value of Solidified Sediments Used in Ecological Revetment

1.3.4 固化泥的重金屬浸出安全性

對(duì)制備出的疏浚底泥生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)體進(jìn)行重金屬浸出試驗(yàn)，測(cè)量其浸出液是否滿足國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，探究其環(huán)境安全性。根據(jù)《固體廢物浸出毒性浸出方法-醋酸緩沖溶液法》(HJ/T 300—2007)進(jìn)行測(cè)定，浸出液使用Optima 8000 ICP—OES(PerkinElmer公司)測(cè)定分析重金屬含量。疏浚底泥固結(jié)體重金屬浸出濃度與國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果如表2～表9所示。

對(duì)疏浚底泥固化體進(jìn)行重金屬浸出試驗(yàn)，由表9可知，各重金屬浸出濃度均遠(yuǎn)小于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)和《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)中各重金屬濃度指標(biāo)，說(shuō)明疏浚底泥固結(jié)制備的生態(tài)護(hù)岸不會(huì)使重金屬污染物再次浸出而造成二次污染，固結(jié)劑對(duì)疏浚底泥的處理具有良好的固化、穩(wěn)定化作用。

表9 重金屬浸出濃度 (單位：mg/L)Tab.9 Leaching Concentration of Heavy Metals of Solidified Sediments (Unit: mg/L)

2 原位利用疏浚底泥制備生態(tài)護(hù)岸應(yīng)用案例

2.1 工程概況

向化鎮(zhèn)位于崇明島東部，東與中興鎮(zhèn)接壤，西與堡鎮(zhèn)、港沿鎮(zhèn)相鄰，南北兩端皆臨長(zhǎng)江，境內(nèi)地勢(shì)平坦、物產(chǎn)豐富、空氣新鮮、環(huán)境潔凈。向化鎮(zhèn)區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯，東近上海長(zhǎng)江隧橋(10 km)，北接崇啟高速公路，鎮(zhèn)政府所在地是全縣規(guī)劃中6個(gè)重點(diǎn)建設(shè)的集鎮(zhèn)之一。向化鎮(zhèn)水系發(fā)達(dá)， 縱橫各村內(nèi),建設(shè)村村域內(nèi)部有六滧河、南橫引河2條主干河道，組成建設(shè)村的水網(wǎng)系統(tǒng)。鎮(zhèn)內(nèi)有多條南北向河溝，河塘散布各村域內(nèi)，用于灌溉耕地，大多河溝較為雜亂無(wú)序。此項(xiàng)目主要是對(duì)向化鎮(zhèn)鎮(zhèn)示范河道進(jìn)行生態(tài)治理，包括河道疏拓、護(hù)岸建設(shè)、沿河綠化種植以及其他設(shè)施配套等工程內(nèi)容，發(fā)揮河道調(diào)蓄、防洪除澇和水資源調(diào)度的功能，防止岸坡坍塌、減小水土流失、解決河道淤積等問(wèn)題，修復(fù)河道水生態(tài)系統(tǒng)、改善水質(zhì)、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，達(dá)到安全、資源、環(huán)境、景觀、休閑等綜合功能，完善河道功能。作為向化鎮(zhèn)美麗鄉(xiāng)村綜合改造中河道生態(tài)綜合整治示范工程，采用自主發(fā)明的一種基于疏浚底泥原位固化制備生態(tài)護(hù)岸進(jìn)行河道生態(tài)修復(fù)(申請(qǐng)專利號(hào): 2018105885353)。該生態(tài)護(hù)岸長(zhǎng)度約為1.6 km，結(jié)構(gòu)包括底部基礎(chǔ)、生態(tài)隔梗、種植護(hù)坡區(qū)域，各個(gè)部分沿著河流到河岸的水平方向依次布置。工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)及施工斷面如圖1所示。

圖1 ISER型生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)斷面圖Fig.1 Standard Design Cross-Sectional View of ISER Ecological Revetment

2.2 原位利用疏浚底泥制備生態(tài)護(hù)岸工藝路線

原位利用疏浚底泥制備生態(tài)護(hù)岸工藝路線如圖2所示。

圖2 原位利用疏浚底泥制備生態(tài)護(hù)岸工藝路線圖Fig.2 Technology Roadmap of Ecological Revetment Construction by Use of In-Situ Solidified Sediment

疏浚底泥固結(jié)完成后的生態(tài)護(hù)岸工程主要有兩方面的生態(tài)功能：一是保持河岸的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，穩(wěn)固河岸以確保河岸物理生境的完整性; 二是提高河岸的生態(tài)穩(wěn)定性，區(qū)域植被覆蓋度、區(qū)域水土流失情況明顯改善，使整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展。

3 工程項(xiàng)目效益觀測(cè)

2018年4月向化鎮(zhèn)部分生態(tài)河道建設(shè)工程完成后，為了評(píng)估生態(tài)護(hù)岸、護(hù)坡技術(shù)的生態(tài)效果，對(duì)施工前和1年后的河岸區(qū)域植被覆蓋度、區(qū)域水土流失情況進(jìn)行了定性觀測(cè)；在工程竣工后的1年內(nèi)對(duì)所運(yùn)用的生態(tài)護(hù)岸、護(hù)坡進(jìn)行了連續(xù)的生態(tài)監(jiān)測(cè)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

3.1 工程項(xiàng)目施工前后效果對(duì)比

通過(guò)工程措施對(duì)河道疏通整治、岸坡修復(fù)、植被恢復(fù)。施工前和1年后河道實(shí)況對(duì)比如圖3所示。

圖3 原位利用疏浚底泥制備生態(tài)護(hù)岸施工前后對(duì)比圖Fig.3 Comparison Chart before and after Ecological Revetment Construction

通過(guò)對(duì)施工前和1年后的河岸區(qū)域植被覆蓋度、區(qū)域水土流失情況進(jìn)行定性觀測(cè)，河道邊坡整體水土保持能力顯著提升，不會(huì)因?yàn)樗粎^(qū)變動(dòng)及水流沖刷而發(fā)生垮塌滑移現(xiàn)象；對(duì)護(hù)坡進(jìn)行綠色植被栽植以及對(duì)護(hù)岸種植挺水植物，來(lái)增加沿河植被多樣性，使其景觀性恢復(fù)良好；河道沿岸因居民的違章搭建而導(dǎo)致的臟亂差現(xiàn)象得到了集中整治，河道的水生態(tài)環(huán)境逐漸恢復(fù)，河水水質(zhì)也在逐漸提升。

3.2 水質(zhì)指標(biāo)情況監(jiān)測(cè)及分析

一年中對(duì)所運(yùn)用的生態(tài)護(hù)岸、護(hù)坡進(jìn)行了4次水質(zhì)監(jiān)測(cè)。經(jīng)監(jiān)測(cè)分析，施工前后，河水中溶解氧、水體透明度有顯著提高，其中溶解氧含量上升約50%，透明度上升約75%，這是水體理化性質(zhì)和生物學(xué)過(guò)程的綜合反映，表明水體的自凈能力顯著改善。檢測(cè)數(shù)據(jù)如表10所示。

表10 原位利用河道疏浚底泥制備生態(tài)護(hù)岸后水質(zhì)監(jiān)測(cè)Tab.10 Water Quality Monitoring after ISER Technology

在前3次監(jiān)測(cè)中，水體pH、化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷均有顯著降低，其中水體中總氮、總磷含量下降約12%，氨氮含量下降約20%，整體呈現(xiàn)堿性的河水pH下降約10.8%，表明通過(guò)對(duì)底泥的疏浚、岸坡的修復(fù)、植被的恢復(fù)、生態(tài)護(hù)岸及河道生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建，為生物多樣性創(chuàng)造條件，河道水質(zhì)有明顯改善，提升了生態(tài)效果。而第4次水質(zhì)監(jiān)測(cè)部分指標(biāo)有所上升，和農(nóng)業(yè)面源污染及農(nóng)村生活污水排放有很大相關(guān)性，需配合截污納管等措施進(jìn)一步治理。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)進(jìn)行重金屬檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)重金屬含量均滿足《城市污水再生利用 綠地灌溉水質(zhì)》(GB/T 25499—2010)相關(guān)要求，水體中重金屬、氰化物、氟化物含量也均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅴ類以上水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。由此可見(jiàn)，原位生態(tài)護(hù)坡對(duì)底泥所使用的固化穩(wěn)定技術(shù)可使水質(zhì)達(dá)到保護(hù)生態(tài)的預(yù)期效果。

4 結(jié)論

疏浚底泥原位利用疏浚底泥制備生態(tài)護(hù)岸并應(yīng)用于水利工程建設(shè)，設(shè)計(jì)使用壽命10～12年，植生率≥90%。經(jīng)上海市地方標(biāo)準(zhǔn)限定，底泥制備護(hù)岸結(jié)構(gòu)體28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)2.5 MPa，單方底泥處理定額為850元/m3，遠(yuǎn)低于木樁1 200元/m和混凝土板樁1 800元/m的定額。實(shí)現(xiàn)疏浚底泥的無(wú)害化、資源化利用，不僅能夠凈化水質(zhì)，維護(hù)生態(tài)環(huán)境平衡，為動(dòng)植物提供良好的棲息環(huán)境，且有效地解決了疏浚底泥處理、運(yùn)輸、堆放產(chǎn)生的高額成本和環(huán)境污染問(wèn)題。同時(shí)，也解決了傳統(tǒng)的水泥混凝土板樁、木樁等剛性硬質(zhì)護(hù)岸對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)的隔離而導(dǎo)致涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)等功能的缺失問(wèn)題。因此，使用ISER技術(shù)將疏浚底泥原位制作生態(tài)護(hù)岸具有良好的社會(huì)效益、環(huán)境效益，應(yīng)用前景廣闊。