大中型水库一体化生态清淤设计方法与流程

本发明涉及生态清淤领域，尤其涉及一种大中型水库一体化生态清淤设计方法。

背景技术：

水库在运行过程中，上游径流会不断将污染物质携带至水库水域中，而水库底泥沉积时间短，属于流泥、浮泥，因此细颗粒含量非常高，体表面积大，这就使得大量随上游径流而来的污染物质吸附于底泥细颗粒表面并沉积于库底，从而影响水库水质。因此，近些年来，以城镇供水为主要功能的水库清淤综合整治显得日趋重要，以便改善水库水质，提高水库库容和兴利能力。

水库清淤涉及的工作环节较多，各环节工序繁琐，尤其是深水水库，类似的工程经验较少，作业环境复杂多变，各个环节的施工难度大。

目前，水下地形测量的方法有多种，常用的包括多波束测深、单波束测深，如何利用两种方法获得较为精确的深水水库的水下三维地形是目前水下地形测量的难点之一；底泥勘察包括底泥的厚度和底泥的理化性质分析，这里最关键的便是取样过程，取样的质量是正确分析底泥各个物理化学指标的前提，应对复杂多变的深水取样作业环境；清淤方式根据作业环境可分为无水清淤和带水清淤，无水清淤根据施工工艺可分为水力冲挖和长臂挖掘机清挖等，而带水作业根据施工工艺又可分为绞吸式、耙吸式、抓斗式等，而供水水库要求在清淤过程中不能对水库水质形成二次污染，因此对清淤技术提出了更高的要求；对于水库吸挖出的底泥，需要进行脱水干化处理，目前脱水干化处理方式有很多种，例如电渗法、真空预压法、堆载预压法、机械脱水法、模袋固化土等等，最常用的是真空预压法和机械脱水法。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种将测量、勘探、检测、清淤、脱水干化、资源化利用一系列工法有机结合起来，使得工作效益达到最佳状态的大中型水库一体化生态清淤设计方法。

一种大中型水库一体化生态清淤设计方法，包括如下步骤：

步骤一、测量，包括水库水下地形测量、水库库底淤泥厚度测量：

水库水下地形测量：

采用多波束测深结合单波束测深的方法对水库水下地形进行测量；对测区内水深较深区域采用多波束测深获得全覆盖的水下地形信息；对浅水区及山体间狭小水道等区域采用单波束测深技术进行水下地形测量。

水库库底淤泥厚度测量：

水库库底淤泥厚度的测量用浅地层剖面仪来实现，并且利用步骤二中底泥勘察测量结果对浅地层剖面仪测深的数据进行标定。

步骤二、勘察

根据水库底泥不同土性的土层设计不同的勘察工艺，其中表层流泥层采用流泥取样装置进行采集；原正常库区底泥土采用钻进机采集；流泥层以下原正常库区底泥土以上部分采用定深采样钻进行采集。

步骤三、检测

根据步骤二水库底泥勘察得到的不同土层的底泥进行理化试验分析，获得各取样点位置处底泥污染物沿深度方向的分布情况，以便了解各取样点代表区块的底泥污染层和过渡层的分布情况；所述的理化实验分析包括底泥重金属的分布分析、底泥有机毒物分布分析、底泥营养盐含量分布分析、底泥氨氮，磷释放量分析。

步骤四、清淤工程量判定

采用网格法计算清淤工程量，即先对整个水库水域面积进行网格划分，确保每个网格内部都有一个底泥勘察取样点，以各取样点的底泥厚度数据、底泥沿深度方向的分层性状为依据分别计算各取样点所代表的网格区块的清淤量，包括污泥层中的清淤量和过渡层中的清淤量，最后将各个网格的数据汇总，得到整个库区的总清淤工程量。

步骤五、生态清淤

根据步骤一、二、四得到的库区水下地形数据，库区底泥空间、深度分布情况进行分析，明确清淤施工方案，采用分层生态清淤方式利用环保绞吸式挖泥船分别清除底泥的污泥层和过渡层中的污泥。

步骤六、脱水干化

对高含水率疏浚底泥进行脱水干化处理，在脱水干化处理过程中根据不同的土性采用PAM、PAC、MgCl₂、Ca(OH)₂和聚合FeCl₃中至少两种的组合作为絮凝剂，实现高含水率底泥的快速泥水分离，脱水干化处理最后加入固化剂搅拌完成淤泥固化。

步骤七、资源化利用

脱水干化后的底泥用作建筑材料，制砖，地表修复，绿化用土，路堤填筑材料，堤防填筑材料等。

优选的，所述步骤一中的单波束水下地形测量主测线垂直于水库深泓线布置，单波束水下地形测量检查线均匀布设在地形较为平坦的区域，与主测线基本垂直，长度大于或等于主测线总长度3％～10％。

优选的，所述的步骤三中底泥理化试验的分析中底泥重金属分布分析包括对As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn重金属元素含量和Hg含量分析，所述的重金属含量分析仪器为电感耦合等离子体质谱仪，用全自动固体测汞仪分析Hg含量；所述的底泥有机毒物分布分析包括六六六类和滴滴涕类有机氯农药的分析；所述的底泥营养盐含量分布分析包括对总氮(TN)和总磷(TP)含量分析，总氮含量使用的方法为碱性过硫酸钾氧化紫外分光光度法，总磷(TP)含量分析方法为碱性过硫酸钾氧化钼锑抗分光光度法进行分析。

优选的，所述的步骤五中的生态清淤采用分区、分条方式进行施工；其中，分区开挖将水域按40m×40m区块划分；分条开挖采用环保系统配备定位系统，以扇形橫挖法分条开挖，所述的分条宽度约40m，条幅间搭接1-2m。

优选的，所述的步骤六采用机械脱水方式进行脱水干化，所述的脱水设备为板框式或履带式压滤机；所述的机械脱水过程中泥浆浓缩和脱水后的尾水进入尾水净化装置。

优选的，所述的步骤六中絮凝剂为PAM，PAC和MgCl₂的组合或PAM，PAC和Ca(OH)₂的组合。更优选的，在1000mL泥浆中，采用5mlPAM+2gPAC+1g MgCl₂或5mlPAM+2gPAC+2g Ca(OH)₂两种不同的絮凝剂组合。

下面对本发明做进一步说明：

本发明公开了一种大中型水库一体化生态清淤设计方法，以多波束测深为主，单波束测深配合的方式对水库水下地形测量，其中对测区内水深较深区域采用多波束测深系统以获得全覆盖的水下地形信息，对浅水区以及山体间狭小水道等区域用单波束测深仪进行水下地形测量，获得水库水下地形图后采用浅地层剖面仪对水库库底淤泥厚度进行测量，获得检测结果，然后进行库区底泥取样，因库区底泥沿深度呈现明显的分层性状，因此水库库泥勘察采用不同土性的土层设计不同的勘察工艺，表层流泥层采用流泥取样装置进行采集，原正常库区底层土采用钻进机采集，流泥层以下、原正常库区底层土以上部分采用定深采样钻进行采集，此外此步骤中底泥勘察取样检测结果对浅地层剖面仪测深结果中的淤泥厚度进行标定。

将库区底泥不同土层样品进行理化试验性质检测，从而获得各取样点位置处底泥污染物沿深度方向的分布情况，以便了解各取样点代表区块的底泥污染层和过渡层的分布情况，最后通过各取样点的数据的综合汇总获得整个库区底泥的理化性质空间分布数据，底泥理化性质检测包括重金属，有机质毒物，营养盐以及氨氮，磷的释放量。

根据上述得到的库区水下地形数据以及库区底泥空间、深度分布情况明确清淤施工方案，用环保绞吸式挖泥船对库区底泥进行分层清淤，清淤后的底泥进行机械脱水干化处理，所使用的设备为板框压滤机或履带式压滤机，在脱水过程中添加PAM、PAC与MgCl₂、Ca(OH)₂、聚合FeCl₃等无机物中其中一种的组合作为絮凝剂，实现高含水率底泥快速泥水分离，最后添加固化剂使淤泥固化；固化后的淤泥可以用作建筑材料，如制砖，地表修复，绿化用土，路堤填筑材料，堤防填筑材料等。

本发明的有益效果主要表现在：(1)国内目前还没有大中型水库的深水清淤工程，因此本发明中提出的“测量—勘探—底泥检测—清淤—脱水干化—资源化利用”一体化生态清淤设计方法具有开创性意义，该设计方法对今后大中型水库深水清淤工程具有参考借鉴意义和指导作用。(2)本发明重点强调水库清淤过程中各个必要环节的一体化进程，深水区作业环境复杂，水流、水压等都是影响施工质量、施工安全的不确定因素，因此，清淤过程中各个环节都有必要发挥各自的优势，使得各个看似不相干的环节有机结合起来，以便提高整个一体化生态清淤施工工艺的工作效率，从而使得整套工艺体系效益最优化，体现了本发明在处理中型水库深水清淤作业方面的独到之处。(3)本发明非常注重生态环保的概念，该工法中有多处施工环节中考虑到了生态环保的要求。例如，清淤方式采用生态清淤，清淤设备选取环保绞吸式挖泥船，可有效降低绞刀工作时带来的二次污染；脱水干化时，机械脱水过程中产生的余水必须达到排放要求后才可以排放；资源化途径主要考虑建筑材料，例如制砖可以将有毒有害物质钝化。(4)本发明秉持可持续发展的概念，以往水库清淤过程中得到的底泥被作为一种废弃材料，而本工法中找到合适的资源化利用途径，使得库区底泥变废为宝。其提出的“生态清淤—机械脱水—资源化利用”为同类工程提供了经验依据，机械脱水处理效果好，工期短，河湖库塘清淤得到的淤泥直接通过机械脱水后用于建筑材料。(5)本发明成功完成了大中型水库深水区底泥勘察取样的研究，常规的勘察方法在深水条件无法完成表层底泥取样。经现场反复试验，在使用我公司专利技术申请号201320605611X“流泥取样装置”的基础上，形成了一套组合的勘察技术方案，最终成功实现了水库深水底泥的勘察取样，为准确了解底泥的物理化学性质和库区底泥分布提供了直接的技术依据。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是本发明采用设备结构示意图。

图3是本发明环保绞吸式挖泥船的绞刀头结构示意图。

图4是本发明底泥絮凝沉降试验结果照片，其中图a原状土沉降柱试验；图b PAM+PAC、AM+PAC+MgCl₂、PAM+PAC+Ca(OH)₂沉降柱试验；图c PAM+PAC+Ca(OH)₂、PAM+PAC+0.5gCa(OH)₂+Na₂CO₃、PAM+PAC+2g Ca(OH)₂+Na₂CO₃沉降柱试验。从图a～图c中可以看出，各组试验较原状土沉降均出现明显的清混分界面，尤其是5mlPAM+2gPAC+2gCa(OH)₂的上清液非常清澈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示的一种大中型水库一体化生态清淤设计方法，具体操作步骤如下：

1)水库水下地形测量、水库库底淤泥厚度测量

水库水下地形测量：

采用多波束测深结合单波束测深的方法对水库水下地形进行测量；对测区内水深较深区域采用多波束测深获得全覆盖的水下地形信息；对浅水区及山体间狭小水道等区域采用单波束测深技术进行水下地形测量；多波束水下地形测量主测线垂直于水库深泓线布置，测线间隔宜为40m；单波束水下地形测量检查线均匀布设在地形较为平坦的区域，与主测线基本垂直，其长度大于或等于主测线总长度3％～10％。

水库库底淤泥厚度测量：

水库库底淤泥厚度的测量用浅地层剖面仪来实现，并且利用2)中底泥勘察测量结果对浅地层剖面仪测深得到的淤泥厚度数据进行标定。

2)底泥勘察

根据水库底泥不同土性的土层设计不同的勘察工艺，其中表层1m流泥层采用流泥取样装置进行柱状采集；原正常库区底泥土采用钻进机采集；流泥层以下原正常库区底泥土以上部分采用定深采样钻进行采集。

3)底泥理化性质检测

根据步骤2)水库底泥勘察得到的不同土层的底泥进行理化试验分析，获得各取样点位置处底泥污染物沿深度方向的分布情况，以便了解各取样点代表区块的底泥污染层和过渡层的分布情况；所述的理化实验分析包括底泥重金属的分布分析、底泥有机毒物分布分析、底泥营养盐含量分布分析、底泥氨氮，磷释放量分析。

所述的步骤三中底泥理化试验的分析中底泥重金属分布分析包括对As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn重金属元素含量和Hg含量分析，所述的重金属含量分析仪器为电感耦合等离子体质谱仪，用全自动固体测汞仪分析Hg含量；所述的底泥有机毒物分布分析包括六六六类和滴滴涕类有机氯农药的分析；所述的底泥营养盐含量分布分析包括对总氮(TN)和总磷(TP)含量分析，总氮含量使用的方法为碱性过硫酸钾氧化紫外分光光度法，总磷(TP)含量分析方法为碱性过硫酸钾氧化钼锑抗分光光度法进行分析。

4)清淤工程量判定

采用网格法计算清淤工程量，即先对整个水库水域面积进行网格划分，确保每个网格内部都有一个底泥勘察取样点，以各取样点的底泥厚度数据、底泥沿深度方向的分层性状为依据分别计算各取样点所代表的网格区块的清淤量，包括污泥层中的清淤量和过渡层中的清淤量，最后将各个网格的数据汇总，得到整个库区的总清淤工程量。

5)生态清淤

根据步骤1)、2)4)得到的库区水下地形数据，库区底泥空间、深度分布情况进行分析，明确清淤施工方案，采用分层生态清淤方式利用环保绞吸式挖泥船分别清除底泥的污泥层和过渡层中的污泥；

生态清淤施工时需要准确掌握“密封吸挖、限速开挖、分区开挖、分条开挖、薄层开挖”的工艺要求，以达到环保清淤、精确清淤的目的，其具体要求如下。

环保清淤

密封吸挖、限速开挖、薄层开挖是生态清淤达到环保要求的具体措施。密封吸挖通过设备构造防止二次污染，而限速开挖、薄层开挖从施工工艺的角度满足环保要求。

密封吸挖是生态清淤施工工艺的关键，所使用的设备为环保绞吸式挖泥船，所述的环保绞吸式挖泥船的环保绞刀头上装配有导泥挡板、绞刀密封罩、绞刀水平调节器等装置。绞刀水平调节器可以使绞刀在水下作业时始终保持水平状态，作业过程中绞刀外罩底边平贴河床，绞刀密封罩将绞刀扰动范围内的淤泥有效封盖并通过泥泵充分吸入。

限速开挖要求清淤时严格控制施工参数，绞刀转速控制在20～30r/min，横摆速度在10～20m/min，从根源上减小扰动程度。

薄层开挖要求清淤时严格控制开挖深度，环保绞刀头设计开挖厚度在20cm～40cm，开挖厚度要建立在额定转速、泵吸浓度、绞刀净深协调平衡的基础上，避免出现泥量过大产生逃淤，泥量过小产生效率太低的情况。薄层开挖法应保证库底淤泥被充分吸取，同时可提高开挖精度。

精确清淤

分区、分条开挖从施工工艺的角度，对施工工艺进行完善，以满足精确清淤的要求。分区开挖可将水域划分成若干区块，区块按40m×40m来划分清淤单元，以清淤单元来控制清淤厚度和清淤后的底高程。

分条开挖是指在清淤单元内作业时，环保绞吸式挖泥船应配备定位系统，以扇形横挖法为原理分条开挖，根据挖泥船横摆有效宽度，设计分条宽度约40m，条幅间搭接1～2m(设计要求，避免漏挖)，避免漏挖和相邻区块塌方残留。

6)脱水干化

对高含水率疏浚底泥进行机械脱水干化处理，所使用的脱水设备为板框式或履带式压滤机；

所述的机械脱水干化的施工工艺流程可简单概括为沉淀池泥水分离、压滤机脱水干化和尾水排放三个方面。

沉淀池泥水分离，绞吸上来的泥浆进入淤泥预浓缩装置进行浓缩后，在沉淀池沉淀2至3天，目的是使淤泥初步减容。本发明根据不同的土性采用PAM、PAC与MgCl₂、Ca(OH)₂、聚合FeCl₃等无机物中其中一种的组合作为絮凝剂，这种絮凝剂配比可以实现高含水率底泥的快速泥水分离。

板框式或履带式压滤机脱水干化，在沉淀池中初步减水的底泥将输送至板框式或履带式压滤机中进行处理，促使泥浆中泥质和水质迅速分离，实现淤泥脱水干化，最后添加固化剂搅拌完成淤泥固化，为满足土方运输和资源化利用要求，经过脱水干化后的底泥含水率应≤60％。

尾水排放、机械脱水过程中泥浆浓缩和脱水后的尾水需要进入尾水净化装置，经处理达标后方能通过管道排放。

7)、资源化利用

脱水干化后的底泥用作建筑材料，制砖，绿化用土，地表修复，路堤填筑材料，堤防填筑材料等；因机械脱水处理后的底泥含水率≤60％，处理效果好，可以满足各种工程所需的填筑材料的要求。

如图2-3所示，本发明采用设备，主要包括用检测水库水下地形和水库库底淤泥厚度的检测装置10、清淤装置20和淤泥处理装置30，

所述检测装置10包括用于检测水库水下地形的多波束测深仪1和/或单波束测深仪，及测量水库库底淤泥厚度的浅地层剖面仪2；

所述清淤装置20包括环保绞吸式挖泥船4，环保绞吸式挖泥船4的绞刀头41上设有U型绞刀水平调节器41-4，所述绞刀头41的刀片41-1内周设有导泥挡板41-2；所述绞刀头41后侧面还设有绞刀密封罩41-3。

所述淤泥处理装置30包括板框式或履带式压滤机12，和尾水净化装置13。

所述环保绞吸式挖泥船4和板框式或履带式压滤机12之间通过管路5(所述管路5包括设置在接力泵船42上的浮管51和设置在岸上的岸管52)连接，所述管路5上依次设有振动筛6、沉淀池7、浓缩池8、加药间9和物料池11，物料池11内设有搅拌机11-1；所述浓缩池8设有余水处理装置8-1和余水沉淀池8-2。

优选的，所述检测装置10还包括对取样淤泥进行理化实验分析的分析仪器；所述取样淤泥通过流泥取样装置取样3。其中，所述析仪器包括离子体质谱仪，分析Hg含量的全自动固体测汞仪；分析总氮含量和总磷(TP)含量的紫外分光光度仪。

底泥絮凝沉降试验

底泥絮凝沉降试验采用室内试验模拟机械脱水过程中絮凝剂添加至沉淀池后的过程。絮凝沉降试验在1000mL量筒中进行，配置的泥浆的目标含水率为400％。

试验内容：

试验选取5组不同成分配比的絮凝剂，除了300万分子量阴离子型PAM(主要起絮凝沉降作用)和2g的PAC(主要起净水作用)外，为了改善土质，将增加Na₂CO₃、Ca(OH)₂和MgCl₂作为对比材料。

试验对比方案为：①5mlPAM+2gPAC。②5mlPAM+2gPAC+1gMgCl₂。③5mlPAM+2gPAC+2gCa(OH)₂。④5mlPAM+2gPAC+0.5gCa(OH)₂+2gNa₂CO₃。⑤5mlPAM+2gPAC+2g Ca(OH)₂+2gNa₂CO₃。

组合1和组合2的pH值呈现弱酸性，约为6，组合3～组合5的pH值呈现碱性，分别为7.9、8.6和9.0。从图4中可以看出，各组试验较原状土沉降均出现明显的清混分界面，尤其是组合3的上清液非常清澈。

试验结论：

从加速泥浆中的土颗粒絮凝沉降、改善水质，减少水体浑浊度和改善土质三方面综合评价。在1000mL泥浆中，采用5mlPAM+2gPAC+1gMgCl₂或5mlPAM+2gPAC+2gCa(OH)₂两种不同的絮凝剂组合效果最佳，24h后沉降速率有所减缓，7d后自重沉降的含水率接近200％。

其中，各组分的作用如下：

1)PAM为污水处理厂常用的絮凝剂，可以加速土颗粒的絮凝沉降；

2)PAC(聚合氯化铝)可以净化水质，Al³⁺具有絮凝净水的作用，聚(合)氯化铝其絮凝作用表现在于水中胶体物质的强烈电中和作用、水解产物对水中悬浮物的优良架桥吸附作用以及对溶解性物质的选择性吸附作用；

3)Ca(OH)₂和MgCl₂可以改善土质。

与常规絮凝剂相比的优点：PAM为常规絮凝剂，本专利中推荐的PAM+PAC+MgCl₂或PAM+PAC+Ca(OH)₂两种不同的絮凝剂同样可表现出常规絮凝剂PAM对加速土颗粒絮凝沉降的作用，同时考虑到改善水质和土质的要求，我们在原有基础上加入PAC和Ca(OH)₂或MgCl₂。