生态集泥清淤的构造及其实施方法与流程

本发明涉及水环境治理技术领域，涉及一种用于湖泊内源治理的生态清淤技术及实施方法。

背景技术

湖泊底泥是自然水域的重要组成部分，既是湖泊水土界面物质交替带，同时也是重金属、有机物、氮磷等入湖物质的积蓄地，在风浪、温度等外部因子作用下向上覆水体释放营养成分，造成水体污染和湖泊富营养化，成为重要的内源污染。湖泊底泥主要来源于入湖河流输送的湖岸陆相泥沙颗粒、水体内的悬浮颗粒、水生植物及藻类残体沉积。湖泊底泥的蓄积分布、污染特征与湖区位置、出入湖河流、湖区水文环境、外源环境等有较为显著的相关性，湖泊底泥污染严重的区域一般主要分布在湖盆表层和污染河道入湖河湾等局部区域。

生态清淤技术是湖泊底泥内源污染治理的有效措施之一。通过工程措施以较小的疏挖工程量将较多的污染物随同土方一起移出湖泊水体，可明显降低底泥中污染物含量水平，削减湖泊内源污染负荷。近年来，太湖、巢湖等都先后开展过大规模的生态清淤工程实践，取得的较好的效果。

但是如何确定合适的清淤范围、清淤深度是非常复杂的技术问题。首先需要对湖泊底泥开展大规模的底泥分布和污染基础数据调查，再通过基础调查成果分析论证确定生态清淤范围、清淤深度和规模，工程设计周期长，费时费力。同时，由于湖泊底泥污染主要集中在表层近现代沉积，清淤工程最终论证确定的清淤深度一般均较浅(如太湖平均清淤深度为20～30cm)，清淤面积巨大(如太湖累计清淤面积为110km²)，这种精确、薄层的清淤要求导致清淤效率相对较低，经济性较差，投资巨大。另一方面，在外部水动力条件不变的情况下底泥沉积、回淤性具有很强的规律性，如入湖河口底泥污染程度较为严重，底泥沉积速率较高，部分入湖河口区域甚至可达每年增加底泥沉积高度10～20cm以上。即便已实施过生态清淤，但在3～5年后一般都会形成新的污染底泥沉积层，往往每隔数年就要进行清淤，是清淤需要重点关注的区域。

为解决目前湖泊生态清淤中面临的实际问题，有效控制底泥内源污染，有必要充分利用底泥沉积和回淤特性，将传统的“调查-清淤-回淤-再清淤”治理思路转变为“定向淤积、定期清淤”治理思路，探索研究一种更有效的清淤设计和施工技术方案。

技术实现要素：

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供一种针对入湖河口、蓝藻聚集区等污染底泥淤积严重区域实施可定向淤积、定期重复清淤的一种生态集泥清淤的构造及其实施方法。通过该技术可将需清除的底泥有控制的约束在某一个设定范围内进行沉积，有效控制底泥污染，并可实施定期重复清淤施工。变现有的被动清淤为主动清淤，解决现有清淤设计和施工过程中费时费力、经济性差的问题。

本发明的技术方案为：包括集泥槽、导流体、阻流体；集泥槽位于入湖河流流向方向的底泥沉积层处，且与入湖河流流向垂直角度布置，集泥槽为底泥沉积层下挖形成的凹陷槽体，集泥槽深度大于风浪对底泥的最大扰动深度；导流体设置在集泥槽的前端，靠近入湖河流的入湖河口两侧；导流体与入湖河流流向倾斜角度布置，导流体的高度范围为河湖正常低水位和河湖正常高水位之间；阻流体位于集泥槽后端；阻流体与入湖河流流向垂直角度布置；阻流体的高度范围为河湖正常低水位和河湖正常高水位之间。

基于上述技术特征：集泥槽的槽内顶部设置封体。

基于上述技术特征：集泥槽内设置可监控测量所述集泥槽内底泥沉积情况的观测设施。

上述技术方案中，集泥槽的槽体深度、平面形态和结构可通过设计确定或经验确定，槽体深度一般不低于1m。封体主要目的是在暂时不具备清淤条件或实施计划时通过封体覆盖对集泥槽内的表层底泥进行钝化处理，控制底泥污染，也便于后续清淤施工。封体材料可使用石灰、陶粒、改性黏土等材料或其混合物等，厚度一般不低于10cm。集泥槽内部设置的观测设施主要用以直观观测底泥沉积情况，可采用钢筋砼方桩，上面设置水尺标记，顶部应高于湖河正常高水位并设置警示灯。观测设施也可采用其它现有电子感应设备或探头等。

基于上述技术特征，导流体为多个不连续的导流单体前后错开排列组合构成或为可开合的活动闸门。导流体设置在集泥槽的前端靠近入湖河流的河道入口两侧，主要目的是用来约束携带泥沙的水流通过集泥槽实现定向沉降。为不影响河道行洪，导流体宜为多个不连续的导流单体组合而成，采用与河道水流方向有一定倾斜角度布置，倾斜角度可为0度至90度。导流单体一般可采用木桩、灌注桩等硬质结构，或采用芦苇等挺水植物定植方式实现。采用硬质结构其顶高程一般不高于河湖正常高水位。

基于上述技术特征，阻流体为多个不连续的阻流单体前后错开排列组合构成或为可开合的活动闸门。阻流体设置在集泥槽后端，主要目的是用来阻隔携带泥沙的水流，增加其在集泥槽区域的停留沉降时间，一般采用与河道水流方向垂直角度布置。为不影响河道行洪，阻流体宜为多个不连续的阻流单体组合而成。阻流单体一般可采用木桩、灌注桩等硬质结构，或采用芦苇等挺水植物定植方式实现。采用硬质结构其顶高程一般不高于河湖正常常水位。

基于上述技术特征，集泥槽的槽体四周为边坡结构。主要目的为维护槽体稳定。边坡结构可采用土质边坡、生态袋、台阶或其他结构形式边坡，建议坡度可为1:1～1:3。

基于上述技术特征，集泥槽的槽体底部设置有垫层结构，使底泥沉积层与湖床底部形成隔离，便于后续清淤工程的施工。垫层材料可使用一定粒径的细沙、碎石、石灰、陶粒、改性黏土等材料或其混合物，厚度不低于10cm。

基于上述技术特征，边坡结构为土质边坡时，垫层结构从集泥槽的槽体底部延伸至所述边坡结构的边坡顶部布置。

一种生态集泥清淤的构造的实施方法，包括以下步骤：

1)基础调查：对入湖河流的来水量、水质污染情况、底泥颗粒及沉积特性、水下地形、河湖流速进行数据收集。

2)利用水动力数值模型进行流场和颗粒沉降分析模拟，通过分析计算确定入湖河流的入湖河口区域底泥主要沉积范围和速率，以此为基础初步确定设计参数，设计参数包括集泥槽的边界范围和开挖深度、导流体及阻流体的位置；根据初步确定的设计参数再利用数值模型进行模拟和复核，反复调整确定设计参数；在设计参数确定基础上，针对污染控制和定期清淤要求进行集泥槽设计，确定集泥槽、导流体和阻流体的平面布置，平面布置包括集泥槽的形状、大小及布置在底泥沉积层具体定位，集泥槽与导流体和阻流体的相对位置关系的具体量化确定；确定导流体的倾斜角度、导流体和阻流体的结构材料。

3)工程建设：根据设计方案进行围堰干地方式施工。

4)日常监测：定期巡查方式通过设置在集泥槽内的观测设施掌握集泥槽内底泥沉积情况，确定在达到设计淤积范围时开展清淤施工。

5)清淤施工和封体覆盖：在集泥槽内的底泥沉积达到预定深度后，对集泥槽内的底泥进行清淤。在暂时不具备清淤条件时，在集泥槽的顶部设置封体。

6)清淤施工后的维护：在清淤施工后对集泥槽、导流体和阻流体进行检查维护或修复。

7)循环使用：根据集泥槽的底泥沉积情况和清淤要求，按照日常监测、清淤施工和封体覆盖、清淤施工后的维护的模式进行循环使用。

基于上述技术特征：当集泥槽的槽体四周设置为边坡结构时，上述集泥槽参数确定和设计中，增加边坡结构的材质、型式的设计。

基于上述技术特征：当集泥槽的槽体底部设置有垫层结构时，集泥槽参数确定和设计中，增加垫层结构材质和厚度的设计。

本发明的有益效果为：通过本专利技术可使入湖河流带来的底泥沉积定向沉积在集泥槽内，控制湖泊底泥沉积在固定区域，有利于清淤工程实施和底泥内源污染控制，降低清淤工程成本，提高内源治理效果，更长时间的维持湖泊清淤治理效果。

附图说明

图1、本发明的平面示意图。

图2、本发明的剖面示意图。

图中标号示意为：

1集泥槽

2导流体

3阻流体

4封体

5观测设施

6河岸

7湖泊

8地面高程

9天然状态底泥淤积范围线

10边坡结构

11入湖河流流向

12底泥淤泥泥面线

13垫层结构

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1和图2所示，入湖河流沿河岸6流入湖泊7，天然状态底泥淤积范围线9如图1中虚线所示，地面高程8为河岸的标高。集泥槽1位于入湖河流流向11方向的底泥沉积层处，且与入湖河流流向11垂直角度布置，集泥槽1为底泥沉积层下挖形成的凹陷槽体；集泥槽深度大于风浪对底泥的最大扰动深度；导流体2设置在集泥槽1的前端靠近入湖河流的河道入口两侧；导流体2与入湖河流流向11倾斜角度布置，导流体2的高度范围为河湖正常低水位和河湖正常高水位之间；阻流体3位于集泥槽1后端；阻流体3与入湖河流流向11垂直角度布置；阻流体3的高度范围为河湖正常低水位和河湖正常高水位之间；集泥槽1的槽内顶部设置封体4，集泥槽1内设置可监控测量集泥槽内底泥沉积情况的观测设施5。

图1和图2中所示的槽体四周设置有边坡结构10，主要目的为维护槽体稳定。边坡结构可采用土质边坡、生态袋、台阶或其他结构形式边坡。

槽体底部设置有垫层结构13，垫层结构13主要目的是使底泥沉积层与湖床底部形成隔离，便于后续清淤工程的施工。当槽体四周的边坡结构13为土质边坡时，垫层应延伸至边坡顶部。垫层材料可使用一定粒径的细沙、碎石、石灰、陶粒、改性黏土等材料或其混合物，厚度不低于10cm。

槽体顶部设置的封体4，主要目的是在暂时不具备清淤条件或实施计划时通过封体4覆盖对表层底泥进行钝化处理，控制底泥污染，也便于后续清淤施工。封体材料可使用石灰、陶粒、改性黏土等材料或其混合物等，厚度不低于10cm。图2中所示的集泥槽1内的标高示意为底泥淤泥泥面线12。

导流体2设置在集泥槽1前端靠近河道入口两侧，主要目的是用来约束携带泥沙的水流通过集泥槽1实现定向沉降。为不影响河道行洪，导流体宜为多个不连续的导流单体组合而成，采用与河道水流方向有一定倾斜角度布置。导流单体一般可采用木桩、灌注桩等硬质结构，或采用芦苇等挺水植物定植方式实现。采用硬质结构其顶高程一般不高于河湖正常高水位。

阻流体3设置在集泥槽1后端，主要目的是用来阻隔携带泥沙的水流，增加其在集泥槽1区域的停留沉降时间。为不影响河道行洪，阻流体宜为多个不连续的阻流体组合而成。阻流单体一般可采用木桩、灌注桩等硬质结构，或采用芦苇等挺水植物定植方式实现。采用硬质结构其顶高程一般不高于河湖正常常水位。

导流体2和阻流体3也可以采用可开合的活动闸门等其它措施。

集泥槽内部设置有观测设施5。主要用以直观观测底泥沉积情况。可采用钢筋砼方桩，上面设置水尺标记，顶部应高于高水位并设置警示灯。当然，也可以采取其它现有观测设施，并不以图2中示意为限。

该技术通过在具有定向淤积特征的河湖水下区域开挖集泥槽，通过设置合理的导流体、阻流体及集泥槽平面布局形态实现河湖底泥在设定区域的淤积，通过设置在集泥槽内的观测设施掌握集泥槽内的底泥淤积情况，在集泥槽集满后还可在顶部设置封体。该技术可极大的减小特定区域的底泥沉积范围，便于进行定期底泥清淤和后续处理，减小底泥污染释放对水质的影响。该技术特别适用于河湖汇口区域的底泥污染控制和内源治理。在具体实施时的技术步骤如下：

(1)基础调查。首先对拟实施清淤区域的入湖河流的来水量、水质污染情况、底泥颗粒及沉积特性、水下地形、河湖流速进行详细的基础调查和分析，为后续的集泥槽设计参数确定提供基础支撑。

(2)集泥槽参数确定和设计：利用水动力数值模型进行流场和颗粒沉降分析模拟，通过分析计算确定入湖河流的入湖河口区域底泥主要沉积范围和速率，以此为基础初步确定设计参数，设计参数包括集泥槽的边界范围和开挖深度，导流体及阻流体的位置；根据初步确定的设计参数再利用数值模型进行模拟和复核，反复调整确定设计参数；在设计参数确定基础上，针对污染控制和定期清淤要求进行集泥槽设计，确定集泥槽、导流体和阻流体的平面布置，平面布置包括集泥槽的形状、大小及布置在底泥沉积层具体定位，集泥槽与导流体和阻流体的相对位置关系的具体量化确定；确定导流体的倾斜角度、导流体和阻流体的结构材料。同时，也可确定边坡结构的材质、型式的设计和垫层结构材质和厚度的设计。

(3)工程建设。根据设计方案进行工程实施。具体实施时需要采用围堰干地方式施工。

(4)日常监测。采用定期巡查方式通过观测设施掌握集泥槽内底泥沉积情况，确定在达到设计淤积范围时及时开展清淤施工。

(5)清淤施工和封体覆盖。在集泥槽内的底泥沉积达到预定深度后，对集泥槽内的底泥进行清淤。清淤可采用干地施工。在暂时不具备清淤条件或实施计划时，为可考虑在底泥沉积层顶部设置覆盖层对表层底泥进行钝化处理，控制底泥污染，便于后续清淤施工。

(6)清淤施工后的维护：在清淤施工后对集泥槽、导流体和所述阻流体进行检查维护或修复。

(7)循环使用：根据集泥槽的底泥沉积情况和清淤要求，按照日常监测、清淤施工和封体覆盖、清淤施工后的维护的模式进行循环使用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。