本發明涉及生態清淤領域，尤其涉及一種大中型水庫一體化生態清淤設計方法。

背景技術：

水庫在運行過程中，上游徑流會不斷將污染物質攜帶至水庫水域中，而水庫底泥沉積時間短，屬于流泥、浮泥，因此細顆粒含量非常高，體表面積大，這就使得大量隨上游徑流而來的污染物質吸附于底泥細顆粒表面并沉積于庫底，從而影響水庫水質。因此，近些年來，以城鎮供水為主要功能的水庫清淤綜合整治顯得日趨重要，以便改善水庫水質，提高水庫庫容和興利能力。

水庫清淤涉及的工作環節較多，各環節工序繁瑣，尤其是深水水庫，類似的工程經驗較少，作業環境復雜多變，各個環節的施工難度大。

目前，水下地形測量的方法有多種，常用的包括多波束測深、單波束測深，如何利用兩種方法獲得較為精確的深水水庫的水下三維地形是目前水下地形測量的難點之一；底泥勘察包括底泥的厚度和底泥的理化性質分析，這里最關鍵的便是取樣過程，取樣的質量是正確分析底泥各個物理化學指標的前提，應對復雜多變的深水取樣作業環境；清淤方式根據作業環境可分為無水清淤和帶水清淤，無水清淤根據施工工藝可分為水力沖挖和長臂挖掘機清挖等，而帶水作業根據施工工藝又可分為絞吸式、耙吸式、抓斗式等，而供水水庫要求在清淤過程中不能對水庫水質形成二次污染，因此對清淤技術提出了更高的要求；對于水庫吸挖出的底泥，需要進行脫水干化處理，目前脫水干化處理方式有很多種，例如電滲法、真空預壓法、堆載預壓法、機械脫水法、模袋固化土等等，最常用的是真空預壓法和機械脫水法。

技術實現要素：

為了解決上述現有技術存在的問題，本發明提供了一種將測量、勘探、檢測、清淤、脫水干化、資源化利用一系列工法有機結合起來，使得工作效益達到最佳狀態的大中型水庫一體化生態清淤設計方法。

一種大中型水庫一體化生態清淤設計方法，包括如下步驟：

步驟一、測量，包括水庫水下地形測量、水庫庫底淤泥厚度測量：

水庫水下地形測量：

采用多波束測深結合單波束測深的方法對水庫水下地形進行測量；對測區內水深較深區域采用多波束測深獲得全覆蓋的水下地形信息；對淺水區及山體間狹小水道等區域采用單波束測深技術進行水下地形測量。

水庫庫底淤泥厚度測量：

水庫庫底淤泥厚度的測量用淺地層剖面儀來實現，并且利用步驟二中底泥勘察測量結果對淺地層剖面儀測深的數據進行標定。

步驟二、勘察

根據水庫底泥不同土性的土層設計不同的勘察工藝，其中表層流泥層采用流泥取樣裝置進行采集；原正常庫區底泥土采用鉆進機采集；流泥層以下原正常庫區底泥土以上部分采用定深采樣鉆進行采集。

步驟三、檢測

根據步驟二水庫底泥勘察得到的不同土層的底泥進行理化試驗分析，獲得各取樣點位置處底泥污染物沿深度方向的分布情況，以便了解各取樣點代表區塊的底泥污染層和過渡層的分布情況；所述的理化實驗分析包括底泥重金屬的分布分析、底泥有機毒物分布分析、底泥營養鹽含量分布分析、底泥氨氮，磷釋放量分析。

步驟四、清淤工程量判定

采用網格法計算清淤工程量，即先對整個水庫水域面積進行網格劃分，確保每個網格內部都有一個底泥勘察取樣點，以各取樣點的底泥厚度數據、底泥沿深度方向的分層性狀為依據分別計算各取樣點所代表的網格區塊的清淤量，包括污泥層中的清淤量和過渡層中的清淤量，最后將各個網格的數據匯總，得到整個庫區的總清淤工程量。

步驟五、生態清淤

根據步驟一、二、四得到的庫區水下地形數據，庫區底泥空間、深度分布情況進行分析，明確清淤施工方案，采用分層生態清淤方式利用環保絞吸式挖泥船分別清除底泥的污泥層和過渡層中的污泥。

步驟六、脫水干化

對高含水率疏浚底泥進行脫水干化處理，在脫水干化處理過程中根據不同的土性采用PAM、PAC、MgCl₂、Ca(OH)₂和聚合FeCl₃中至少兩種的組合作為絮凝劑，實現高含水率底泥的快速泥水分離，脫水干化處理最后加入固化劑攪拌完成淤泥固化。

步驟七、資源化利用

脫水干化后的底泥用作建筑材料，制磚，地表修復，綠化用土，路堤填筑材料，堤防填筑材料等。

優選的，所述步驟一中的單波束水下地形測量主測線垂直于水庫深泓線布置，單波束水下地形測量檢查線均勻布設在地形較為平坦的區域，與主測線基本垂直，長度大于或等于主測線總長度3％～10％。

優選的，所述的步驟三中底泥理化試驗的分析中底泥重金屬分布分析包括對As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn重金屬元素含量和Hg含量分析，所述的重金屬含量分析儀器為電感耦合等離子體質譜儀，用全自動固體測汞儀分析Hg含量；所述的底泥有機毒物分布分析包括六六六類和滴滴涕類有機氯農藥的分析；所述的底泥營養鹽含量分布分析包括對總氮(TN)和總磷(TP)含量分析，總氮含量使用的方法為堿性過硫酸鉀氧化紫外分光光度法，總磷(TP)含量分析方法為堿性過硫酸鉀氧化鉬銻抗分光光度法進行分析。

優選的，所述的步驟五中的生態清淤采用分區、分條方式進行施工；其中，分區開挖將水域按40m×40m區塊劃分；分條開挖采用環保系統配備定位系統，以扇形橫挖法分條開挖，所述的分條寬度約40m，條幅間搭接1-2m。

優選的，所述的步驟六采用機械脫水方式進行脫水干化，所述的脫水設備為板框式或履帶式壓濾機；所述的機械脫水過程中泥漿濃縮和脫水后的尾水進入尾水凈化裝置。

優選的，所述的步驟六中絮凝劑為PAM，PAC和MgCl₂的組合或PAM，PAC和Ca(OH)₂的組合。更優選的，在1000mL泥漿中，采用5mlPAM+2gPAC+1g MgCl₂或5mlPAM+2gPAC+2g Ca(OH)₂兩種不同的絮凝劑組合。

下面對本發明做進一步說明：

本發明公開了一種大中型水庫一體化生態清淤設計方法，以多波束測深為主，單波束測深配合的方式對水庫水下地形測量，其中對測區內水深較深區域采用多波束測深系統以獲得全覆蓋的水下地形信息，對淺水區以及山體間狹小水道等區域用單波束測深儀進行水下地形測量，獲得水庫水下地形圖后采用淺地層剖面儀對水庫庫底淤泥厚度進行測量，獲得檢測結果，然后進行庫區底泥取樣，因庫區底泥沿深度呈現明顯的分層性狀，因此水庫庫泥勘察采用不同土性的土層設計不同的勘察工藝，表層流泥層采用流泥取樣裝置進行采集，原正常庫區底層土采用鉆進機采集，流泥層以下、原正常庫區底層土以上部分采用定深采樣鉆進行采集，此外此步驟中底泥勘察取樣檢測結果對淺地層剖面儀測深結果中的淤泥厚度進行標定。

將庫區底泥不同土層樣品進行理化試驗性質檢測，從而獲得各取樣點位置處底泥污染物沿深度方向的分布情況，以便了解各取樣點代表區塊的底泥污染層和過渡層的分布情況，最后通過各取樣點的數據的綜合匯總獲得整個庫區底泥的理化性質空間分布數據，底泥理化性質檢測包括重金屬，有機質毒物，營養鹽以及氨氮，磷的釋放量。

根據上述得到的庫區水下地形數據以及庫區底泥空間、深度分布情況明確清淤施工方案，用環保絞吸式挖泥船對庫區底泥進行分層清淤，清淤后的底泥進行機械脫水干化處理，所使用的設備為板框壓濾機或履帶式壓濾機，在脫水過程中添加PAM、PAC與MgCl₂、Ca(OH)₂、聚合FeCl₃等無機物中其中一種的組合作為絮凝劑，實現高含水率底泥快速泥水分離，最后添加固化劑使淤泥固化；固化后的淤泥可以用作建筑材料，如制磚，地表修復，綠化用土，路堤填筑材料，堤防填筑材料等。

本發明的有益效果主要表現在：(1)國內目前還沒有大中型水庫的深水清淤工程，因此本發明中提出的“測量—勘探—底泥檢測—清淤—脫水干化—資源化利用”一體化生態清淤設計方法具有開創性意義，該設計方法對今后大中型水庫深水清淤工程具有參考借鑒意義和指導作用。(2)本發明重點強調水庫清淤過程中各個必要環節的一體化進程，深水區作業環境復雜，水流、水壓等都是影響施工質量、施工安全的不確定因素，因此，清淤過程中各個環節都有必要發揮各自的優勢，使得各個看似不相干的環節有機結合起來，以便提高整個一體化生態清淤施工工藝的工作效率，從而使得整套工藝體系效益最優化，體現了本發明在處理中型水庫深水清淤作業方面的獨到之處。(3)本發明非常注重生態環保的概念，該工法中有多處施工環節中考慮到了生態環保的要求。例如，清淤方式采用生態清淤，清淤設備選取環保絞吸式挖泥船，可有效降低絞刀工作時帶來的二次污染；脫水干化時，機械脫水過程中產生的余水必須達到排放要求后才可以排放；資源化途徑主要考慮建筑材料，例如制磚可以將有毒有害物質鈍化。(4)本發明秉持可持續發展的概念，以往水庫清淤過程中得到的底泥被作為一種廢棄材料，而本工法中找到合適的資源化利用途徑，使得庫區底泥變廢為寶。其提出的“生態清淤—機械脫水—資源化利用”為同類工程提供了經驗依據，機械脫水處理效果好，工期短，河湖庫塘清淤得到的淤泥直接通過機械脫水后用于建筑材料。(5)本發明成功完成了大中型水庫深水區底泥勘察取樣的研究，常規的勘察方法在深水條件無法完成表層底泥取樣。經現場反復試驗，在使用我公司專利技術申請號201320605611X“流泥取樣裝置”的基礎上，形成了一套組合的勘察技術方案，最終成功實現了水庫深水底泥的勘察取樣，為準確了解底泥的物理化學性質和庫區底泥分布提供了直接的技術依據。

附圖說明

圖1是本發明的方法流程圖。

圖2是本發明采用設備結構示意圖。

圖3是本發明環保絞吸式挖泥船的絞刀頭結構示意圖。

圖4是本發明底泥絮凝沉降試驗結果照片，其中圖a原狀土沉降柱試驗；圖b PAM+PAC、AM+PAC+MgCl₂、PAM+PAC+Ca(OH)₂沉降柱試驗；圖c PAM+PAC+Ca(OH)₂、PAM+PAC+0.5gCa(OH)₂+Na₂CO₃、PAM+PAC+2g Ca(OH)₂+Na₂CO₃沉降柱試驗。從圖a～圖c中可以看出，各組試驗較原狀土沉降均出現明顯的清混分界面，尤其是5mlPAM+2gPAC+2gCa(OH)₂的上清液非常清澈。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步描述。

如圖1所示的一種大中型水庫一體化生態清淤設計方法，具體操作步驟如下：

1)水庫水下地形測量、水庫庫底淤泥厚度測量

水庫水下地形測量：

采用多波束測深結合單波束測深的方法對水庫水下地形進行測量；對測區內水深較深區域采用多波束測深獲得全覆蓋的水下地形信息；對淺水區及山體間狹小水道等區域采用單波束測深技術進行水下地形測量；多波束水下地形測量主測線垂直于水庫深泓線布置，測線間隔宜為40m；單波束水下地形測量檢查線均勻布設在地形較為平坦的區域，與主測線基本垂直，其長度大于或等于主測線總長度3％～10％。

水庫庫底淤泥厚度測量：

水庫庫底淤泥厚度的測量用淺地層剖面儀來實現，并且利用2)中底泥勘察測量結果對淺地層剖面儀測深得到的淤泥厚度數據進行標定。

2)底泥勘察

根據水庫底泥不同土性的土層設計不同的勘察工藝，其中表層1m流泥層采用流泥取樣裝置進行柱狀采集；原正常庫區底泥土采用鉆進機采集；流泥層以下原正常庫區底泥土以上部分采用定深采樣鉆進行采集。

3)底泥理化性質檢測

根據步驟2)水庫底泥勘察得到的不同土層的底泥進行理化試驗分析，獲得各取樣點位置處底泥污染物沿深度方向的分布情況，以便了解各取樣點代表區塊的底泥污染層和過渡層的分布情況；所述的理化實驗分析包括底泥重金屬的分布分析、底泥有機毒物分布分析、底泥營養鹽含量分布分析、底泥氨氮，磷釋放量分析。

所述的步驟三中底泥理化試驗的分析中底泥重金屬分布分析包括對As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn重金屬元素含量和Hg含量分析，所述的重金屬含量分析儀器為電感耦合等離子體質譜儀，用全自動固體測汞儀分析Hg含量；所述的底泥有機毒物分布分析包括六六六類和滴滴涕類有機氯農藥的分析；所述的底泥營養鹽含量分布分析包括對總氮(TN)和總磷(TP)含量分析，總氮含量使用的方法為堿性過硫酸鉀氧化紫外分光光度法，總磷(TP)含量分析方法為堿性過硫酸鉀氧化鉬銻抗分光光度法進行分析。

4)清淤工程量判定

采用網格法計算清淤工程量，即先對整個水庫水域面積進行網格劃分，確保每個網格內部都有一個底泥勘察取樣點，以各取樣點的底泥厚度數據、底泥沿深度方向的分層性狀為依據分別計算各取樣點所代表的網格區塊的清淤量，包括污泥層中的清淤量和過渡層中的清淤量，最后將各個網格的數據匯總，得到整個庫區的總清淤工程量。

5)生態清淤

根據步驟1)、2)4)得到的庫區水下地形數據，庫區底泥空間、深度分布情況進行分析，明確清淤施工方案，采用分層生態清淤方式利用環保絞吸式挖泥船分別清除底泥的污泥層和過渡層中的污泥；

生態清淤施工時需要準確掌握“密封吸挖、限速開挖、分區開挖、分條開挖、薄層開挖”的工藝要求，以達到環保清淤、精確清淤的目的，其具體要求如下。

環保清淤

密封吸挖、限速開挖、薄層開挖是生態清淤達到環保要求的具體措施。密封吸挖通過設備構造防止二次污染，而限速開挖、薄層開挖從施工工藝的角度滿足環保要求。

密封吸挖是生態清淤施工工藝的關鍵，所使用的設備為環保絞吸式挖泥船，所述的環保絞吸式挖泥船的環保絞刀頭上裝配有導泥擋板、絞刀密封罩、絞刀水平調節器等裝置。絞刀水平調節器可以使絞刀在水下作業時始終保持水平狀態，作業過程中絞刀外罩底邊平貼河床，絞刀密封罩將絞刀擾動范圍內的淤泥有效封蓋并通過泥泵充分吸入。

限速開挖要求清淤時嚴格控制施工參數，絞刀轉速控制在20～30r/min，橫擺速度在10～20m/min，從根源上減小擾動程度。

薄層開挖要求清淤時嚴格控制開挖深度，環保絞刀頭設計開挖厚度在20cm～40cm，開挖厚度要建立在額定轉速、泵吸濃度、絞刀凈深協調平衡的基礎上，避免出現泥量過大產生逃淤，泥量過小產生效率太低的情況。薄層開挖法應保證庫底淤泥被充分吸取，同時可提高開挖精度。

精確清淤

分區、分條開挖從施工工藝的角度，對施工工藝進行完善，以滿足精確清淤的要求。分區開挖可將水域劃分成若干區塊，區塊按40m×40m來劃分清淤單元，以清淤單元來控制清淤厚度和清淤后的底高程。

分條開挖是指在清淤單元內作業時，環保絞吸式挖泥船應配備定位系統，以扇形橫挖法為原理分條開挖，根據挖泥船橫擺有效寬度，設計分條寬度約40m，條幅間搭接1～2m(設計要求，避免漏挖)，避免漏挖和相鄰區塊塌方殘留。

6)脫水干化

對高含水率疏浚底泥進行機械脫水干化處理，所使用的脫水設備為板框式或履帶式壓濾機；

所述的機械脫水干化的施工工藝流程可簡單概括為沉淀池泥水分離、壓濾機脫水干化和尾水排放三個方面。

沉淀池泥水分離，絞吸上來的泥漿進入淤泥預濃縮裝置進行濃縮后，在沉淀池沉淀2至3天，目的是使淤泥初步減容。本發明根據不同的土性采用PAM、PAC與MgCl₂、Ca(OH)₂、聚合FeCl₃等無機物中其中一種的組合作為絮凝劑，這種絮凝劑配比可以實現高含水率底泥的快速泥水分離。

板框式或履帶式壓濾機脫水干化，在沉淀池中初步減水的底泥將輸送至板框式或履帶式壓濾機中進行處理，促使泥漿中泥質和水質迅速分離，實現淤泥脫水干化，最后添加固化劑攪拌完成淤泥固化，為滿足土方運輸和資源化利用要求，經過脫水干化后的底泥含水率應≤60％。

尾水排放、機械脫水過程中泥漿濃縮和脫水后的尾水需要進入尾水凈化裝置，經處理達標后方能通過管道排放。

7)、資源化利用

脫水干化后的底泥用作建筑材料，制磚，綠化用土，地表修復，路堤填筑材料，堤防填筑材料等；因機械脫水處理后的底泥含水率≤60％，處理效果好，可以滿足各種工程所需的填筑材料的要求。

如圖2-3所示，本發明采用設備，主要包括用檢測水庫水下地形和水庫庫底淤泥厚度的檢測裝置10、清淤裝置20和淤泥處理裝置30，

所述檢測裝置10包括用于檢測水庫水下地形的多波束測深儀1和/或單波束測深儀，及測量水庫庫底淤泥厚度的淺地層剖面儀2；

所述清淤裝置20包括環保絞吸式挖泥船4，環保絞吸式挖泥船4的絞刀頭41上設有U型絞刀水平調節器41-4，所述絞刀頭41的刀片41-1內周設有導泥擋板41-2；所述絞刀頭41后側面還設有絞刀密封罩41-3。

所述淤泥處理裝置30包括板框式或履帶式壓濾機12，和尾水凈化裝置13。

所述環保絞吸式挖泥船4和板框式或履帶式壓濾機12之間通過管路5(所述管路5包括設置在接力泵船42上的浮管51和設置在岸上的岸管52)連接，所述管路5上依次設有振動篩6、沉淀池7、濃縮池8、加藥間9和物料池11，物料池11內設有攪拌機11-1；所述濃縮池8設有余水處理裝置8-1和余水沉淀池8-2。

優選的，所述檢測裝置10還包括對取樣淤泥進行理化實驗分析的分析儀器；所述取樣淤泥通過流泥取樣裝置取樣3。其中，所述析儀器包括離子體質譜儀，分析Hg含量的全自動固體測汞儀；分析總氮含量和總磷(TP)含量的紫外分光光度儀。

底泥絮凝沉降試驗

底泥絮凝沉降試驗采用室內試驗模擬機械脫水過程中絮凝劑添加至沉淀池后的過程。絮凝沉降試驗在1000mL量筒中進行，配置的泥漿的目標含水率為400％。

試驗內容：

試驗選取5組不同成分配比的絮凝劑，除了300萬分子量陰離子型PAM(主要起絮凝沉降作用)和2g的PAC(主要起凈水作用)外，為了改善土質，將增加Na₂CO₃、Ca(OH)₂和MgCl₂作為對比材料。

試驗對比方案為：①5mlPAM+2gPAC。②5mlPAM+2gPAC+1gMgCl₂。③5mlPAM+2gPAC+2gCa(OH)₂。④5mlPAM+2gPAC+0.5gCa(OH)₂+2gNa₂CO₃。⑤5mlPAM+2gPAC+2g Ca(OH)₂+2gNa₂CO₃。

組合1和組合2的pH值呈現弱酸性，約為6，組合3～組合5的pH值呈現堿性，分別為7.9、8.6和9.0。從圖4中可以看出，各組試驗較原狀土沉降均出現明顯的清混分界面，尤其是組合3的上清液非常清澈。

試驗結論：

從加速泥漿中的土顆粒絮凝沉降、改善水質，減少水體渾濁度和改善土質三方面綜合評價。在1000mL泥漿中，采用5mlPAM+2gPAC+1gMgCl₂或5mlPAM+2gPAC+2gCa(OH)₂兩種不同的絮凝劑組合效果最佳，24h后沉降速率有所減緩，7d后自重沉降的含水率接近200％。

其中，各組分的作用如下：

1)PAM為污水處理廠常用的絮凝劑，可以加速土顆粒的絮凝沉降；

2)PAC(聚合氯化鋁)可以凈化水質，Al³⁺具有絮凝凈水的作用，聚(合)氯化鋁其絮凝作用表現在于水中膠體物質的強烈電中和作用、水解產物對水中懸浮物的優良架橋吸附作用以及對溶解性物質的選擇性吸附作用；

3)Ca(OH)₂和MgCl₂可以改善土質。

與常規絮凝劑相比的優點：PAM為常規絮凝劑，本專利中推薦的PAM+PAC+MgCl₂或PAM+PAC+Ca(OH)₂兩種不同的絮凝劑同樣可表現出常規絮凝劑PAM對加速土顆粒絮凝沉降的作用，同時考慮到改善水質和土質的要求，我們在原有基礎上加入PAC和Ca(OH)₂或MgCl₂。