深圳市石岩水库环保清淤工程实施探讨(图)

　　摘要:石岩水库淤泥重金属含量超标,这对水库的水质有可能造成严重影响。提出把水库内部分淤泥就近选择合适地形堆放,对淤泥进行封闭无害化处理,采取回填土对淤泥及受纳场残余淤泥进行封闭及水土保持等生态处理措施,以恢复水库有效库容和增加地表径流可利用量,并对淤泥覆盖的生态效果进行了分析论证。

　　关键词:水库底泥;环保清淤;水质;淤泥覆盖;生态效果

　　中图分类号: TV697. 31　　文献标识码: B　　文章编号: 1001-9235 (2010) 01-0052-04

　　1　概况

　　石岩水库位于深圳市宝安区石岩街道辖区西北角,始建于1958年,于1960年3月基本建成并蓄水运行, 1990年由农田灌溉型水库转为供水型水库, 1998年进行了扩建,同时兴建了茅洲河四级提升泵站抽取茅洲河水入库作为供水水源。水库集雨面积44 km2 ,多年平均径流量3 418万m3 ;正常蓄水位36. 59 m、设计洪水位38. 98 m,校核洪水位39. 94m,死水位27. 5 m;正常库容为1 690. 8万m3 ,设计库容为2 560万m3 ,总库容为3 198. 8万m3 ,死库容为60万m3。随着石岩街道和宝安区经济的发展,用水量快速增加,石岩水库已成为深圳市城市供水网络骨干工程之一,石岩水库年供水量达2. 3亿m3 ,担负着宝安区西部6个街道———石岩、光明新区、公明、松岗、沙井及福永的供水重任。

　　2001年深圳市宝安区水务局委托北京大学研究院对石岩水库底泥进行采样检测,结果表明淤泥内重金属含量严重超标,主要的污染元素为Ni、Cu、Zn、Cd等,严重超过当地土壤最高背景值10倍以上。根据石岩水库1996 - 2003年常规监测数据反映,总氮多年平均值为3. 28 mg/L,氨氮多年平均值为1. 43 mg/L (GB3828 - 2002Ⅱ标准,总氮≤0. 5 mg/L,氨氮≤0. 5 mg/L) ,总氮、氨氮等污染物严重超标,说明石岩水库的底泥已受到严重污染,对水库的水质造成了严重影响。石岩水库的库底淤泥分布面积为1. 914 km2 ,厚度最大达7. 3m, 33. 5 m水下淤泥总量达166万m3。

　　环保清淤工程是在不引起二次污染的前提下,对水库底泥实施清淤,最大限度的清除长期沉积在石岩水库中的重金属污染物,以解决水库内源污染问题。工程采取淤泥建库存放,余水经投药、沉淀、加氧曝气等多项措施处理后排入库内。整个清(淤) 、排(泥) 、存(放) 、余(水处理回收)系统形成自然“淤泥自重沉淀、水份蒸发渗滤、余水澄清去污、水体达标回收利用、堆场自然干化固结”的过程。

　　2008年初宝安区水务局组织完成了石岩水库环保清淤的一期工程建设。清淤一期工程由泥库(含拦淤坝及其上下游围堰、溢流沉淀池、泄水口、加氧曝气塘及截洪沟)和污染底泥清理(水下疏浚和陆地清淤)组成。泥库拦淤坝顶高程40. 10 m,坝长351 m,库容251万m3。工程实施后石岩水库水质明显改善,水库的各项指标有效提高。

　　石岩水库环保清淤二期工程建设是针对清淤一期工程存在泥库占地面积过大、占用水库库容过多、实际淤泥并没有填满及本地径流利用量有所减少等问题进行的。因此,本文提出把泥库内部分淤泥就近选择合适地形堆放,对淤泥进行封闭无害化处理,并采取回填土对淤泥及受纳场残余淤泥进行封闭及水土保持等生态处理措施恢复水库有效库容和增加本地地表径流可利用量。工程措施是将清淤一期泥库内的部分淤泥转至附近山坡堆放。

　　2　堆泥场址选择

　　2. 1　水库淤泥量估算

　　从清淤一期工程泥库竣工实地测量结果分析:泥库西北角淤泥堆放比较高,普遍在37. 0 m以上,局部最高点达到40. 4 m;其它绝大部分区域淤泥顶高程在35. 0～37. 0 m之间,局部小于35. 0 m。2008年9月,深圳市水利规划设计院完成了《石岩水库截污工程施工图设计》,其中东片区王家庄和石岩河截留的污水需通过箱涵和隧洞截流入水库下游茅洲河。为了减小截排隧洞的断面面积,在隧洞的上游径背村鱼塘东设置了东岸调蓄库,调蓄库规模为30万m3。经初步计算,泥库大坝与调蓄库大坝之间淤泥量约为76万m3。

　　2. 2　堆泥场址选择

　　2. 2. 1　选址原则

　　环保清淤二期工程堆泥场地选址的原则是将污染底泥堆放场地应选在水库兴利水位36. 59 m以上,不占用石岩水库兴利库容;场址选在水库控制范围内,以减少占地、拆迁等费用;就近靠山坡堆放、资源化利用;有利于进行封闭无害化处理;便于实施水保生态措施及利于营造景观效果。

　　2. 2. 2　场址选择(就近封闭处理方案)

　　该方案是先将泥库内积水全部抽至石岩水库截污调蓄库内,使淤泥固结后,将泥库内部分淤泥运至泥库附近山坡(脚)进行填埋,并用覆土进行封闭处理,再种植水源涵养林;泥库内剩余淤泥表面进行覆土封闭后种植对重金属有降解作用的水生植物。根据选址原则,泥库周边两侧山坡高程在40. 0～45. 0 m范围内可作为淤泥填埋处理场,堆放场址范围见图1。选择该场址具有以下几个有利条件:

　　a) 该区域表层土壤属于强风化区,粘土覆盖层较厚,土料储量丰富;

　　b) 石岩水库截污工程调蓄库料场即选在该区域,调蓄库大坝土料开挖产生料坑便于淤泥填埋和覆盖粘土;

　　c) 山坡(脚)地形坡度较缓,便于车辆进出料场,施工条件较好;

　　d) 山坡临近水库水位消落带,便于进行水源涵养林建设,并与消落带水生植物共同形成湿地植物带,起到环保作用及景观美化效果。

图1　淤泥就近堆放场址范围

2. 3　二期清淤工程规模

环保清淤二期工程是对清淤一期工程的优化和完善,即通过挖除泥库内顶层部分淤泥和对淤泥(面)进行封闭无害化处理,以在保证泥库内水质安全达标的前提下,恢复利用一部分泥库库容,同时增加可利用地表径流。

兴利水位及以下2 m范围为水位常变化区,即水库涨落带。同时考虑尽量多恢复部分库容,淤泥开挖可分为2 个区,即深挖区和浅挖区。

深挖区:位于泥库下半区,靠近泥库大坝,面积为33 815m2 ,约占开挖面积30% , 该区淤泥开挖高程为32. 0 m。

浅挖区: 位于泥库上半区, 靠近调蓄库大坝, 面积为80 863 m2 ,约占开挖面积70% ,该区淤泥开挖高程取34. 0～34. 5 m。

清淤泥量约为41. 8万m3 ,据现场勘察和实测资料,其中36. 5 m以上均可为工程用砂,约为10万m3 ,可以外运利用(目前正在外运中) ,实际环保清淤二期工程清淤量约为31. 8万m3。

3　环保清淤方式及淤泥覆盖技术方案

3. 1　淤泥处置和利用

淤泥处置和利用一般有3种方式: ①水下处理,即排入大水体或在具有特殊物理条件的水体下封闭处理。②隔离处置,即在合适的地方修建底泥隔离处置场来处置受污染底泥,也称为堆场。③综合利用,即采取治理与开发结合、集中利用与分散利用结合、长远利益与近期利益结合的原则,充分利用土地及底泥的资源价值,进行开发利用,如作绿化用土、制造建筑材料等。

石岩水库底泥的性质,其重金属含量严重超标,不能作为农业、园林绿化的培植土。石岩水库环保清淤一期工程是采取修建泥库对淤泥进行隔离处置。二期工程是对一期工程进行优化和完善,采取隔离与封闭处理相结合的方式对泥库内的淤泥做进一步处理。

3. 2　清淤方式选择

采用抽水泵把泥库内积水排干水后直接挖掘,而后可使用普通泥土运输车运到处置场地。这种简单原始的挖掘工艺,以大开挖为特点,在技术和施工方面难度不大。其优点是:挖除的淤泥已经基本固结,可直接运往处置场,也便于及时进行淤泥场封闭处理;泥库内积水已被排走,也便于对剩余淤泥进行封闭处理;工期短、费用低,可在一个枯水期完成工程建设。因此,比较适合于本工程,为本次推荐的清淤方式。

3. 3　淤泥覆盖措施

a) 堆放场淤泥封闭处理。淤泥堆放填埋场位置选在调蓄库大坝料场开挖区,即泥库两岸40. 0～45. 0 m山坡范围内。对泥库内被清除(挖出)堆放于山坡填埋场的淤泥需进行封闭处理,采取的措施是在淤泥表面上覆盖0. 5 m厚的粘土或砂性土,增加淤泥整体稳定性,以阻止淤泥表面因受雨水冲刷,而产生移动,重新进入泥库;也防止淤泥中超标的有毒重金属随雨水再度进入泥库。填埋淤泥量为31. 8万m3 ,淤泥平均厚度4～5 m,填埋场水平投影面积6. 25 hm2 ,淤泥堆放坡度小于1∶10。在堆填场场底设置导排防渗层:堆填场开挖时底部开挖成斜坡,控制坡比1∶100,倾向截污工程调蓄库方向;在场底由上至下设置复合土工排水网、GCL (钠基膨润土垫) 。布设导排盲沟及集水井:在堆填区场底下游坡脚布置一条纵向导排主盲沟,主盲沟上每隔约50 m距离布置横向的支盲沟。导排盲沟为梯形断面,尺寸0. 5 m ×0. 5 m,坡比为1∶2. 0。在主盲沟的最低点(靠近截污工程调蓄库大坝坝端下游坡角处)设置DN500集水井。

b) 淤泥渗液抽排:淤泥渗液通过导排防渗层、导排盲沟中到集水井,再采用污水泵抽排至截污工程调蓄库内。岸坡堆填场以上山坡相对较陡,为避免这部分雨水冲刷填埋在淤泥上的覆土,确保淤泥填埋效果,并将山坡干净汇流直接截入水库,拟在两个淤泥堆填场外围分别布置1条截水沟,收集坡面雨水集中排入水库。排水设计标准为20年一遇,排水面积分别为0. 06 km2 和0. 07 km2。截水沟采用梯形断面,尺寸1 m×0. 8 m,坡比1∶1. 0,浆砌石结构,总长约1. 71km。

c) 泥库内淤泥封闭处理。对泥库内高程在32. 0～34. 0m以下的这部分没被清除的淤泥结合施工期泥库排水后场地淤泥表面已固结的条件,在淤泥上覆盖0. 5 m厚的粘土或砂性土,进行淤泥封闭处理,防止这部分淤泥中超标的有毒重金属随雨水进入主库。泥库淤泥覆盖土面积15. 93 hm2。

d) 淤泥封闭处理的安全性和可靠性。由于淤泥堆放填埋场选在石岩截污工程调蓄库大坝料场开挖形成的基坑,经过导排防渗工程处理形成的堆放场,淤泥渗液可以通过导排防渗层、导排盲沟集中到集水井,采用污水泵抽排至石岩水库截污工程调蓄库内,再通过石岩水库截污工程系统收集到污水处理厂。要填埋的淤泥经过排水固结处理后再堆填,堆填过程中也要压实处理,在淤泥上覆盖0. 5m厚的粘土并且恢复植被,此外,堆填场外围又部署一条截水沟,因此,堆填场土体是稳定的,堆填场是安全、可靠的。

3. 4　生态修复措施

3. 4. 1　库岸水源涵养林

堆放填埋场是利用石岩水库截污工程调蓄库大坝土料开挖料场地(调蓄库大坝需土料约10万m3 ) ,并进行适当扩展,填埋清除的泥库内部分淤泥,并对淤泥表面进行覆土封闭。同时在淤泥堆放填埋场种植以观赏树种为主的水源涵养林。水源涵养林既可以涵养水源,又可以防止水土流失。该区水源涵养林种植在泥库两岸高程36. 59～45. 0 m之间的山坡脚上,种植面积12. 32 hm2。结合淤泥填埋场均位于山坡下位的特点和立地条件,选择以观叶树种为主,如:勒杜鹃、小叶榕、鸦胆子、南洋楹、鸭脚木、藜蒴、野漆树、厚朴、牛耳枫等地带性森林群落的建群种和观赏价值高的树种;形成多层次、多树种的森林植物群落和优美的河岸景观。

3. 4. 2　库湾水生植物

3. 4. 2. 1　总体布置

在泥库库区消落带内,结合淤泥覆土封闭处理,并根据水位变化规律营造植物过滤带,选择能够富集重金属的水生植物,形成水生植被过滤系统,抑制淤泥内重金属向水体的释放。在水库兴利水位以下范围内,海拔高程32. 5～36. 59m间营造库湾生态水生植物带(生态湿地) ,面积约15. 93hm2。

3. 4. 2. 2　水体一陆地一植被系统结构

该区域是水域和陆地两种界面交互延伸及过渡形态的自然体,处于大气系统、陆地系统与水体系统的界面交合处,存在着联结各界面的水体一陆地一植被一大气界面系统。水生植被过滤系统由各类喜湿、抗性强、吸附能力强的植被组成。根据水位高度变化,分别布设3带植物过滤系统,包括水生乔木缓冲带、挺水植物过滤带和浮水植物过滤带,形成特殊的湿地景观。

　　

图2　淤泥覆盖及生态修复平面布置图

 

3. 4. 2. 3　植物品种选择及系统结构设计

　　a) 乔木缓冲带。在滩涂高程(水位) 35～36. 59 m范围内,选用耐水淹乔木树种,营造缓冲植物带。树种选用水榕、水翁、池杉、水松、落羽杉等亲水植物,组合形成四季常青植物美化景观,种植面积4. 46 hm2。岸坡植香根草、铺地黍以及栀子、马甲子、勒仔树等亲水性灌木。乔木株行距3 m×3m,灌木株距1. 5 m。

　　b) 梃水植物带。在泥库覆土表面高程(水位) 34. 5 ～35. 0 m,种植耐污能力强、成活率高的梃水植物,形成一个独特的动植物生态环境,对淤泥重金属进行富集,种植面积8. 09 hm2。植物品种以水葱、茭草、水生鸢尾、芦苇、石菖蒲、花叶菖蒲、再力托、纸莎草、埃及纸莎草、水生美人蕉、千屈菜、风车草、睡莲、芜萍、雨久花、黄花蔺、复序飘拂草、银鳞荸荠为主。

　　c) 浮水植物带。在泥库覆土表面高程(水位) 32. 5 ～34. 5 m范围内(靠近泥库大坝) ,种植叶片飘浮在水面的植物,如浮萍、水浮莲、睡莲和凤眼莲等,种植面积3. 38 hm2。

　　3. 5　淤泥覆盖生态效果分析

　　3. 5. 1　覆盖法修复效果研究

　　覆盖法是将土、砂、砾石等材料覆盖在污染底泥上,将底泥与水体隔离,以防止底泥中的污染物向水体迁移扩散。到目前为止,国外原位覆盖技术已经在河道、近海岸、河口等区域较广的使用。覆盖(掩蔽)作为底泥的一种原位处理技术对污染底泥的修复效果非常明显,而且工程造价低,能有效防止底泥中PCBs、PAH及重金属进入水体,对水质有明显的改善作用,不论是有机污染还是无机污染类型的底泥均适用。世界上首例原位覆盖工程1978年在美国实施,随后日本、挪威以及加拿大等国相继实施了这一技术。1984年在华盛顿西雅图Duwamish航道实施了沙子覆盖工程以控制重金属及PCBs的污染,覆盖厚度为0. 9 m,效果比较明显,虽一小部分沙子被风浪卷起,但通过自然沉降又将底泥掩蔽住,1996年对该工程的监测表明未见覆盖层被侵蚀,对污染物隔离仍十分有效。国内薛传东等选取天然红土,添加适量的粉煤灰及石灰粉作为掩蔽覆盖物,对滇池富营养化水体进行现场修复实验。研究表明,用天然矿物材料减小底泥内源营养盐负荷的释放修复富营养化水体的效果良好;红土是有效的底泥覆盖材料,添加粉煤灰和石灰粉有助于消减底泥中TP、TN的释放量。

　　3. 5. 2　水生植物修复效果研究

　　水生植物修复是利用某些水生生物吸收底泥中重金属、氮、磷养分的能力,将这些养分合成自身机体,从而可以净化底泥中的污染物。杨荣敏等通过对太湖底泥磷释放特性条件试验及其结果分析得出,相对于无草底泥而言,不同模拟条件下,生长有沉水植物苦草底泥、挺水植物芦苇、茭白根部底泥的可溶性磷释放量都比较小,其中苦草、芦苇底泥降低的效果最好,茭白的效果次之,表明水生植物对底泥磷释放有抑制作用。

　　简敏菲等对鄱阳湖的凤眼莲、浮萍、芦苇、两栖蓼、金鱼藻、栖草、水蓼、水蜈蚣、大马蓼、喜旱莲子草、羊蹄等植物含重金属量进行测定,结果表明:各种水生植物对重金属元素都具有不同程度的富集能力,而大部分植物对铜、锌的富集能力较强,而对铅、镉具有较强的耐受能力;且不同植物对重金属元素的富集与其土壤、底泥的背景值有一定的相关性,土壤背景值越高,植物的富集能力也越强;但随着土壤背景值的增加,植物的富集能力不会无限量的增加而是趋于一个稳定值。

　　童昌华等通过人工模拟的方法,进行了用狐尾藻、凤眼莲两种水生植物来控制湖泊底泥营养盐释放的研究。水生植物能有效抑制底泥中TN、TP、硝态氮和铵态氮的释放。

　　3. 5. 3　覆盖法与植物修复法相结合对水库底泥的修复效果

　　由覆盖法研究结果可知,覆盖法可以有效阻止底泥中的重金属和营养盐的释放;由植物修复法研究结果可知,植物修复法可以利用植物对重金属和营养盐的吸收利用以达到底泥净化的目的。因此,覆盖技术与生物修复技术相结合,通过清洁底泥或泥沙原位覆盖,一方面将底泥中污染物与水体隔离;另一方面为水生植被的恢复提供良好的底质条件,从而净化水域,起到保护水生态环境的目的。本项目是将一部分底泥采用就近异地填埋与植物修复相结合的方法进行资源化处理,另一部分底泥采用原位覆盖与植物修复相结合的方法进行处理。以下对两种方法的可行性进行分析。

　　对于就近异地填埋的底泥,堆放填埋场位于调蓄库大坝料场开挖区,采用0. 5 m厚的黏土或砂性土对淤泥进行覆盖,并在其上部恢复植被。覆盖土和植被可以防止淤泥中的重金属和营养盐随地表径流再度进入泥库。而且植物生长过程中可以吸收利用部分重金属和营养盐,对底泥具有一定净化作用;同时,为了有效抑制重金属重新回到泥库,在堆放填埋场和水库之间留有一定距离,起到土坝作用,以阻止重金属随地下径流进入水库。

　　对于库内剩余底泥,结合施工期泥库排水后场地淤泥表面已固结的条件,在淤泥上覆盖0. 5 m厚的黏土或砂性土,进行淤泥封闭处理,种植水生植物,也防止这部分淤泥中超标的有毒重金属由于水的浸泡再度进入主库。由国内外研究可知,覆盖法可以有效控制重金属的释放,植物通过吸收利用重金属,可以有效净化底泥和由底泥扩散到水中的重金属;通过对水生植物的收割,使底泥得到净化。因此,此方案对底泥中重金属的控制与净化具有可行性和有效性。

　　4　结语

　　a) 石岩水库环保清淤工程是一个公益性项目,为宝安区居民能饮上优质水提供了保障。饮用水水质的提高,保证了宝安区人民的生活、生产安全,其社会效益是显著的。

　　b) 石岩水库清淤二期工程是对清淤一期工程淤泥的资源化利用,工程实施后泥库的污染淤泥将被有效覆盖隔离,阻隔污染淤泥超标重金属的释放,有效地减少淤泥对上覆水体的污染;二期工程共挖除了一期泥库内淤泥41. 8万m3 ,可增加石岩水库兴利库容约23. 80万m3、增加当地径流可利用量35万m3。

　　c) 淤泥被覆盖后种植水源涵养林及水生植物,可以进一步净化入库水质,并形成河口湿地景观效果,对恢复河口生态系统和美化环境都有重要意义。

　　作者简介:冯利平,男,广东高州人,主要从事水库工程建设管理工作。