李莎莎，卞志明

(北京京水建设集团有限公司，北京 100193)

萧太后河是凉水河的1条分支，位于北京市朝阳区的东南方向，其朝阳段河道长约12km，总流域面积约27.41km2。由于大量的污水直排，在很长一段时间，萧太后河是全国著名的“牛奶河”，2013年，专为治理萧太后河的污水处理厂开工运转，2017年，开展河系综合治理工程和人工湿地建设工程[1]。经过多年努力，萧太后河的水质已得到显著改善。受限于城市内部的环境，清淤船的布置。运输管道的安装、淤泥堆放地点的选择都有很多制约，这种渠外堆放等待淤泥干化的方式不仅会占据较大的空间，花费时间长，还可能对淤泥堆放的地点造成二次污染[2]。近年来，国内外学者都对疏浚工程的改进有研究。刘飞禹等学者提出一种电渗试验装置，对疏浚淤泥进行无机絮凝剂电排水试验[3]。皮尧等学者采用磁凝聚技术结合絮凝剂净化淤泥脱水固化尾水，有效处理该类尾水中的污染物[4]。Ding A等学者改进了能量解耦工艺，结合低压超滤膜工艺回收污泥水，提高了污泥减量的效率[5]。Cydzik-Kwiatkowska A提出一种好氧颗粒技术用于处理废水，减少了处理成本和工作量[6]。以上学者的研究都对污水或污泥的处理有一定改进，但仍然属于渠外固化的方式。为解决萧太后河淤泥疏浚工程中堆积的大量淤泥，研究采用原位固化和岸边淤泥池固化两种方案，并结合堤岸护坡工程和人工湿地进行联合治理，以期对萧太后河的治理做出贡献。

1 淤泥疏浚系统和生态堤岸护坡工程

1.1 原位固化和岸边淤泥池固化的脱水固结一体化清淤方案

淤泥固化的方案需要根据实际情况进行选择，通常有原位固化和岸边淤泥池2种固化方案[7]。当需要清淤疏浚的水域周边水系发达，会导致水域整体淤泥层厚度较大，补给水会持续冲击固化搅拌过程中的淤泥，导致淤泥的均匀性无法满足要求，面对这种情况就不能采用原位固化的方案。当采用岸边淤泥池固化方法时，需要严格测量沿岸水文、地质数据，考虑气候变化，按照标准修建淤泥池和容器，并保证容器的平整度和垂直度。由现场实地勘测得出，萧太后河大部分河段的淤泥固化厚度在1m左右，但部分河段淤泥厚度在2m以上，最大接近4m。主流固化搅拌设备的固化参数一般为0.8m到1.2m，需要同时使用两种固化方法。对无法采用原位固化的河段采用岸边淤泥池固化方案，随机抽取三处岸边淤泥进行物理指标测试，见表1。

表1 岸边淤泥物理指标

由于3组数据数值较为接近，因此在制定具体施工方案时可使用其平均值，密度取1294.33kg/m3，含水率取70.33%，液限取45.62%。又因为萧太后河属于中小型渠道，固化剂构成为zyz325高效清洁固化剂、粉状石灰、固化用水泥，质量比为40:50:10。此配比需根据天气、进度、禁运状态等情况及时调整，确保材料可控。对于淤泥脱水固结一体化技术采用的脱水固化剂配方为：金属氧化物Al2O3，Fe2O3，CaO，非金属氧化物SiO2，SO3，聚二甲基二烯丙基氯化铵。其配比按照3%～8%掺加，必要时可添加适度的水泥、石灰和高钙粉煤灰。淤泥脱水固结一体化流程如图1所示。

在图1中，疏浚泥浆通过绞吸器疏浚，然后通过管道送入除渣系统。除渣系统分为分级沉淀和栅栏机两个部分，分别去除较大的沉渣和漂浮碎渣。除渣后进行泥浆调和，改变泥浆内部结构，为后续工序做准备。对调和完成的泥浆进行泥水分离，最后脱水形成含水率低于50%的泥饼。淤泥固化脱水系统的实际布设如图2所示。

图1 淤泥脱水固化一体化流程

图2 淤泥脱水固化一体化系统

根据大量的实际工程经验，脱水剂的主要材料为石灰、粉状煤灰和PAC絮絮凝剂[8]。脱水剂的用量取决于底泥干物质的含量，比例在10%左右。在施工过程中，内控检测必须对浓度、含水率、调理性质等指标进行检测，而外委检测负责抽查泥饼浸出液的重金属含量，如指标达标，即可用于堤岸护坡建设或者工程回填。

1.2 基于空腹式混凝土预制块的生态挡墙

工程选用空腹混凝土预制块作为堤岸护坡的主体材料，具有轻巧美观、安装便利的特点，组合、咬合、交错性能良好，能够提升护坡整体稳定性和空间性[9]。为了增加护坡的承载能力，可以根据不同的地质条件进行不同的处理，例如削坡减负、安装挡板、增加连接螺栓、在建基面挖掘挡坎等多种方式。进行建基面工程时应选用合格的混凝土泵机、长短臂反铲机等机械设备，能够有效节约工程时间。根据萧太后河的实际需求，不仅要满足水体治理标准，还需要满足生态需求。通过设置反滤碎石层、种植水生植物等方式减少水土流失，增加护坡的结构稳定性和观赏性。生态堤岸护坡的工艺流程如图3所示。

图3 生态堤岸护坡建设流程

相较于一般堤岸护坡，生态挡墙具有施工效率更高、抗沉降能力更强、抗偏移能力显著、生态环保、利于景观塑造等特点，其断面如图4所示。

图4 生态堤岸护坡断面

图4中的生态护坡的主体结构是空腹式混凝土预制块，能够进行连锁式安装，且前期处理较为简单，能够有效提升施工效率。通过降低挡墙侧方压力，分散自身重力，可以防止护岸沉降和偏移。施工过程中启用履带式吊装设备，减少气候变化对施工进度的影响。设置反滤层可以防止水土流失，增加河流的自净能力，护岸箱室内以碎石填充，方便水生生物活动。预制块分两层拼装，相邻阶层之间形成花槽，可在花槽中种植植被，既能进一步防止水土流失，也更加美观。

2 萧太后河人工湿地治理分析

2.1 人工湿地治理效果和阶梯式布局

萧太后河在治理前常年为劣Ⅴ类水体，在经过近十年治理后，水质有显著改善，对已有人工湿地进行出水水样取样检测，结果见表2。

表2 人工湿地水样检测结果

根据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中规定的地表水分类标准，萧太后河已达到地表水Ⅴ类水质标准。高锰酸盐指数是常规水质指标，叶绿素a是辩证藻类生物量的指标，其主要成分是氨和氮[10]。在对萧太后河治理过程中，人工湿地的作用不可忽视。人工湿地系统对污水的额净化机理非常复杂，主要通过微生物对水中的氨、氮、总氮等物质进行硝化或反硝化，其化学式如式(1)—(3)所示。

(1)

式(1)为硝化反应式，将铵盐氧化生成硝酸、氢气和水，减少水体中的氮元素。

(2)

式(2)为反硝化反应式，硝酸和葡萄糖进行反应，生成氮气和二氧化碳，而氮气也会进入空气中，达到减少水体氮元素的目的。

(3)

式(3)是式(1)和式(2)的总反应式。

人工湿地具体参数的确定如下：

(4)

式中，QX—每日需要循环处理的水量，m3/d；V—景观水体中的总水量，m3；T是—静止停留时间，d。

人工湿地的面积计算：

(5)

式中，AX—所需人工湿地的总面积，m2；HL—水力负荷，m3·m2·d。

水力停留时间的计算：

(6)

式中，HRT—水力停留时间，h；V1—湿地的容水容积，m3；V2—湿地的进水量，m3/d。根据萧太后河的水文资料，计算出人工湿地参数的具体数据见表3。

表3 人工湿地具体参数

萧太后河的人工湿地采用阶梯式布局，利用高程差为湿地运转提供能源，除抽水泵需要电力驱动，其他处理环节均不需要外界动力，实现低碳环保。萧太后河的人工湿地布局如图5所示。

图5 萧太后河阶梯式人工湿地布局

图5中，人工湿地被分为5个部分，四级湿地和一个臭氧池。其中，三级表流湿地是池塘湿地，四级表流湿地是浅沼泽湿地，每个湿地单元进行串联运行，同周边功能区域通过栈道和石板路连接。在功能上，一级潜流湿地和二级潜流湿地都是沙砾滩过滤区，由一定比例的土壤、粗砂、砾石、鹅卵石组成，在里面栽种菖蒲等成活率高、抗水性强、生长周期长、美观且具有一定经济价值的水生植物，能够有效去除水面上的悬浮颗粒。臭氧池的作用是对水质进行稳定调节，提高水体的含氧量，为动植物提供更优秀的生存环境。三级和四级地表湿地的作用是依靠生物膜、丰富的植物根系进一步提高治理效果，通常采用挺水、漂浮混合种植的布置形式。

2.2 立体水深设计和碎石驳岸设计

城市河流位于城市，城市的特殊性决定了城市河流相较于其它河流具有更多的意义[11]。萧太后河的湿地建设充分考虑到了对水体的净化能力，但一定程度上忽视了人工湿地的生态、观赏功能。为了进一步对萧太后河沿岸人工湿地进行优化，从水体深度设计、驳岸设计两个角度进行改进。在萧太后河流域中，动植物种类较为丰富，对水体的深度需求跨度较大。国际城市野生生物研究所的研究结果表示，在水体深度到达0.4～0.6m且水域面积为25%～50%的环境中，设计深度满足水体深度为0.9～1.2m且水域面积达到50%～75%，湿地生物的生态价值可达到最大值[12]。考虑到萧太后河水域及流域内的特殊水文、气候、地质条件，以浅水水体设计为主，平均水深为1.0m，局部水深小于0.15m，又因为华北地区冬季会有较厚冰层，故最深为1.2m。若部分河段存在深水鱼类或者甲壳类生物，水深需增加到3～4m。人工湿地水体深度改进如图6所示。

图6 人工湿地水体深度改进

由于萧太后河的底层土质结构较为松散，为了保证常年有水，部分河道需要做防渗透处理。目前采用的防渗手段为铺设防渗膜，但长期铺设防渗膜会使水体恶化，严重影响水体的各种功能，尽管防渗膜的铺设价格仅为10～15元/m2，但造成的间接经济损失非常大。因此，建议改用膨润土防渗，膨润土具有自我修补能力，可以防止植物根系穿刺，兼顾水生动植物生长，本身对人体和环境无害，北京地区的市场价格为900～1800元/t，铺设深度要求为400mm，取压实评价为90%，密度0.9，造价相当于850～1700元/m2。萧太后河使用的驳岸处理方式共有4种，见表4。

表4 驳岸处理方式

针对刚性结构存在的问题，提出一种碎石水岸代替刚性结构。碎石水岸是一种复合处理方法，利用山石、石块、卵石、生态袋、覆土石笼等多种材料进行搭建，并辅以丁字植物坝加固，以植物和石头结合的护岸工法，不仅能够节约工程量，减少工程对生态的影响，为部分水生生物提供栖息地，还能增加驳岸的观赏性。

3 结论

对北京市城市水域的生态治理并不是一项能够一蹴而就的工程，而是在治理过程中不断改进不断完善的过程。对萧太后河的治理工程只是一个缩影，但由于萧太后河受污染程度高，水文相对复杂，流经区域跨度较大，因为具有较强的代表性，其治理过程中应用的技术和方法可以被其他城市借鉴并因地制宜地改进。研究在萧太后河现有的治理基础上提出一定的改进措施，能够提升治理的生态、经济和景观效应。研究的创新点在于生态挡板的构筑方案和人工湿地的改进方案，研究的不足之处在于对于人工湿地建设的研究不够深入，未探讨植被种植选择、生物引入品种等细致问题，可作为日后工作的改进方向。