利用疏浚底泥制備生態護岸材料在河道原位生態治理中的應用

田 旭，何貴堂，王 鐵，孫即梁，李默挺，董家晏，季福志

(1. 堡森〈上?！淡h境工程有限公司，上海 200441；2.上海市政工程設計研究總院〈集團〉有限公司，上海 200990； 3.上海理工大學環境與建筑學院，上海 200992)

生態護岸，兼有動植物棲息生長和工程結構穩定的優點，能為各種水生生物提供生存和繁衍的空間，同時,對提高生物多樣性、治理水土流失、穩定河岸、增強河流自凈能力以及改善河流水環境等具有顯著的邊緣效應[1]。生態型河道概念在國外發展時間較早，英國采用了“近自然河道”設計技術，例如，在最繁忙的蘭戈倫運河航道上，采用生態效益較好的椰子纖維卷生態護岸技術[2]。荷蘭強調河流生態修復與防洪的結合，提出了“給河流以空間”的理念，試圖從河流管理的角度出發，實現“與自然同在”的想法[3]。1989年美國提出了“生態工程學”(ecological engineering)的概念，并從20世紀90年代以來，將河道生態修復作為水資源開發的必須考察項目，且取得了很大的成果[4]。20世紀90年代日本開展了“創造多自然型河川計劃”，采取了放任自流的方式來恢復河流景觀：堤壩改用天然的石塊鋪筑，提供了動植物生存的環境，使河流恢復了自然生態的景觀[5]。

當前土壤生物工程護岸技術已經成為歐美國家主要的護岸形式，已經成功應用到許多河流保護工程中[6]。近年來, 國內對中小河道綜合整治中的生態護岸技術研究有很大進展，肖紅霞[7]對已有的河道緩沖帶生態護岸模式進行了研究，并在功能和用材上進行了歸納和總結。王貞[8]總結了適宜鄉土植物介入的城市河流生態護岸的范圍以及生態景觀設計的策略，首次提出了以鄉土低矮植物介入城市河流護岸的方法來營建安全健康、環境友好、美觀親民的生態水利工程景觀的理念。

崇明中小河道眾多，水流侵蝕岸坡較普遍，底泥含沙量高，因此，傳統中小河道整治多采取河道疏浚清淤、水陸交接處打混凝土板樁、密排木樁等剛性材料作護岸，這類硬質護岸的優點是抗水流沖刷、邊坡穩定性好、能發揮河道疏洪排澇的作用。但由于硬質護岸在涵養水源、凈化水質、營造動植物棲息環境等功能方面缺失，對生態環境產生較大負面影響，導致護岸生態功能缺失。同時，疏浚清淤產生巨量淤泥，運輸處理成本高、堆放占用有效土地資源，且易對堆場周圍土壤、空氣環境等產生二次污染[1]。崇明目前在建“世界級生態島”，本文使用ISER技術將疏浚底泥原位制作生態護岸、護坡，進行河道基礎重建和生態恢復，達到疏浚底泥“取之于河，用之于河”的生態目標，具有顯著的環境效益和經濟效益。

1 疏浚底泥生態護岸參數設計和性能測試

1.1 疏浚底泥的理化性質

試驗所用底泥采集自向化鎮某河道，一般取河底表層0～30 cm的沉積物。對采集回來的底泥進行自然風干，測試底泥粒徑，大部分集中在5～75 μm，屬于粉質黏土。其主要理化性質和重金屬含量如表1～表3所示。

表1 疏浚底泥基本理化性質Tab.1 Basic Physical and Chemical Properties of Dredged Sediments

表2 試驗疏浚底泥化學成分Tab.2 Chemical Composition of Tested Sediments

表3 試驗疏浚底泥中主要重金屬含量(單位：mg/kg)Tab.3 Content of Main Heavy Metals in Tested Sediments(Unit: mg/kg)

1.2 疏浚底泥生態護岸配合比設計

原位利用疏浚底泥制備生態護岸材料配合比設計如表4、表5所示。

表4 疏浚底泥制備生態護岸目標參數設計Tab.4 Designed Target Parameters of Ecological Revetment after Solidified Sediments

表5 疏浚底泥制備生態護岸配合比設計Tab.5 Mix Proportion Design of Ecological Revetment after Solidified Sediments

1.3 疏浚底泥生態護岸主要性能指標測試

1.3.1 固化泥抗剪強度分析

疏浚底泥固結以后用于河道護岸結構體，應具有一定的抗剪切能力，即抗滑移性?？辜羟袕姸仁侵冈谕饬ψ饔孟?，一部分土體對另一部分土體產生相對滑動時具有的抵抗剪切破壞的極限強度。由土顆粒之間的內摩擦角φ及膠結物和束縛水膜的分子所產生的凝聚力c這2個參數作為土的抗剪強度指標。根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)，利用三軸壓縮固結不排水試驗方法對所制得底泥材料的內摩擦角和凝聚力進行測量，不同齡期的c、φ值如表6所示。

表6 疏浚底泥不同齡期的c、φ值Tab.6 Value c and φ of Solidified Sediments in Different Curing Time

材料的抗剪切力是坡岸抗侵蝕和穩定性的重要指標[3]。一般認為，表層和淺層的土壤剪切力值越高，坡岸表面滑坡的可能性越小，穩定性越高[4]。由表6中疏浚底泥不同齡期的c、φ值可知，疏浚底泥經固結后抗剪切性能改善顯著，并隨疏浚底泥固結體齡期的增加而增大；隨著后期植被生長，植被根系進入固結體后，在植被根系協同作用下，生態護岸的抗剪切強度進一步增強，岸坡的抗滑移性和穩定性得到顯著改善。

1.3.2 固化泥無側限抗壓強度分析

將疏浚底泥和固結劑、添加劑按表2～表5配比混合攪拌，使用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試模制備疏浚底泥生態護岸結構體試塊，養護至規定齡期后將其放置于電腦全自動水泥抗折抗壓試驗機上，以0.03～0.15 kN/s的速度均勻連續地對試件加壓至試件破壞，記錄破壞荷載P。利用式(1)計算出試件的無側限抗壓強度。

f=P/A

(1)

其中：f——無側限抗壓強度，MPa；

P——破壞時最大力，N；

A——試件的承壓面積，mm2。

材料抗壓強度是坡岸穩定性的重要指標。一般認為，土壤的固結強度值越高，坡岸下沉垮塌的可能性越小，穩定性越高。由表7中疏浚底泥不同齡期的固結強度值可知，當疏浚底泥外摻固結劑為7%、秸稈粉為2%、樹脂粉為1%時，其固結強度隨齡期的增加逐漸升高；且固結體的28 d抗壓強度為0.92 MPa，符合表7設計要求。

表7 疏浚底泥不同齡期無側向抗壓強度值Tab.7 Unconfined Compressive Strength of Solidified Sediments in Different Curing Time

1.3.3 固化泥干密度和孔隙率

疏浚底泥生態護岸結構體的干密度與其孔隙率關系密切，通過測量利用疏浚底泥固結制備出的生態護岸結構體的孔隙率和干密度，分析對比孔隙率干密度之間的關聯性能。

由表8可知，疏浚底泥固結體干密度為1.2 g/cm3、孔隙率為31%，符合表2～表4設計要求；高孔隙率能有效增加疏浚底泥固結體的比表面積，為河道微生物群落繁殖提供良好的載體，并為水陸能量和物質交換提供良好通道。

表8 疏浚底泥制備生態護岸結構體干密度和孔隙率值Tab.8 Dry Density and Porosity Value of Solidified Sediments Used in Ecological Revetment

1.3.4 固化泥的重金屬浸出安全性

對制備出的疏浚底泥生態護岸結構體進行重金屬浸出試驗，測量其浸出液是否滿足國家的相關標準，探究其環境安全性。根據《固體廢物浸出毒性浸出方法-醋酸緩沖溶液法》(HJ/T 300—2007)進行測定，浸出液使用Optima 8000 ICP—OES(PerkinElmer公司)測定分析重金屬含量。疏浚底泥固結體重金屬浸出濃度與國家相關標準試驗結果如表2～表9所示。

對疏浚底泥固化體進行重金屬浸出試驗，由表9可知，各重金屬浸出濃度均遠小于《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)和《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)中各重金屬濃度指標，說明疏浚底泥固結制備的生態護岸不會使重金屬污染物再次浸出而造成二次污染，固結劑對疏浚底泥的處理具有良好的固化、穩定化作用。

表9 重金屬浸出濃度 (單位：mg/L)Tab.9 Leaching Concentration of Heavy Metals of Solidified Sediments (Unit: mg/L)

2 原位利用疏浚底泥制備生態護岸應用案例

2.1 工程概況

向化鎮位于崇明島東部，東與中興鎮接壤，西與堡鎮、港沿鎮相鄰，南北兩端皆臨長江，境內地勢平坦、物產豐富、空氣新鮮、環境潔凈。向化鎮區位優勢明顯，東近上海長江隧橋(10 km)，北接崇啟高速公路，鎮政府所在地是全縣規劃中6個重點建設的集鎮之一。向化鎮水系發達， 縱橫各村內,建設村村域內部有六滧河、南橫引河2條主干河道，組成建設村的水網系統。鎮內有多條南北向河溝，河塘散布各村域內，用于灌溉耕地，大多河溝較為雜亂無序。此項目主要是對向化鎮鎮示范河道進行生態治理，包括河道疏拓、護岸建設、沿河綠化種植以及其他設施配套等工程內容，發揮河道調蓄、防洪除澇和水資源調度的功能，防止岸坡坍塌、減小水土流失、解決河道淤積等問題，修復河道水生態系統、改善水質、改善區域生態環境，達到安全、資源、環境、景觀、休閑等綜合功能，完善河道功能。作為向化鎮美麗鄉村綜合改造中河道生態綜合整治示范工程，采用自主發明的一種基于疏浚底泥原位固化制備生態護岸進行河道生態修復(申請專利號: 2018105885353)。該生態護岸長度約為1.6 km，結構包括底部基礎、生態隔梗、種植護坡區域，各個部分沿著河流到河岸的水平方向依次布置。工程項目設計及施工斷面如圖1所示。

圖1 ISER型生態護岸設計標準斷面圖Fig.1 Standard Design Cross-Sectional View of ISER Ecological Revetment

2.2 原位利用疏浚底泥制備生態護岸工藝路線

原位利用疏浚底泥制備生態護岸工藝路線如圖2所示。

圖2 原位利用疏浚底泥制備生態護岸工藝路線圖Fig.2 Technology Roadmap of Ecological Revetment Construction by Use of In-Situ Solidified Sediment

疏浚底泥固結完成后的生態護岸工程主要有兩方面的生態功能：一是保持河岸的結構穩定性，穩固河岸以確保河岸物理生境的完整性; 二是提高河岸的生態穩定性，區域植被覆蓋度、區域水土流失情況明顯改善，使整個河流生態系統健康發展。

3 工程項目效益觀測

2018年4月向化鎮部分生態河道建設工程完成后，為了評估生態護岸、護坡技術的生態效果，對施工前和1年后的河岸區域植被覆蓋度、區域水土流失情況進行了定性觀測；在工程竣工后的1年內對所運用的生態護岸、護坡進行了連續的生態監測和水質監測。

3.1 工程項目施工前后效果對比

通過工程措施對河道疏通整治、岸坡修復、植被恢復。施工前和1年后河道實況對比如圖3所示。

圖3 原位利用疏浚底泥制備生態護岸施工前后對比圖Fig.3 Comparison Chart before and after Ecological Revetment Construction

通過對施工前和1年后的河岸區域植被覆蓋度、區域水土流失情況進行定性觀測，河道邊坡整體水土保持能力顯著提升，不會因為水位區變動及水流沖刷而發生垮塌滑移現象；對護坡進行綠色植被栽植以及對護岸種植挺水植物，來增加沿河植被多樣性，使其景觀性恢復良好；河道沿岸因居民的違章搭建而導致的臟亂差現象得到了集中整治，河道的水生態環境逐漸恢復，河水水質也在逐漸提升。

3.2 水質指標情況監測及分析

一年中對所運用的生態護岸、護坡進行了4次水質監測。經監測分析，施工前后，河水中溶解氧、水體透明度有顯著提高，其中溶解氧含量上升約50%，透明度上升約75%，這是水體理化性質和生物學過程的綜合反映，表明水體的自凈能力顯著改善。檢測數據如表10所示。

表10 原位利用河道疏浚底泥制備生態護岸后水質監測Tab.10 Water Quality Monitoring after ISER Technology

在前3次監測中，水體pH、化學需氧量、氨氮、總氮、總磷均有顯著降低，其中水體中總氮、總磷含量下降約12%，氨氮含量下降約20%，整體呈現堿性的河水pH下降約10.8%，表明通過對底泥的疏浚、岸坡的修復、植被的恢復、生態護岸及河道生態系統的構建，為生物多樣性創造條件，河道水質有明顯改善，提升了生態效果。而第4次水質監測部分指標有所上升，和農業面源污染及農村生活污水排放有很大相關性，需配合截污納管等措施進一步治理。

對現場水質進行重金屬檢測，發現各項重金屬含量均滿足《城市污水再生利用 綠地灌溉水質》(GB/T 25499—2010)相關要求，水體中重金屬、氰化物、氟化物含量也均符合《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅴ類以上水質標準。由此可見，原位生態護坡對底泥所使用的固化穩定技術可使水質達到保護生態的預期效果。

4 結論

疏浚底泥原位利用疏浚底泥制備生態護岸并應用于水利工程建設，設計使用壽命10～12年，植生率≥90%。經上海市地方標準限定，底泥制備護岸結構體28 d無側限抗壓強度最高可達2.5 MPa，單方底泥處理定額為850元/m3，遠低于木樁1 200元/m和混凝土板樁1 800元/m的定額。實現疏浚底泥的無害化、資源化利用，不僅能夠凈化水質，維護生態環境平衡，為動植物提供良好的棲息環境，且有效地解決了疏浚底泥處理、運輸、堆放產生的高額成本和環境污染問題。同時，也解決了傳統的水泥混凝土板樁、木樁等剛性硬質護岸對水生態系統與陸地生態系統的隔離而導致涵養水源、凈化水質等功能的缺失問題。因此，使用ISER技術將疏浚底泥原位制作生態護岸具有良好的社會效益、環境效益，應用前景廣闊。