景觀湖泊與人工池塘的治理及淤泥利用

王青峰，周 琪，吳國(guó)立，劉 珣，劉 爽

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310000；2.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450046；3.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450003）

隨著城市居民生活水平的日益提高，人們對(duì)于周邊環(huán)境和水質(zhì)的要求也逐步增長(zhǎng)，越來(lái)越多的景觀湖泊和人工池塘出現(xiàn)在公園、高檔小區(qū)、學(xué)校和私人別墅中，然而近年來(lái)這些景觀湖和人工池塘都開(kāi)始出現(xiàn)不同程度的淤積和污染，不僅沒(méi)有美化周邊環(huán)境，反而造成了更加嚴(yán)重的環(huán)境污染和水質(zhì)破環(huán)。

石穩(wěn)民等[1]，向瑩等[2]，彭藝藝等[3]，張卿等[4]認(rèn)為清淤工程首先應(yīng)考慮控制淤泥和污染物的來(lái)源，從根本上解決淤積問(wèn)題。肖朝紅等[5]，邵運(yùn)賢等[6]，黃志心[7]根據(jù)水環(huán)境治理工程實(shí)踐提出了控源截污、內(nèi)源治理、活水保質(zhì)、生態(tài)清淤、底泥利用和景觀改造和文化共融的綜合治理措施。董敏等[8]分析了白洋淀水環(huán)境治理工程，工程運(yùn)用沉積學(xué)初判、拐點(diǎn)法量化確定了清淤深度，提出了清淤與原位治理、活水循環(huán)和生態(tài)修復(fù)等相結(jié)合的內(nèi)源污染治理方案。胡春宏等[9]根據(jù)我國(guó)5大流域的河道、水庫(kù)的淤積情況和清淤實(shí)踐提出了兼顧適用性、綜合性、經(jīng)濟(jì)性、長(zhǎng)效性與安全性的總體治理原則和提前查明地質(zhì)和建設(shè)條件，合理選擇清淤設(shè)備，分段順流清淤的大致施工原則，提出了清淤要與環(huán)境保護(hù)相結(jié)合，要注重重復(fù)利用和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)相結(jié)合的基本原則。謝彬等[10]，苗運(yùn)江等[11]針對(duì)清淤介紹了專(zhuān)門(mén)的實(shí)時(shí)清淤系統(tǒng)，其清淤效率可達(dá)人工的5～10倍，為清淤工作提供了良好的方法和思路。謝繼勇等[12]提出了利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)進(jìn)行清淤的預(yù)警模型。黃朝煊[13]，王凱等[14]提出了基于模糊法原理的綜合評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)清淤效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法與傳統(tǒng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相比最大優(yōu)點(diǎn)是考慮了人工成本和時(shí)間成本，但其可能考慮因素過(guò)多導(dǎo)致工作量過(guò)大或受主觀因素影響較嚴(yán)重。郭英卓等[15]認(rèn)為淤泥（底泥）污染物中的重金屬離子濃度經(jīng)過(guò)處理即使在污染物控制標(biāo)準(zhǔn)以下，堆放的底泥隨著時(shí)間的累積和雨水的淋溶作用也會(huì)通過(guò)徑流、滲透等方式不斷進(jìn)入土壤從而造成二次污染。蔣正武等[16]，楊雷等[17]，林莉等[18]，文國(guó)來(lái)等[19]對(duì)清淤產(chǎn)生的底泥如何二次利用提出了新思路如燒制自保溫多孔磚、陶粒，修復(fù)土壤，填方，制作混凝土砌塊等。

鑒于以上，本文就后期清淤治理和淤泥利用對(duì)如何建造景觀湖泊和人工池塘提出了合理建議，對(duì)景觀湖泊和人工池塘進(jìn)行后期清淤治理給出了施工方案和建議，同時(shí)對(duì)清淤效果評(píng)價(jià)方法和如何處理淤泥給出了合理化建議。

1 景觀湖泊和人工池塘建造時(shí)的意見(jiàn)

景觀湖泊和人工池塘具有美化周邊環(huán)境、降低溫差和改善空氣質(zhì)量的功能，同時(shí)人工池塘還可以用來(lái)種植蓮藕、養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。但景觀湖泊和人工池塘一般面積較小、水深較淺、容量小和物種單一，年蓄水量變化不大，流動(dòng)性和自?xún)裟芰Σ?，易于?nèi)源污染和淤積。

降雨攜帶污染物和泥沙通過(guò)地表徑流進(jìn)入其中是景觀湖泊和人工池塘內(nèi)源污染和淤積的主要原因之一。鑒于此，建議在建造景觀湖泊和人工池塘?xí)r除了考慮美學(xué)、風(fēng)水和傳統(tǒng)文化等因素外，還要考慮工程環(huán)境與經(jīng)濟(jì)等，為方便其后期治理可適當(dāng)增加其邊緣高程，使其略高于四周地面，并進(jìn)行混凝土抹平或設(shè)置草皮進(jìn)行固土，也可以布設(shè)污水截流工程，防止降雨時(shí)大量泥沙和污染物進(jìn)入造成污染。流動(dòng)性差也是景觀湖泊和人工池塘淤積的重要原因之一，針對(duì)與此可以在建造時(shí)布設(shè)循環(huán)管道、多級(jí)景觀臺(tái)和涌浪系統(tǒng)，增加景觀湖泊和人工池塘的活水循環(huán)。物種單一導(dǎo)致池塘自?xún)裟芰Σ钍瞧溆俜e的另一因素，建造時(shí)可設(shè)置生態(tài)浮島，種植不同藻類(lèi)和植物，在水體內(nèi)投放不同種類(lèi)的魚(yú)、龜品種，形成良好的食物鏈和小型生態(tài)系統(tǒng)，盡量減少人工投喂避免造成淤積?？紤]到隨著使用時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，仍有可能產(chǎn)生淤積，建議在建造景觀湖泊和人工池塘?xí)r應(yīng)采用圓形或類(lèi)圓形設(shè)計(jì)，盡量不使用狹長(zhǎng)形設(shè)計(jì)；另外在設(shè)計(jì)時(shí)可選用日月湖、連理湖和雙魚(yú)湖等類(lèi)似的復(fù)合型景觀湖泊和人工池塘，使塘水得以循環(huán)造氧并增加其流動(dòng)性，從而使得生物種類(lèi)多樣性增加并增強(qiáng)水體自?xún)裟芰?，還可以在建造時(shí)安裝基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)警模型，方便將來(lái)清淤工作。

2 景觀湖泊和人工池塘的清淤建議

景觀湖泊和人工池塘一般都是在公園、高檔小區(qū)、學(xué)校和私人別墅中，其作用是美化周邊環(huán)境、改善空氣質(zhì)量，在清淤時(shí)一定要遵循保護(hù)環(huán)境、避免噪音的原則，在具體施工時(shí)要提前查明地質(zhì)和建設(shè)條件，合理選擇清淤設(shè)備和作業(yè)時(shí)間，盡量避免大型設(shè)備的使用，并分段逐步清淤。

目前國(guó)內(nèi)外湖泊底泥清淤方式主要包括干式和濕式2種。前者是將湖泊分段并修筑圍堰，利用水泵將圍堰范圍內(nèi)的積水排干后再進(jìn)行清淤施工；后者無(wú)須進(jìn)行圍堰排水，在帶水環(huán)境下采用挖泥機(jī)械進(jìn)行清淤施工。由于景觀湖泊和人工池塘的面積較小且需保持長(zhǎng)期有水，綜合考慮清淤能力、環(huán)保效果和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等因素，在清淤時(shí)不宜選用挖泥船、鏟運(yùn)機(jī)和推土機(jī)等大型設(shè)備。具體施工時(shí)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙首先了解其地質(zhì)條件及周邊地下管線情況，然后利用回聲探測(cè)儀或根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)警模型運(yùn)用沉積學(xué)和拐點(diǎn)法等計(jì)算確定大致清淤深度，完成清淤前的準(zhǔn)備工作。對(duì)于復(fù)合型景觀湖泊或人工池塘，可以將魚(yú)、龜和各種植物移入其他湖泊或池塘后逐個(gè)排水進(jìn)行人工挖掘清淤，該方法成本低，效果好，且不會(huì)破壞周邊環(huán)境，噪音小。對(duì)于無(wú)法單獨(dú)排水的景觀湖泊或人工池塘，可以先將魚(yú)、龜和各種植物暫時(shí)移走，然后選擇多個(gè)合適功率和揚(yáng)程的高濃度泥漿泵均勻排布清淤，該方法成本較高，效果較好，但魚(yú)、龜和各種植物在運(yùn)移過(guò)程中容易死亡，且可能會(huì)產(chǎn)生一定噪音，需要合理選擇作業(yè)時(shí)間。

3 清淤效果綜合評(píng)價(jià)

景觀湖泊和人工池塘具有環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益等，在傳統(tǒng)的清淤評(píng)價(jià)中主要考量清淤的環(huán)境效益，很少考慮經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。事實(shí)上，景觀湖泊和人工池塘作為公園、高檔小區(qū)、學(xué)校和私人別墅的一部分，除了美化環(huán)境外，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益也是不可忽略的。

對(duì)于景觀湖泊和人工池塘這類(lèi)具有多功能、多效益的工程而言，基于模糊算法能夠考慮多因素的綜合評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)較傳統(tǒng)方法更適合對(duì)其進(jìn)行清淤效果評(píng)價(jià)。具體評(píng)價(jià)時(shí)首先應(yīng)依據(jù)其功能性和因素占比確定參評(píng)項(xiàng)及權(quán)重，然后根據(jù)清淤結(jié)果對(duì)各參評(píng)項(xiàng)給出合理的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，最后根據(jù)權(quán)重累加得到不同效益下的評(píng)分，歸一化得到綜合評(píng)分。由于評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)受主觀因素影響較大，各效益參評(píng)項(xiàng)應(yīng)適量，以5～8項(xiàng)為宜，過(guò)少則考慮因素不全且偏差較大；過(guò)多則工作量較大且評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難以確定。清淤效果最終評(píng)價(jià)應(yīng)根據(jù)綜合評(píng)分Z和清淤成本X客觀評(píng)價(jià)。

具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重可適當(dāng)參考以下公式

式中：Z為綜合評(píng)分；M為環(huán)境效益評(píng)分；N為經(jīng)濟(jì)效益評(píng)分；P為社會(huì)效益評(píng)分。

式中：M為環(huán)境效益評(píng)分；A為重金屬離子含量評(píng)分；B為含氧量評(píng)分；C為底泥含量評(píng)分；D為礦化度評(píng)分；E為有機(jī)物含量評(píng)分；F為含氮量評(píng)分。

式中：N為經(jīng)濟(jì)效益評(píng)分；U為養(yǎng)殖收益評(píng)分；V為種植收益評(píng)分；W為淤泥二次利用收益評(píng)分；Q為其他收益評(píng)分，如門(mén)票或附近商鋪收入。

式中：P為社會(huì)效益評(píng)分；R為空氣質(zhì)量評(píng)分；S為水質(zhì)評(píng)分；T為知名度評(píng)分。

式中：X為清淤成本；K為設(shè)備投入成本；J為人工投入成本；L為時(shí)間投入成本；H為其他成本。

綜合評(píng)分時(shí)各項(xiàng)滿(mǎn)分均為100，按照比重進(jìn)行計(jì)算。如清淤治理前水體中重金屬離子含量為100 mg/L，清淤治理完成后水體中重金屬離子含量為5 mg/L，則可計(jì)算得到重金屬離子含量評(píng)分同理可計(jì)算得到含氧量評(píng)分B、底泥含量評(píng)分C、礦化度評(píng)分D、有機(jī)物含量評(píng)分E和含氮量評(píng)分F，將以上各評(píng)分代入式（2）即可計(jì)算得到環(huán)境效益評(píng)分M；假設(shè)清淤治理前養(yǎng)殖平均收益為2萬(wàn)元/月，清淤治理后養(yǎng)殖收益為10萬(wàn)元/月，則養(yǎng)殖收益評(píng)分80，同理可計(jì)算得到種植收益評(píng)分V、淤泥二次利用收益評(píng)分W和其他收益評(píng)分Q，將以上各評(píng)分代入式（3）即可計(jì)算得到經(jīng)濟(jì)效益評(píng)分N；將空氣質(zhì)量、水質(zhì)和知名度分為優(yōu)、良、中及差4個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)不同分值，具體分值見(jiàn)表1，空氣質(zhì)量評(píng)分R=同理可計(jì)算得到水質(zhì)評(píng)分S和知名度評(píng)分T，將以上各評(píng)分代入式（4）即可計(jì)算得到社會(huì)效益評(píng)分P；將環(huán)境效益評(píng)分M、經(jīng)濟(jì)效益評(píng)分N和社會(huì)效益評(píng)分P代入式（1）即可計(jì)算得到綜合評(píng)分Z。當(dāng)綜合評(píng)分Z≥80時(shí)，認(rèn)為清淤效果較好；當(dāng)綜合評(píng)分80≥Z≥60時(shí)，認(rèn)為清淤效果一般；當(dāng)綜合評(píng)分Z<60時(shí)，認(rèn)為清淤效果差。清淤成本X計(jì)算時(shí)考慮到設(shè)備投入成本K、人工投入成本J、時(shí)間投入成本L和其他成本H?？紤]到景觀湖泊和人工池塘需定期清淤，即清淤有一定時(shí)效性，則可計(jì)算其時(shí)效期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益Y。當(dāng)綜合評(píng)分Z＜60且清淤成本X大于經(jīng)濟(jì)效益Y時(shí)，則不建議進(jìn)行清淤，而應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行治理改造。

表1 等級(jí)評(píng)分表

4 淤泥資源化利用

底泥沉積物（淤泥）是景觀湖泊或人工池塘外源污染的重要蓄集場(chǎng)所，也是內(nèi)源污染釋放的主要來(lái)源，景觀湖泊或人工池塘中的淤泥主要成分為黏土礦物、有機(jī)質(zhì)等，但也有可能含有重金屬離子等污染物，不能直接堆放處理或利用，防止造成二次污染。

對(duì)于清理出的淤泥首先應(yīng)檢測(cè)其重金屬離子等污染物的含量，然后利用生石灰、鐵鹽等進(jìn)行雙重鈍化穩(wěn)定重金屬離子，或者利用氧化石墨烯、基因重組酵母菌和改性蒙脫石等吸附重金屬離子和污染物[20-22]，還可以利用淀粉絮凝劑、改性殼聚糖與電絮凝法等對(duì)重金屬離子和污染物進(jìn)行絮凝[23-25]。淤泥中重金屬離子和污染物處理后濃度和含量要達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)以下，然后再進(jìn)行機(jī)械和化學(xué)絮凝固化脫水。淤泥固化處理處置的方法主要有自然干燥法、真空預(yù)壓脫水法、土工管袋法、機(jī)械脫水法和攪拌固結(jié)法等，脫水固結(jié)一體化工藝具有脫水效率高、施工工期短、占地面積小、泥餅含水率低及對(duì)泥質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際的河湖環(huán)保清淤工程中優(yōu)勢(shì)明顯，得到了廣泛的應(yīng)用，主要包括底泥的篩分除雜系統(tǒng)、均質(zhì)調(diào)理系統(tǒng)、脫水固化系統(tǒng)、尾水處理系統(tǒng)和泥餅的資源化系統(tǒng)等。脫水后的底泥富含大量有機(jī)質(zhì)且無(wú)毒無(wú)害，可以直接用于修復(fù)土壤、農(nóng)田和林地利用、生態(tài)綠化及路基和建筑填方等。另外還可以利用15%～20%淤泥摻量代替砂石再加入適量的水泥、石灰和粉煤灰等制備免燒磚，其立方體試件抗壓強(qiáng)度可達(dá)30 MPa以上[26]；或者約15%淤泥加入適量的水泥、砂和石制備混凝土砌塊，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)57.6 MPa；或者在淤泥和淤泥干粉中加入適量爐渣、微孔成型劑與調(diào)整劑等控溫焙燒自保溫多孔磚，其密度和導(dǎo)熱系數(shù)較小，性能優(yōu)良；還可以將淤泥與適量頁(yè)巖粉混合控溫焙燒陶粒，其表面釉化性能和膨脹較好，密實(shí)性高，保溫隔熱性能優(yōu)良。