蘇州河底泥疏浚和防汛墻加固改造技術創新

石正寶

(上海市水利工程設計研究院有限公司，上海 200061)

為改善蘇州河環境景觀，保障防汛安全，針對底泥是否挖、如何挖、挖出的底泥如何處理利用，以及防汛墻能否降低和如何改造等關鍵技術問題開展系列研究：①針對蘇州河底泥污染特性及疏浚效果預測問題，研究了蘇州河底泥耗氧物質的來源、構成、含量與分布，開展了底泥耗氧過程的實驗與現場研究，揭示了蘇州河底泥的耗氧機理和時空規律；現場測定和實驗研究了蘇州河底泥污染物疏浚前后釋放通量，并通過水質數學模型，研究了蘇州河底泥疏浚后的生態毒性的時空變化規律。②針對彎曲復雜地形河道大規模疏浚作業船多運距長、航運限制多的問題，基于疏浚環境效果、疏浚斷面控制和航運組織優化技術，研究疏浚的范圍、疏浚方式、輸運組織、雜物分離和污泥上岸等工藝；針對中心城區河道疏浚二次污染防控難題，開展了抓斗、反鏟、真空絞吸式三種疏浚設備適用性中試，提出了改造抓斗的高效經濟環保型疏浚技術及多點同步候潮作業方法；針對底泥重金屬和疏浚底泥處置場尾水污染問題，提出了污泥填埋場建造、尾水循環利用和水質處理處置技術。③針對防汛墻改造墻高設置問題，建立完善與太湖流域河網無縫鏈接的蘇州河水系數字河網水文水動力模型，考慮蘇州河受洪、澇、潮、控等因素綜合影響的特點，統籌兼顧太湖流域近、遠期防洪標準和區域排水除澇標準，研究提出現狀、近期和遠期工況條件下的蘇州河設防高水位。④針對疏浚引起老舊防汛墻失穩問題，研究解決多次加高加固的復雜老結構分析與利用技術、沿岸建筑物緊鄰、地下管線和構筑物縱橫交錯的嚴格環境保護方案和防汛墻生態景觀營造技術。

1 技術創新

1.1 蘇州河底泥能量數學模型與疏浚效果研究

針對蘇州河水體含氧量低的問題，首次對蘇州河底泥耗氧物質的來源、構成、含量、分布及其耗氧過程進行了現場測定、試驗分析和模型預測研究，揭示了蘇州河底泥的耗氧機理和時空規律，并采用SEM/AVS方法研究評估了蘇州河底泥疏浚后的生態毒性。首次建立了蘇州河底泥通量數學模型，實現了底泥釋放通量模型與水質數學模型的耦合，揭示了蘇州河底泥耗氧機理和過程，科學評估了蘇州河底泥疏浚的水質改善效果和持續時間，為通過底泥疏浚改善上覆水水質提供了理論依據。

(1)實驗結果顯示，蘇州河底泥中的耗氧物質主要包括硫化物、氨氮、有機物和低價金屬離子，它們向上覆水的釋放量各不相同，由高到低的排列順序為：硫化物、氨氮和有機物。底泥中的AVS含量能控制孔隙水中游離態重金屬離子的濃度，制約著二價有毒金屬的化學活性和生物有效性。蘇州河各典型河段不同深度底泥的生態毒性測定結果顯示，各斷面表層底泥SEM/AVS略高，為0.08～0.40，中層底泥SEM/AVS最低，為0.08～0.15，原狀土層SEM/AVS較高。除真北路橋斷面表層底泥的SEM/AVS略大于1外，其余斷面表層和中層底泥SEM/AVS均小于1，可見目前蘇州河表層和中層底泥中的重金屬不會產生急性生物毒性。

(2)自主研發了一套測定裝備，如圖1所示。揭示了蘇州河底泥耗氧機理與過程。對蘇州河趙屯、白鶴、華漕、步行街、盤灣里、武寧路橋、昌化路橋和浙江路橋斷面底泥進行了SOD的測定，結果顯示，蘇州河底泥SOD冬季與夏季差距顯著，比較夏季極高氣溫和冬季極低氣溫時的SOD，兩者相差近1個數量級，夏季上、下游斷面SOD差距遠大于冬季，說明不同季節底泥對上下游水體的耗氧貢獻率不同，夏季上、下游由于底泥造成的DO差距遠大于冬季。

圖1 底泥SOD測定實驗裝置

(3)建立了蘇州河底泥耗氧量模型，模擬評估了不同治理方案下蘇州典型河段的SOD的變化趨勢。根據底泥通量模型預測結果，各方案(CSO放江完全截除和底泥完全疏浚(全部清除污染底泥)及其組合方案)實施后，蘇州河典型河段(以武寧路橋為例)SOD變化趨勢如圖2所示。CSO放江導致的有機質沉降對干流SOD的貢獻率占60%～80%。削減CSO放江污染物(有機質)負荷可以大大降低蘇州河干流底泥耗氧量；放江負荷量削減30%，SOD以及污染物釋放通量峰值可以下降20%～25%；放江負荷量削減50%，可以使武寧路橋河段的SOD峰值下降45%并呈現逐年下降趨勢，并逐漸穩定在1.0 gO2/(m2·d-1)。

1.2 蘇州河底泥疏浚深度、疏浚工藝與處置方式研究

針對蘇州河疏浚施工控制難、大規模疏浚底泥外運難、疏浚施工二次污染控制難等問題，基于不同疏浚方案環境效果分析、疏浚斷面控制的可操作性和航運組織優化技術，研究底泥疏浚的范圍和泥面線、疏浚工藝、高強度長距離繁忙受限航道上的輸運組織、復雜成分底泥雜物分離、污泥上岸和環境友好的填埋處置等工藝。

(1)確定合理的底泥疏浚深度和疏浚控制斷面。根據底泥分布和不同清除率的后期污染釋放和毒性實驗研究分析，考慮到蘇州河蜿蜒曲折、水下地形復雜多變，徹底挖除底泥困難而不科學，創新建立與應用底泥有機物、重金屬等污染物控制標準，擬定期望疏浚深度與期望疏浚泥面線和底泥疏浚污染物控制指標，制定期望疏浚范圍。以期望疏浚泥面線為目標，綜合考慮凹凸岸水流特性、防汛墻穩定、景觀水深、施工質量控制等要求，對蘇州河典型斷面逐個擬合確定可操作的由墻前泥面高程、邊坡、底高程等組成的疏浚作業控制指標。詳見表1及圖3—4所示。

(2)開展蘇州河現場疏浚中試，優選疏浚方式，創新改造并全面使用密閉式挖泥抓斗，實現經濟環保疏浚。開展了對蘇州河底泥疏浚現場中試試驗研究，結合疏浚過程水動力和水環境數值模型，對不同疏浚工藝進行環境影響預測。多種疏浚設備比選表明，絞吸式因吸口易受底泥雜物堵塞不適用；反鏟式疏浚效率高，但對水環境的影響較大；普通抓斗式、液壓反鏟式效率比反鏟式略低，兩者對水環境影響都較大。研究針對普通抓斗進行改造，將抓斗兩葉上部用鋼板封閉，抓斗漏水漏土顯著減少，如圖5所示。極大地降低疏浚施工對水體水質的影響。

表1 蘇州河底泥污染物控制指標表單位：mg/kg

圖3 S3底泥柱狀樣CODCr含量垂直分布圖

圖4 蘇州河底泥疏浚斷面示意圖

圖5 抓斗式挖泥船改造前后效果對比圖

(3)開展繁忙且多重限制航道上長距離污染底泥水運組織、底泥上岸雜物分離和長距離水力輸送入庫填埋工藝裝置研究。二十多公里疏浚作業河段上日外運底泥150艘以上，水運航線蘇州河→黃浦江→大治河→清運河，需經過原已十分擁擠的蘇州河口水閘和大治河西閘。研究采用系統工程理論，分析利用潮汐時間窗，實現疏浚、運輸、上岸流程環環相扣。針對底泥富含輪胎、編織袋、煤渣等多種雜物，研制了雜物分離、污泥上岸長距離水力輸送及入庫填埋系統，系統由卸泥碼頭、分離池、泥漿池、排泥泵站、尾水回收池組成。雜物分離是上岸處置的關鍵，研究創新性提出了抓頭挖泥上岸、水槍沖洗輔以人工梳理耙分、震動篩攔雜過濾和雙級串聯改進型3葉片渣漿泵水力加壓提升的雜物分離和長距離水力輸送入庫填埋的工藝裝置。

(4)研究提出中心城區河道污染底泥疏浚全過程、多環節二次污染控制技術。

蘇州河貫穿上海市中心城市，必須解決疏浚施工過程水污染和噪聲污染控制。根據中試揭示的疏浚影響特性，提出“分段有序、多點分散、環保疏浚”控制潮汐河道疏浚污染擴散的作業布置和工藝。疏浚范圍分3個河段，每段內安排作業點12個，每個點控制距離為200～500m。

針對底泥為一般固廢，堆場存放時存在一定浸出的風險，研究制定處置場土工膜防滲和滲瀝液收集方案。對泥庫底部、邊坡采用復合土工膜防滲。滲瀝液收集及處理系統包括盲溝、集液池等。填埋場采用土工膜、綠化土、植樹等綠色新材料封場覆蓋。

針對底泥水力輸送尾水不能直接排放，經3～4d沉淀后，部分水質指標(SS、BOD5、CODCr、TP和重金屬)可達到排放長江口的特性，研制了尾水循環利用方案，實現節約水資源1100萬m3，降低污水處理費用2000萬元的直接效益。

1.3 蘇州河沿線設防高水位研究

針對蘇州河防汛墻改造設防高程確定難題，建立完善與太湖流域河網無縫鏈接的蘇州河水系數字河網水文水動力模型，考慮蘇州河受洪、澇、潮、控等因素綜合影響的特點，統籌流域和區域近、遠期防洪除澇標準，系統計算分析了各種工情、雨情下蘇州河設防高水位的分布規律。

采用汛期原型實測與數學模型相結合、水文學和水力學相結合的方法，分析蘇州河防汛情勢演變、歷史不利水情影響以及洪、澇、潮遭遇的可能性，統籌兼顧太湖流域防洪標準和區域排水除澇標準規劃需求，結合上海雨情、水情和工情特點以及防汛安全調度保障要求，應用太湖流域與蘇州河水系耦合的數字河網水文水動力模型，經過300多組方案的全面計算分析和深入論證比較，研究提出近、遠期蘇州河的設防標準、設防水位和防汛安全調度優化方案，為蘇州河底泥疏浚和兩岸防汛墻改造提供技術支撐和科學依據。能夠全面準確反映城鎮集水區、農村圩區與水利片河網蓄排水之間的相互影響和響應關系，改變了以往只能模擬降雨澇水歸槽的局限性，提高了模擬計算精度和速度，使得計算分析成果更加科學合理、準確可靠。

1.4 蘇州河防汛墻加固改造技術研究

針對疏浚引起老舊防汛墻失穩問題，研究解決多次加高加固的復雜老結構利用、立體交叉與交錯緊鄰建筑物苛刻環境保護和防汛墻生態景觀營造技術。

(1)蘇州河沿線有大量型式多樣的隧道、管線和橋梁等穿跨河交叉建筑物，沿河建構筑物密集、施工空間狹窄、環境保護要求苛刻。根據其特點和保護要求，因地制宜，研究創新運用門洞式結構、圍護隔離樁、無擠土和振動效應樁基礎，改進適應低凈空作業的樁型及施工機具布置和水下膜袋砼防護技術，提出的旋噴樁內插H型鋼工法組合樁型，解決了交叉穿河建構筑物、橋梁和密集緊鄰建筑物的保護與施工難題。

(2)岸線與區域濱河景觀的融合與防汛墻生態營造技術。如何將防汛墻岸線與區域濱河景觀進行有機融合是一項重要的課題。依據蘇州河濱河地區的功能定位與布局，結合濱河開放空間的形態特征，將蘇州河市區段自東向西分為繁華區、和諧區和自然生態區等三個景觀區域，將岸線功能分為居住、商務、商業、文化娛樂、教育科研、工業及綠化等七類功能岸線，體現岸線功能相對連續而又突出重點。受用地和水力等條件限制，大部分蘇州河防汛墻只能采用直立式鋼筋砼擋墻結構型式，研究提出了垂直綠化、花槽綠化、壓模砼和墻身貼面等多種防汛墻生態景觀營造措施。創新運用老墻改造的騎跨式防汛墻結構型式自身特點，首創了利用底板前齒設置墻前花槽的結構，將直立墻面進行分割，形成層次感，從視覺上減弱高直立墻的呆板效果，同時花槽綠化營造了岸線的生態。

2 查新評價

(1)目前國內外針對蘇州河底泥已有進行分層調查和耗氧量研究的文獻報道，但未見針對蘇州河底泥耗氧物質含量的分層調查和底泥耗氧機理的公開文獻報道；國內外已有關于蘇州河水質或底泥通量的單個模型(部分為本項目的研究成果)，已有文獻報道了針對廣東城區河道建立BOD-DO耦合關系矩陣水質模型，針對蘇州河底泥已有進行分層調查和耗氧量研究的文獻報道(部分為本單位的研究成果)，但并未見將蘇州河水動力學模型、蘇州河水質模型、蘇州河底泥通量模型偶合成蘇州河氧平衡模型的公開文獻報道。因而，本項目在蘇州河底泥中耗氧物質含量分層調查、不同解決方案下溶解氧的變化趨勢預測等方面的研究具有開創性。

(2)我國已有GB l5618—2018《土壤環境質量標準》、GB 4284—2018 《農用污泥中污染物控制標準》和CJJ 17—2004《生活垃圾衛生填埋技術規范》，但尚未有關于河湖底泥中重金屬、有機物等污染物的控制指標，也沒有關于污染底泥的填埋技術要求，因而，底泥清除的程度(疏浚深度)確定困難，結合到污染底泥極端無規則分布、復雜的水下地形和施工質量的控制，綜合確定疏浚控制指標，國內外無先例。

疏浚過程中底泥再懸浮的二次污染控制十分重要，國內外有不少環保型疏浚方法和設備，但適用于浮泥等均質土。蘇州河底泥中富含砂質、塊體、桿件、繩狀等各種形態雜物雜質，現有的環保型疏浚方式均不適用。本研究提出的密閉型抓斗是在普通抓斗基礎上改造，大幅降低了挖泥過程的滴漏污染，功效遠高于現有的各種環保型疏浚設備，大幅降低了環保型工程造價。

污泥上岸雜物分離工藝裝置，機械化程度低于國外先進裝置，但更適合蘇州河的底泥量大、雜物多、工期短的特點，為國內外首創。

(3)基于數字河網蘇州河水系河網水量模型，在精細、準確模擬城市集水區、農村圩區集中排水和水利控制片河網蓄排水，以及數字地面高程分布與河網蓄排水、低洼地滯蓄作用的相互制約影響方面具有獨特之處；研究洪澇、洪潮、澇潮、洪澇潮組合水情的蘇州河高水位分布規律，以及蘇州河設防高水位關鍵成果等方面在國內外均未見到相同的文獻報道。在理論方面，分析總結了蘇州河防汛演變的規律，防御對象由防御高潮為主轉變為防御洪澇水為主，明確了蘇州河的防潮、防洪、防澇標準體系。在技術方面，完善了基于數字河網的太湖流域與蘇州河水系耦合的河網水文水動力模型技術，創新升級降雨產匯流、泵閘工程調度以及河網蓄排的精細模擬技術，提高了模擬計算精度和速度。首次揭示出蘇州河水系遭遇不同水情影響下的高水位分布規律；統籌兼顧太湖流域近、遠期防洪標準和區域排水除澇標準以及防汛安全保障要求，首次提出現狀與規劃近期和遠期工況條件下的蘇州河設防高水位。

(4)防汛墻改造有各種結構形式，本研究提出的采用門洞式結構保護已建穿河構筑物并采用無擠土和弱振動效應的樁基礎，具有極強的針對性，有一定的創造性，使用效果和效益居于國際先進行列。利用老墻騎跨式加固結構設置花槽，形成了一道親水植物帶，成本低、生態景觀效果好，改變了人口密集中心老城區護岸單調呆板無生機的形象，與穿越倫敦泰晤士河、巴黎塞納河等特大城市中心城區河段相比，更顯生機，具有首創性。

本項目共獲得專利11項，獲得計算機軟件著作權1項。獲得了上海市科技進步二等獎。

3 技術應用

項目通過污染狀況調查、試驗分析、現場實驗、數值模擬等多種研究手段，揭示了蘇州河底泥的耗氧機理和耗氧特性，評價了蘇州河底泥疏浚后的生態毒性，確定了蘇州河底泥疏浚的必要性，支撐了政府科學決策。

底泥疏浚控制指標、底泥疏浚與處置組合工藝、環保疏浚設備、底泥上岸雜物分離工藝技術、全過程二次污染控制技術、復雜環境及狹窄空間中防汛墻加固技術、防汛墻外觀與城市景觀融合方式等研究成果，已在蘇州河防汛墻加固改造和底泥疏浚工程設計和施工得到采納，并取得了成功的應用。蘇州河底泥疏浚工程范圍，西起真北路，東至河口，全長約16.52km，疏浚土方量約為130萬m3。工程主要內容包括底泥疏挖、處置場建設、尾水沉淀處理。

研究提出的蘇州河沿線設防高水位關鍵技術參數，解決了蘇州河防汛墻改造不降低防汛標準、城區段能否降低防汛墻頂高程的重大難題，研究成果保證了防汛墻改造與底泥疏浚工程的順利實施。