市政工程截流式排水系統(tǒng)的實踐運用

王益通WANG Yi-tong；汪向明WANG Xiang-ming

（①中交一航局生態(tài)工程有限公司，深圳 518000；②首創(chuàng)經中（天津）投資有限公司基礎設施投資分公司，天津 300000）

0 引言

市政工程中有幾個工程專業(yè)在施工中非常常見，主要是基礎工程、水工結構、深層排水開挖、土地復墾或填埋場控制系統(tǒng)。垂直護欄的施工主要是基于防滲墻單相或兩相技術，使用膨潤土和水泥混合物作為填充材料。本文考慮了兩個案例研究，其中垂直膨潤土屏障用于防止城市垃圾填埋場對土壤水環(huán)境造成進一步污染。現(xiàn)場補救工程包括額外的解決方案，如滲濾液收集排水、溝渠修復，以及填埋場的主體工程和填埋場邊坡的生物工程。以兩個修復后的垃圾填埋場為例，證明了適當的地基條件調查和全面的土方工程設計是有效改善土壤水環(huán)境質量的關鍵。介紹和分析了截流式排水系統(tǒng)的結構和工作條件。根據測壓記錄、實驗室試驗和現(xiàn)場調查，研究了擬建工程方法對環(huán)境條件的影響，提供了污染水平和污染物遷移方向的信息。根據地下水監(jiān)測結果，繪制了幾幅地下水位變化圖。監(jiān)測數據顯示，自現(xiàn)場安裝土壤和地下水保護系統(tǒng)僅幾年后，幾乎每個測壓計的水質都有所改善。該系統(tǒng)的有效性結果通過對地下水樣本的長期監(jiān)測得到證實，其中有機物、硝酸鹽和重金屬濃度等指標隨時間顯著降低。它展示了土木工程和環(huán)境工程結合的截流式排水系統(tǒng)如何在市政過程中發(fā)揮重要作用。

1 截流式排水系統(tǒng)

截流式排水系統(tǒng)，是指原始的簡單排水系統(tǒng)常使水體受到嚴重的污染，因而設置截流管渠，把各小系統(tǒng)排放口處的污水匯集到污水廠進行處理，形成的排水系統(tǒng)。在區(qū)干管與截流管渠相交處的窖井稱溢流井，上游來水量大于截流管的排水量時，在井中溢入排放管，流向水體。這樣，晴天時污水（常稱旱流污水）全部得到處理。截流管的排水量大于早流污水量，差額與早流污水量之比稱截留倍數（或截流倍數）其值將影響水體的污染程度。設計采用的值理論上取決于水體的自凈能力，實踐上常受制于經濟條件。

截流式排水系統(tǒng)不影響分流改造，且相比全面的分流改造具有工期短、見效快、適用性強等特點，多數城市進行截流系統(tǒng)建設后城市內河水質得到顯著改善。并且截流式排水系統(tǒng)不容易出現(xiàn)污水處理廠進水污染物濃度下降、雨天污水溢流污染河道等問題。2019 年印發(fā)的《城鎮(zhèn)污水處理提質增效三年行動方案（2019-2021 年）》提出，要全面提升城市生活污水收集處理能力和水平，城市污水廠進水BOD，低于100mg/L 的，要圍繞服務片區(qū)管網制定“一廠一策”系統(tǒng)化整治方案，明確整治目標和措施。污水處理廠進水污染物濃度下降、雨天污水溢流污染河道，會嚴重影響污水處理廠的處理效能和污水收集水平。因此，針對現(xiàn)有排水系統(tǒng)容易衍生的問題需要進一步地對排水系統(tǒng)進行改造和優(yōu)化。以垃圾填埋場為例，闡述了現(xiàn)有排水系統(tǒng)面臨的問題，介紹了系統(tǒng)性的完善措施和建議，為截流式排水系統(tǒng)在市政工程中的實際運用工作提供參考。

2 材料和方法

如今的垃圾填埋場主要的處理方式之一是隔離墻，用于創(chuàng)建污染場地的控制系統(tǒng)。如今，垂直護欄的建造通常采用基于深基礎和地面加固技術的技術。蜂窩截止線的基本思想是通過在一定縱向距離處使用帶有連接十字墻的屏幕進行隔離。它保護周圍環(huán)境不受污染物遷移的影響，并顯著降低土壤和地下水的污染水平。

適當施工技術的選擇過程取決于地面的地質結構、所用材料的耐久性和耐化學性，還必須考慮現(xiàn)場重型機械入口的能力和經濟因素。污染物的遷移取決于地質條件，這可能有利于水及其攜帶的物質的運輸（滲透層厚度大，水力梯度高），也可能完全停止運輸，使其遠離填埋場（不滲透層，低梯度）。

通過改變從附近區(qū)域到滲濾液排水系統(tǒng)的流向，可以確保對污染遷移的額外保護。它還將保護防滲墻填充材料免受滲濾液造成的降解。在修復設計框架中，通常會在填埋場周圍修建周邊排水溝。此外，在護道底部，還可以安裝排截流式排水系統(tǒng)，將滲濾液輸送至周邊排水系統(tǒng)。這類系統(tǒng)成功地安裝在兩個城市垃圾填埋場，其污染水平大大超過了國家標準。

2.1 研究地點說明

本研究對兩個案例進行了調查和分析。這兩個都是位于我國中部的舊城市垃圾填埋場。第一個垃圾填埋場，1962 年初至1991 年，它被用作處理華北城市垃圾的地方。自1992 年以來，只有來自堆肥廠的垃圾被存放在填埋場，自2012 年以來，只有來自機械和生物處理裝置的垃圾被存放在那里。實際上，它覆蓋了約16 公頃的區(qū)域，海拔約60 米。必須強調的是，最初填埋場沒有引入環(huán)境污染保護系統(tǒng)。自1994 年以來，已在填土上修建了與穩(wěn)定性加固方案、邊坡工程和種植、粘土礦物覆蓋、排水系統(tǒng)安裝、再循環(huán)系統(tǒng)和膨潤土防滲墻有關的補救工程。從環(huán)境保護的角度來看，填埋場的位置至關重要。它周圍環(huán)繞著國家公園和住宅開發(fā)等寶貴的綠地。

第二個案例研究涉及盧布納垃圾填埋場。與第一個垃圾填埋場一樣，該填埋場也是一個路堤式結構，占地16.2公頃，高度超過地面60m。

1978 年，城市生活垃圾填埋場最初是用于一個區(qū)域儲存城市垃圾，該地區(qū)域并沒有對儲存其他垃圾進行準備。在最初的30 年里，該市所有的城市垃圾都被填埋處理。然而，1992 年后，只有商業(yè)壓艙物和技術廢物被儲存在那里。自1996 年以來，在填埋場內進行了保護和修復工程。根據建設項目實施了改造工程。根據對填埋場內物理和化學過程的觀察，同時對其進行了驗證和更新。

由于兩個垃圾填埋場都產生了嚴重污染，必須立即采取行動防止污染擴散。為此，解決方案主要包括：填埋體邊界上的膨潤土防滲墻施工、截流式排水系統(tǒng)、脫氣系統(tǒng)、溝渠修復、填埋體工程和填埋邊坡生物工程。圖1 顯示了兩個垃圾填埋場截流式排水系統(tǒng)的工程細節(jié)。

圖1 截流式排水系統(tǒng)

2.2 研究中使用的現(xiàn)場污染評估方法

為了評估填埋場底土的環(huán)境條件，進行了兩組測試：現(xiàn)場調查和實驗室測試。第一組測試包括鉆孔、壓力計安裝和巖土工程測試。主要是針對水文地質土壤剖面的調查。此外，還進行了地球物理測試，以調查潛在污染區(qū)。整套測試允許在地質剖面上識別污染土壤區(qū)域。

從實際角度來看，污染現(xiàn)場調查通常基于地質和巖土技術。這些方法允許對土壤和水進行取樣，以進行分析測試，并允許直接測量研究現(xiàn)場的污染水平。然而，這種方法會使取樣產生偏差，因為材料通常是從特定的鉆孔或測壓管中就地采集的。對于填埋場底土中受污染土層的空間評估，應采用直接法，并通過使用地球物理調查（如電阻率法或其他類似技術）進行擴展。此外，該方法允許：①獲取垃圾填埋場底土的巖性，②確定地下水位深度，③確定污染區(qū)分布和污染物遷移方向，以及④評估垃圾填埋場上處置的垃圾厚度。電阻率法在過去50 年中是用途最大的方式。

實際上，土壤的電阻率是使用四電極結構測量的。在這種方法中，使用兩個電極（A 和B）向土壤提供電流，產生電場，而M 和N 電極測量其電位。土壤的電阻率可以根據電場電位和電流之間的已知差異以及電極之間的距離來確定。這些測試是在工程完成后進行的。

2.3 研究中使用的實驗室污染評估方法

為了對地下水和地表水進行質量評估，自90 年代初以來，這兩個垃圾填埋場一直保持著一套監(jiān)測系統(tǒng)。從安裝在兩個填埋場的測壓管網絡中連續(xù)采集地下水樣本。通過當地觀測，可以記錄在填海工程期間以及之后的地下水質量變化。監(jiān)測系統(tǒng)還用于評估所有側重于污染場地修復的工程活動的效率和質量。由于一些測壓計自1993 年至今一直提供記錄，導致在垂直屏障施工過程中受損，其中一些必須更換為現(xiàn)場安裝的新儀器。最終的監(jiān)測系統(tǒng)由12 個以上的壓力計組成。

使用浸入式泵從地表以下0.25-0.75m 深處的測壓管中采集地下水樣本。地下水監(jiān)測網絡由若干壓力計組成，這些壓力計的位置取決于地下水流向。監(jiān)測區(qū)域覆蓋填埋場底土的充排水，以及這兩個區(qū)域之間最近的附近區(qū)域。

針對15 個選定的污染指標，對地表和地下水樣本進行了質量測試。它們是：PTE（銅、鋅、鉛、鎘、鉻、汞）、電解電導率、總有機碳（TOC）、多環(huán)芳烴（PAH）、化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氯化物和硫酸鹽。樣品的物理化學分析與測壓計和水井中的地下水位變化以及淹沒時通過調查溝渠的水流的測量同時進行。

為了避免在樣品的物理和化學分析過程中出現(xiàn)任何誤讀，我們非常小心地收集了所有樣品，以消除潛在的誤差。如果由于采樣和樣品運輸方法不當，將會導致30%的讀數存在偏差。截至2004 年，采用的抽樣程序是國家標準中建議的程序。從那時起，程序已根據ISO 56673 和ISO 5667-11 進行了更改。

取樣前，仔細地將每個測壓管中的頂部水抽出。泵送時間的計算基于每個壓力計中的水量和泵的效率。為了確保取樣的適當性，每次泵送時都會同時測量pH 值、溫度和電導率。樣本被收集到煙霧玻璃瓶中，然后被運送到認證實驗室。根據從監(jiān)測網絡獲得的數據，在建造垂直路障之前和之后，可以比較地下水污染濃度方面的水質。填埋場內的地下水質量評估基于收集樣本中測量的濃度與國家標準要求的水平的比較。

3 結果和討論

在兩個填埋場安裝的測壓管網絡能夠對填埋場附近的水質進行適當的控制和估計。地下水的化學分析從1997 年開始進行。水質結果分析表明（圖2），垂直屏障和截流式排水系統(tǒng)的引入對第一層地下水的基本參數產生了積極的影響。對于選定的測壓計，用于評估水質的最重要參數讀數。

圖2 雨后水質變化情況

根據項目開展的技術工程，包括垂直膨潤土屏障和截流式排水系統(tǒng)，以從填埋場分離乙酰乙酸，有助于顯著改善填埋場附近的地下水質量。圖3 顯示了改造工程的影響，尤其是改造工程前后截流式排水系統(tǒng)對含水層中地下水質量的影響。很明顯，每個指標的濃度都顯著下降。在這兩種情況下，對于垃圾填埋場而言，在截流式排水系統(tǒng)施工前后，對從測壓管采集的地下水樣本進行化學分析的結果都進行了質量改進。

圖3 污水處理廠2010 年-2018 年的進水水質、水量變化情況

為了展示污染物如何擴散以及運輸路徑隨時間的變化，創(chuàng)建了空間分布圖（針對選定的污染物）。圖3 顯示了污水處理廠2010 年-2018 年的進水水質、水量變化情況。

結果基于90 年代安裝的測壓計的“現(xiàn)場”測量結果。通過比較監(jiān)測得到的氯化物分布圖，可以觀察到浮油運動、污染區(qū)限制和氯化物濃度最大值降低的類比。污染會顯著影響流出方向的水質。在截流式排水系統(tǒng)運行5 年后，最大濃度從7A 號測壓計的區(qū)域移動到11A 號測壓計的區(qū)域。在7A 號測壓計中，靠近完成垂直屏障的區(qū)域，觀察到污染物顯著減少。污染濃度降低最顯著的是：電導率、BOD5、CODcr、氨氮和氯化物。

從2017 年開始，減少氨氮污染是非常明顯的。銨態(tài)氮的時間分布圖清楚地顯示，在安裝截流式排水系統(tǒng)之前，所有儀器的讀數給出的污染范圍為3 至589mgNHa*/L。例外情況是位于進水區(qū)的30 號和31 號測壓計。這基本上證實了填埋場的危險環(huán)境影響。截流式排水系統(tǒng)施工15 年后，僅在位于填埋場西側地下水排放區(qū)的測壓計（1A、2A、3、4 號測壓計）中記錄到氨氮濃度升高。然而，該位置的初始讀數給出了最高的污染水平。填埋場附近氨氮的減少速度緩慢，但在時間上持續(xù)進行。NH 濃度：在過去10 年中，壓力計下降了10 倍之多。

4 結束語

保護地下水不受垃圾填埋場滲濾液的影響，主要通過防滲墻和截流式排水系統(tǒng)組成的控制系統(tǒng)實現(xiàn)。在控制系統(tǒng)實施后，這兩種情況下的地下水質量都有了顯著改善。此外，觀察到地下水中的污染濃度顯著降低。同時，垂直屏障關閉后，主要污染濃度向地下水流方向移動。此外，來自第二層的截流式排水系統(tǒng)有效地隔離了來自表面的影響，從而避免了來自填埋區(qū)的影響。本文介紹了截流式排水系統(tǒng)施工現(xiàn)場效果的評價，提出了一套基于適當進行的實驗室試驗和現(xiàn)場調查的特定活動，可顯著改善受污染現(xiàn)場的環(huán)境條件。在當地水質監(jiān)測的框架內，觀察了截流式排水系統(tǒng)對填埋場周圍地下水流動的影響。為了最終評估垂直屏障和排水效率，需要進行長期監(jiān)測觀察。本文中給出的監(jiān)測數據結果清楚地表明了這種應用的有效性及其在保護土壤-水環(huán)境免受污染物遷移方面的關鍵作用，實現(xiàn)了截流式排水系統(tǒng)在市政工程中的實踐應用。