景觀湖泊與人工池塘的治理及淤泥利用

王青峰，周 琪，吳國立，劉 珣，劉 爽

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 310000；2.華北水利水電大學，鄭州 450046；3.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，鄭州 450003）

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

石穩(wěn)民等[1]，向瑩等[2]，彭藝藝等[3]，張卿等[4]認為清淤工程首先應考慮控制淤泥和污染物的來源，從根本上解決淤積問題。肖朝紅等[5]，邵運賢等[6]，黃志心[7]根據(jù)水環(huán)境治理工程實踐提出了控源截污、內(nèi)源治理、活水保質、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，工程運用沉積學初判、拐點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)修復等相結合的內(nèi)源污染治理方案。胡春宏等[9]根據(jù)我國5大流域的河道、水庫的淤積情況和清淤實踐提出了兼顧適用性、綜合性、經(jīng)濟性、長效性與安全性的總體治理原則和提前查明地質和建設條件，合理選擇清淤設備，分段順流清淤的大致施工原則，提出了清淤要與環(huán)境保護相結合，要注重重復利用和經(jīng)濟效應相結合的基本原則。謝彬等[10]，苗運江等[11]針對清淤介紹了專門的實時清淤系統(tǒng)，其清淤效率可達人工的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)絡和深度學習進行清淤的預警模型。黃朝煊[13]，王凱等[14]提出了基于模糊法原理的綜合評分標準對清淤效果進行評價，該方法與傳統(tǒng)評價標準相比最大優(yōu)點是考慮了人工成本和時間成本，但其可能考慮因素過多導致工作量過大或受主觀因素影響較嚴重。郭英卓等[15]認為淤泥（底泥）污染物中的重金屬離子濃度經(jīng)過處理即使在污染物控制標準以下，堆放的底泥隨著時間的累積和雨水的淋溶作用也會通過徑流、滲透等方式不斷進入土壤從而造成二次污染。蔣正武等[16]，楊雷等[17]，林莉等[18]，文國來等[19]對清淤產(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如何建造景觀湖泊和人工池塘提出了合理建議，對景觀湖泊和人工池塘進行后期清淤治理給出了施工方案和建議，同時對清淤效果評價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的意見

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量的功能，同時人工池塘還可以用來種植蓮藕、養(yǎng)殖魚類，具有較大的經(jīng)濟效益。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，流動性和自凈能力差，易于內(nèi)源污染和淤積。

降雨攜帶污染物和泥沙通過地表徑流進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時除了考慮美學、風水和傳統(tǒng)文化等因素外，還要考慮工程環(huán)境與經(jīng)濟等，為方便其后期治理可適當增加其邊緣高程，使其略高于四周地面，并進行混凝土抹平或設置草皮進行固土，也可以布設污水截流工程，防止降雨時大量泥沙和污染物進入造成污染。流動性差也是景觀湖泊和人工池塘淤積的重要原因之一，針對與此可以在建造時布設循環(huán)管道、多級景觀臺和涌浪系統(tǒng)，增加景觀湖泊和人工池塘的活水循環(huán)。物種單一導致池塘自凈能力差是其淤積的另一因素，建造時可設置生態(tài)浮島，種植不同藻類和植物，在水體內(nèi)投放不同種類的魚、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。考慮到隨著使用時間的不斷增長，仍有可能產(chǎn)生淤積，建議在建造景觀湖泊和人工池塘時應采用圓形或類圓形設計，盡量不使用狹長形設計；另外在設計時可選用日月湖、連理湖和雙魚湖等類似的復合型景觀湖泊和人工池塘，使塘水得以循環(huán)造氧并增加其流動性，從而使得生物種類多樣性增加并增強水體自凈能力，還可以在建造時安裝基于神經(jīng)網(wǎng)絡的預警模型，方便將來清淤工作。

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)、學校和私人別墅中，其作用是美化周邊環(huán)境、改善空氣質量，在清淤時一定要遵循保護環(huán)境、避免噪音的原則，在具體施工時要提前查明地質和建設條件，合理選擇清淤設備和作業(yè)時間，盡量避免大型設備的使用，并分段逐步清淤。

目前國內(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)的積水排干后再進行清淤施工；后者無須進行圍堰排水，在帶水環(huán)境下采用挖泥機械進行清淤施工。由于景觀湖泊和人工池塘的面積較小且需保持長期有水，綜合考慮清淤能力、環(huán)保效果和技術經(jīng)濟性等因素，在清淤時不宜選用挖泥船、鏟運機和推土機等大型設備。具體施工時應根據(jù)設計圖紙首先了解其地質條件及周邊地下管線情況，然后利用回聲探測儀或根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡預警模型運用沉積學和拐點法等計算確定大致清淤深度，完成清淤前的準備工作。對于復合型景觀湖泊或人工池塘，可以將魚、龜和各種植物移入其他湖泊或池塘后逐個排水進行人工挖掘清淤，該方法成本低，效果好，且不會破壞周邊環(huán)境，噪音小。對于無法單獨排水的景觀湖泊或人工池塘，可以先將魚、龜和各種植物暫時移走，然后選擇多個合適功率和揚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、龜和各種植物在運移過程中容易死亡，且可能會產(chǎn)生一定噪音，需要合理選擇作業(yè)時間。

3 清淤效果綜合評價

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

對于景觀湖泊和人工池塘這類具有多功能、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分標準較傳統(tǒng)方法更適合對其進行清淤效果評價。具體評價時首先應依據(jù)其功能性和因素占比確定參評項及權重，然后根據(jù)清淤結果對各參評項給出合理的評分標準和依據(jù)，最后根據(jù)權重累加得到不同效益下的評分，歸一化得到綜合評分。由于評分標準受主觀因素影響較大，各效益參評項應適量，以5～8項為宜，過少則考慮因素不全且偏差較大；過多則工作量較大且評價標準難以確定。清淤效果最終評價應根據(jù)綜合評分Z和清淤成本X客觀評價。

具體評分標準和權重可適當參考以下公式

式中：Z為綜合評分；M為環(huán)境效益評分；N為經(jīng)濟效益評分；P為社會效益評分。

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

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

式中：P為社會效益評分；R為空氣質量評分；S為水質評分；T為知名度評分。

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

綜合評分時各項滿分均為100，按照比重進行計算。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，則可計算得到重金屬離子含量評分同理可計算得到含氧量評分B、底泥含量評分C、礦化度評分D、有機物含量評分E和含氮量評分F，將以上各評分代入式（2）即可計算得到環(huán)境效益評分M；假設清淤治理前養(yǎng)殖平均收益為2萬元/月，清淤治理后養(yǎng)殖收益為10萬元/月，則養(yǎng)殖收益評分80，同理可計算得到種植收益評分V、淤泥二次利用收益評分W和其他收益評分Q，將以上各評分代入式（3）即可計算得到經(jīng)濟效益評分N；將空氣質量、水質和知名度分為優(yōu)、良、中及差4個等級，每個等級對應不同分值，具體分值見表1，空氣質量評分R=同理可計算得到水質評分S和知名度評分T，將以上各評分代入式（4）即可計算得到社會效益評分P；將環(huán)境效益評分M、經(jīng)濟效益評分N和社會效益評分P代入式（1）即可計算得到綜合評分Z。當綜合評分Z≥80時，認為清淤效果較好；當綜合評分80≥Z≥60時，認為清淤效果一般；當綜合評分Z<60時，認為清淤效果差。清淤成本X計算時考慮到設備投入成本K、人工投入成本J、時間投入成本L和其他成本H。考慮到景觀湖泊和人工池塘需定期清淤，即清淤有一定時效性，則可計算其時效期內(nèi)的經(jīng)濟效益Y。當綜合評分Z＜60且清淤成本X大于經(jīng)濟效益Y時，則不建議進行清淤，而應當對其進行治理改造。

表1 等級評分表

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所，也是內(nèi)源污染釋放的主要來源，景觀湖泊或人工池塘中的淤泥主要成分為黏土礦物、有機質等，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。

對于清理出的淤泥首先應檢測其重金屬離子等污染物的含量，然后利用生石灰、鐵鹽等進行雙重鈍化穩(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重金屬離子和污染物進行絮凝[23-25]。淤泥中重金屬離子和污染物處理后濃度和含量要達到控制標準以下，然后再進行機械和化學絮凝固化脫水。淤泥固化處理處置的方法主要有自然干燥法、真空預壓脫水法、土工管袋法、機械脫水法和攪拌固結法等，脫水固結一體化工藝具有脫水效率高、施工工期短、占地面積小、泥餅含水率低及對泥質適應性強等優(yōu)點，在實際的河湖環(huán)保清淤工程中優(yōu)勢明顯，得到了廣泛的應用，主要包括底泥的篩分除雜系統(tǒng)、均質調理系統(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質且無毒無害，可以直接用于修復土壤、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度可達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，其抗壓強度可達57.6 MPa；或者在淤泥和淤泥干粉中加入適量爐渣、微孔成型劑與調整劑等控溫焙燒自保溫多孔磚，其密度和導熱系數(shù)較小，性能優(yōu)良；還可以將淤泥與適量頁巖粉混合控溫焙燒陶粒，其表面釉化性能和膨脹較好，密實性高，保溫隔熱性能優(yōu)良。