新型攔污網在北京市通惠河應急處置中的應用

李 楠，危夏安妮，胡艷芳，呂永峰

（1.北京市城市河湖管理處通惠河管理所，北京 100124；2.北京市城市河湖管理處，北京 100045）

1 研究背景

1.1 地理位置

北京市通惠河地處北京核心地區，上游承接首都功能核心區，下游連通北京行政副中心，是城市河湖水系中重要的排洪河道；上接南護城河尾段，西起東便門鐵路橋，承接前三門暗溝、東護城河暗溝，經高碑店、普濟閘，于通州城北通濟橋（臥虎橋）下泄入北運河，全長20.35 km，總流域面積為258 km2。其中，北京市城市河湖管理處管轄長度15.04 km（西起東便門鐵路橋，東至普濟閘下游251 m處），如圖1所示。

圖1 通惠河河道平面示意

據統計，高碑店閘水文站2022 年年降水量747.9 mm，最大流量290 m3/s（7 月27 日3 時），泄洪總量1 211.91×104m3，下泄水量16 432.35×104m3。樂家花園水文站2022年年降水量599.8 mm。

1.2 白色泡沫成因

據調查，通惠河東便門橡膠壩上游有前三門暗溝、東護岸河暗溝2 個較大暗涵，受降雨影響，大量雨水將沉積的污泥及部分生活污水沖進河道，大量有機物進入河道迅速消耗水體的溶解氧，使水體處于厭氧狀態，并且老化分散的污泥有很強的吸附功能，致使污水的黏度增大，河道水體經過橡膠壩跌水、大量曝氣時，氣泡分散于水中不易凝聚而被吸附，使污泥的濃度降低，河道表面即形成厚厚的白色泡沫層。同時，水體經過曝氣時，水體內的厭氧反應產生的大量有害物質（氨、硫化氫）會隨著部分氣泡融入空氣內，氣味臭致使人體有惡心的不適之感[1]。

另外，生活污水中含有大量的油脂、洗滌劑。洗滌劑的主要成分是表面活性劑，其中磷含量較高，這種物質會降低水表面張力。當水體通過橡膠壩、跌水等落差明顯的水工建筑物時，在水體張力降低的情況下，油脂和表面活性劑在水體經過橡膠壩高速沖擊時會產生大量泡沫，一般情況下，初期雨水的影響情況較為嚴重。通惠河作為城區最重要的排洪河道，此情況更為突出[2]，如圖2—3所示。

圖2 大北窯橡膠壩下游雨后白色泡沫聚集

圖3 高碑店閘下游雨后白色泡沫聚集

1.3 白色泡沫產生的影響

此種白色泡沫產生的突發水環境問題，不僅對水環境景觀造成惡劣影響，而且給市民造成很大困惑和不良的直觀感受，甚至近年幾次大范圍暴發事件被媒體進行曝光和評論，北京市城市河湖管理處相關負責人雖對此進行了解釋和說明，但在社會輿論中仍產生負面影響[3]。2021—2023年7月底，北京市城市河湖管理處接到反映通惠河突發白沫現象的接訴即辦工單共計6件，引起了廣泛輿情。

北京作為首都，肩負著全國政治中心、文化中心、國際交往中心、科技創新中心的核心功能。建設好首都，推動北京持續健康發展，需要付出持續的努力。生態水環境遭受破壞，同時引起輿情發生，作為城市水務管理單位的北京市城市河湖管理處，必須高效解決水環境突發問題，以減少對于城市環境的惡劣影響。

2 現階段處理方式

（1）水面清潔。雨后，加大水面保潔的力度，快速清理水面漂浮污染物，降低污染物對水體的持續影響。

（2）水資源調配。通過調配優質水源置換水體，來改善水體質量[4]。

（3）生物制劑改善。通過投撒生物凈水劑、生物酶等制劑，降解水體污染物、消除臭味，從而改善水體質量。

（4）物理消除泡沫。通過調節閘壩運行狀態及船只物理干擾的方式消除泡沫，降低影響。

3 基于白色泡沫基礎上的產品研發

3.1 新型攔污網研發目的

汛期，城市河道防洪需求較高，上述傳統處理方式在實際應用中呈現出諸多問題，如人工材料成本高、工作效率較低。為此，從操作難度、水流調度、見效速度及投入成本等綜合因素考量，認為物理攔截效果最為便捷適宜，故考慮通過此方式進行產品改造提升，以達到增強處置效力的目的[5]。通過對攔污網單體結構的重新設計，使其在水流沖擊作用下順勢旋轉，在攔截聚攏泡沫的同時，起到搗散消解泡沫體的作用[6]。

3.2 改裝攔污網產品規格及效果分析

3.2.1 一代產品

浮球選取2 種規格的泡沫浮球。單組為白色浮球（直徑12 cm）+橙色浮球（直徑8 cm）+黑色扎帶（200 根耐磨尼龍繩），整體組成為單組浮球+編織繩=串聯組合。在每個白色球體上打入均勻孔洞，垂直黏連嵌入200 條長度0.12 m 的耐磨尼龍繩，對泡沫體進行直接破壞分解，如圖4—5 所示。橙色浮球為間隔物，表面耐磨尼龍繩互不妨礙，可靈活轉動，如圖6所示。整條攔污網重量適中，2名成年人即可搬運、栓縛攔污網，如圖7—8所示。

圖4 白色浮球俯視示意

圖5 白色浮球側視示意

圖6 橙色浮球側視示意

圖7 成品整體展示

圖8 成品局部展示

攔污網浮球在水流作用下自由旋轉，隨水流流速的增加，球體自轉能力隨之增強，其表面覆蓋的針狀物可搗散泡沫體。在流速為0.12～0.31 m/s 內，攔污網對白色泡沫的平均消除率達到60%。2022 年7月24日，攔污網應用效果如圖9—10所示。

圖9 大北窯橡膠壩下游應用過程

圖10 大北窯橡膠壩下游應用效果

3.2.2 二代產品

通過應用發現，一代產品對于處理零星片狀泡沫體效果較強；而對處理成簇成團狀泡沫體，由于表面“觸手”密度小、材質軟，導致其刺破力度有限，效果不佳。

針對實際情況，對攔污網單體進行了進一步改良：①將球體改為圓柱體形態，進一步增大單體的攔截面積；②將針狀觸手改為毛刷，提高植入密度，進一步加大對白色泡沫的破壞力度；③嵌入方式由均勻垂直式改為螺旋排布式，進一步提高在水流沖擊作用下的自轉效果，設計方案如圖11所示。

圖11 設計方案

經過對攔污網單體多次對比試驗后發現：①進一步減輕毛刷體自重，可提高攔污網在水面的漂浮效果；②進一步增加毛刷長度，可擴大攔污網與聚集泡沫接觸面積，加大其破壞力度。因此，最終選擇密度小的塑料PP 材質制作管芯，同時降低管壁厚度，加長毛刷長度。改進后的單體外徑4 cm，內徑2 cm，毛刷長度6 cm。單體構造，如圖12—13所示。

圖12 毛刷單體側視示意

圖13 毛刷單體俯視示意

二代產品具體形式如下：單組為毛刷（自重0.7 kg，直徑50 cm）+浮球（直徑12 cm），整體組成為單組+防水繩=串聯組合，如圖14 所示。毛刷與浮球進行串聯，使單體組合（毛刷+浮球）物體密度得到進一步減輕，達到降低排水體積的效果，從而更好地漂浮于水面之上。

圖14 固定于大北窯橡膠壩的攔污網

攔污網毛刷體在水流作用下旋轉，在流速為0.12～0.31 m/s內，泡沫消除率隨流速增加而增大；同時，處理零星片狀泡沫體效果極佳，平均消除率可達到80%。2023 年7 月11 日降雨后，河道出現零散泡沫體，隨后開展水面試驗，效果如圖15 所示。改良后的攔污網可快速將零散泡沫進行攔截、消解，對下游水環境狀況起到積極的改善作用，應用效果十分顯著。

圖15 雨后同心橋下應用效果

3.2.3 綜合評價

一代及二代產品綜合處理功效評價，詳見表1—2[7]。

表1 新型攔污網一代、二代產品處理時效對比 m2/min

表2 新型攔污網一代、二代產品泡沫攔截效率對比 %

經過多次改良試驗及數據分析，可對兩代產品功效進行對比評價，結果如下：兩代產品對白色泡沫的處理時效和攔截效率均隨水體流速增加而提升；二代產品處理零星片狀或成簇成團泡沫體的時效和攔截效率均優于一代產品；在同流速下，兩代產品對零星泡沫的處理效果較團狀泡沫更加明顯。

4 新型攔污網產生的效益

通過分析2022 年在通惠河投入應用情況發現，新型攔污網具備消除泡沫能力強、拼組便捷易操作、可復制能力強、原材料環保穩定等優點。鑒于白色泡沫問題在城市河湖乃至全國各個流域內皆有發生，相關單位或部門可根據河道及排水口寬度自行組合并長期循環利用，具有普遍推廣價值[8]。

目前，新型攔污網二代產品單價成本為246元/m，試驗所用產品制作長度為50 m。以城市河湖2022年水環境應急事件為例，通惠河段突發白色泡沫問題2 次。如采取投撒生物制劑方式處理，需含材料成本、人工成本、機械成本，其中材料費生物制劑約200元/kg、人工費160元/d、機械費船只200元/臺班。如處理一次突發事件，投撒制劑40 kg 左右，需3 名工人操作，每次治理周期2 d。按上述數據計算，2022年通惠河段2次治理共需花費34 720元。如采用新型攔污網處理，除12 000元材料費之外，無任何其他費用支出，同時單體部件均可循環利用，使用壽命至少5 a。如長期投入使用，可直接降低長期支出成本[9]。

綜上，新型攔污網的應用可快速處理突發水環境白色泡沫問題，保障城市河湖水環境安全，短時間內恢復水環境常態；可節約人力成本，能夠幫助水務部門將更多精力投入汛期水流調度及水工設施維護工作中；可節約物資成本，減少打撈船只應用等[10]。

5 結論及建議

5.1 結論

新型攔污網具有處理河道白沫高效、材料成本低、環保可靠、組裝方便、可循環使用的優勢，在實際水環境維護運用過程中能夠達到良好效果。

5.2 建議

水體受污染，絕大多數原因是由于排污口污水排放所致。為此，建議采取以下方法解決水污染問題：①利用指標管理加強污水處理。建議排污入口處加裝除磷設施，可以采用生物處理、化學處理等方法，降低水體富營養化程度；②以水資源科學調度為原則，采取物理方式適當調節降低閘體間水位落差，以緩解泡沫的產生；③建立初雨調蓄池，收集降雨后初期雨水，既規避雨水洪峰，又控制初期雨水的面源污染，以緩解河道受污染程度。

發展是第一要義，而創新是發展的源泉和動力。水務工作的全面進步，更需要豐富的創新元素，以問題為導向，從實際問題著手，用繡花的功夫解決問題。新型攔污網正是在此大環境下應運而生的產物，具有極高的實際應用價值，切實提高了水環境應急處置能力，可達到將水環境問題進行快速化解、消除的目的，具有便捷、高效、可循環的優勢，對整體水環境狀況改善起到積極的促進作用，為水環境應急處置提供了新思路。