环保清淤与多级接力疏排技术在白洋淀生态清淤工程中的应用及探讨

环保清淤与多级接力疏排技术在白洋淀生态清淤工程中的应用及探讨

刘学武

中电建生态环境集团有限公司  

摘要：本文以白洋淀生态清淤扩大试点工程实践为依托，对环保绞吸式挖泥船在城市河湖环保清淤，并采用多级接力泵站实现远距离泥浆输送技术进行探讨。雄安新区白洋淀生态清淤扩大试点工程中，应用绞吸式挖泥船装配清淤较刀的清淤方式，切实做到满足环保清淤的高精度、高质量及高效率要求，有效降低清淤施工对环境的二次污染风险，从而实现环保清淤；同时， 通过对根据清淤设备规格、性能等实际特点，以及底泥输送距离要求，釆用装配接力泵站的方式，通过清淤设备与接力泵站的性能选择和技术参数控制，实现绞吸船环保清淤与多级接力输泥。

关键词：城市河湖  环保清淤  多级接力 二次污染 疏排

引言

2019年初，经党中央、国务院同意，河北省委、省政府正式印发《白洋淀生态环境治理和保护规划》（2018—2035），对雄安新区白洋淀水污染治理、淀区生态修复、生态保护与利用等工作指明了方向。随着雄安新区白洋淀全面截污、河口湿地建设等措施下，淀区水质逐步改善。但夏季高温期水质较差，水体COD超标较重，污染物主要来源于淀泊、内生性有机质累积。由此，能否消除内源污染并打通输水通道充分发挥生态补水作用是决定断面水质稳定达标的关键因素。经先期清淤试验证明环保清淤具有技术可行性，环保清淤施工扰动范围较小，对水质无较大影响，水体污染物浓度下降明显，内源污染治理对确保断面水质达标有重要意义。为确保白洋淀考核断面水质全面稳定达标，对重点区域（人工鱼塘等）开展环保清淤，快速消除内源污染，并对清淤底泥进行资源化利用十分必要、势在必行。

1.白洋淀生态清淤实施条件及特点

白洋淀生态清淤扩大试点工程主要内容对区域范围内的重污染鱼塘进行环保清淤，清淤的污染底泥输送至淀区周边进行脱水固化或资源化利用。工程范围33.8km2，环保清淤重污染鱼塘16个，污染底泥清淤量约29万方。由于待环保清淤重污染鱼塘均间隔分布在白洋淀区内，不具备陆域清淤设备施工和泥浆转运条件。受淀区内地形特点影响，大型疏浚或清淤船舶无法适用。且施工范围距国控水质监测断面不足2km，施工期间淀区水质保障要求标准高。因此，采取合理的清淤施工工艺和先进的清淤设备，降低清淤对水体的扰动，有效防止污染物在水体中大面积扩散，降低清淤施工对水质的不良影响，切实避免二次污染是工程能否顺利实施的重要课题之一。

由于工程区域周边多为耕地和居民住宅区，乡镇道路交通条件极为有限，且就近岸边区域用地紧张，无法提供底泥处理用地。经反复勘查，选址的3处底泥处理区距白洋淀岸边约3~5km不等。为实现污泥底泥环保清淤及底泥异位固化或资源化利用，若采用陆上交通设备运输方式，必将给城市交通造成更大压力，影响市民交通及出行。同时，受陆上运输设备自身特点所限，污泥底泥运输过程中的跑、冒、滴、漏无法完全避免，二次污染风险高。若采用管道输送底泥方式，将严重超出清淤船舶的最大允许排距。因此，最大限度降低底泥运输对城市环境及居民生活的不良影响，有效规避二次污染风险，并实现底泥远距离管道输送是成功实施白洋淀生态清淤工程亟需解决又一技术难题。

2.传统清淤和输泥技术现状

2.1清淤技术现状及技术难点

在河道、湖泊水下清淤工程领域，运用最主流、最广泛的清淤施工船型属绞吸式挖泥船。传统的绞吸挖泥船施工原理主要为采用传统铰刀头对水底泥土进行切削，形成泥水混合物（泥浆）后，再通过离心式泥泵将泥浆从绞刀头下部吸入，通过船内吸管、泥泵、排泥管完成泥水混合物输送任务。在绞吸船施工过程中，铰刀切削会对施工水水体和土体造成极大扰动，泥土随着水体迅速扩散，严重污染施工水域环境。若施工水域为污染严重的黑臭水体，随着传统绞吸式挖泥船施工，污染底泥中所富集的氮、磷、有机物等污染成分将随着铰刀扰动，迅速向水体释放，甚至扩散至空气中，对施工水体和空气环境造成严重二次污染，将严重破坏、影响河流沿岸城镇居民生活环境。从而，无法满足城市河湖清淤相关环境保护要求及标准。

2.2泥浆输送技术现状及技术难点

绞吸式挖泥船清淤的泥水混合物主要是通过排泥泵提供动力，采用管道完成介质输送。排泥泵的设备性能和规格须与绞吸船规模保持一致，因此，绞吸船的输泥距离均有最大允许排距限制（以200m3/h的绞吸式挖泥船为例，若施工工况为二级，清淤土质为二类，并且在基本排高范围内，其最大允许排距通常为2.8km）。当需求输泥距离超过船舶排泥泵的最大允许排距时，则需要采用接力方式来实现远距离输送泥浆。按照接力形式不同，主要分为开式接力和闭式接力。开式接力主要是在泥浆输送途中设置堆存区的方式实现。对于当前的城区河流和湖泊环保清淤施工基本无法适用。对于现有的闭式接力技术，即采用船舶与船舶、船舶与泵站进行对接，直接完成接力输送。由于，在接力施工过程中，对接力泵站和绞吸船排泥的技术参数（包括排压、输出功率等）匹配程度和控制要求极高。此外，由于绞吸船清淤为运行式施工，随着清淤土质、铰刀下放深度、船舶横移速度、泥浆浓度、流量以及水流等影响，排泥泵的压力会不同程度随之变化。若操作不当，极易造成设备损坏、堵管等情形发生，导致停工停产，从而降低设备有效利用率，降低了生产能力，施工成本增加等一系列影响。目前，广泛采用的闭式接力仅为一级接力，充分考虑水头损失、设备工况等影响，则最大接力输泥距离为不超过清淤船舶最大允许排距的1.8倍。同样以200m

3/h的绞吸式挖泥船为例，采用一级接力技术，则最大输送泥浆的距离为不超过4.5km。因此，无法满足白洋淀生态清淤治理工程泥浆输送距离（最远排距约8km）需求。

3.新型环保清淤技术

为有效降低绞吸式挖泥船清淤施工对水体的扰动，避免水体富集的污染物大面积无序扩散，降低对施工水域的不良影响，保障清淤施工过程淀区水质满足国控断面水质监测标准。

3.1环保清淤技术特点及优势

我公司通过对雄安新区白洋淀生态清淤工程（以下简称“白洋淀清淤工程”）进行详细的现场调研、踏勘，掌握了施工水域的水文、气象、地质等自然条件特征，以及环保清淤的土质、工况类别、清淤深度、底泥输送距离等相关技术要求，拟定采用200m3/h生产能力的绞吸式挖泥船，并配备改进型环保式铰刀头。改进型环保绞刀装配有导泥挡板、绞刀密封罩、绞刀水平调节器等装置，以有效控制清淤介质在水体中的扩散和逃逸。此外，环保清淤过程中，严格执行环保清淤施工规范和操作规程，通过控制绞刀水平调节器，使绞刀始终保持水平状态，清淤时绞刀外罩底边平贴河床，绞刀密封罩将绞刀扰动范围内的淤泥有效封盖并通过泥泵充分吸入，从而实现环保清淤。

3.1.1环保优势

与常规的敞开式绞刀相比，专用环保绞刀有效防止了清淤施工对周边水体的扰动程度，大大降低因绞刀扰动使底泥颗粒向罩外水体扩散，控制了底泥污染物向水体的释放速度和释放量。因此，可有效控制清淤施工对水质的不良影响，避免了因施工造成的二次污染。

3.1.2生产效率优势

基于环保铰刀的防护罩的特殊结构设计优势，在铰刀对清淤底泥进行切削过程中，有效控制了底泥向外扩散、逃逸的同时，增加了防护罩内的泥浆浓度；此外，由于环保清淤施工控制特点，铰刀防护罩平贴清淤底面，空间更加密闭，一定程度增加工作压力，从而提高了泥泵吸泥效率。

3.1.3施工精度和质量控制优势

为了满足环保清淤施工的精度和质量控制要求，在环保绞吸式挖泥船上配备有挖深指示仪、罗径方位表、绞刀压力表、浓度显示仪等反应基本操作数据的仪表。同时，装备高精度船舶定位和清淤高程控制系统，具备先进的、全方位的质量控制能力，可对清淤施工质量进行实施监控，使得挖泥船环保清淤平面控制精度达25cm，高程控制精度达10cm以内。

4.多级接力底泥输送技术

为满足白洋淀生态清淤治理工程底泥输送距离要求，选用的绞吸式挖泥船允许排距2.8km，充分考虑工况、接力泵站的设备自身的扬程、疏排介质、沿程阻力、管道允许排压等多方面影响因素，并经反复验证，分别在排泥管道2.5km、4.8km和7.0m处布设接力泵站及其配套辅助设备，成功实现了3级接力泵站与绞吸式挖泥船联动清淤、输泥，较常规接力技术相比，底泥疏排距离提高了3倍，顺利完成了白洋淀生态清淤治理工程超远距离底泥疏排要求；同时，有效克服了传统接力施工设备故障率高、生产效率低、疏排距离短等技术难点，成功避免了堵管、爆管以及因压力控制不合理导致设备损毁等现象发生，顺利实现了工程目标。

4.1接力方式比选

绞吸式挖泥船受配置泥泵扬程限制，当排距超过设备最远排距时通常采取接力方式，以增大疏排距离。目前，在绞吸式挖泥船清淤及疏浚领域，主要采用的接力方式有开敞式接力（即开式接力）、封闭式接力（即闭式接力）、和混合接力三种类型。

4.1.1开式接力

在绞吸式挖泥船疏排距离不满足要求时，通常在船舶输泥管道末端设置堆存区或泥浆存储装置。由于绞吸式挖泥船的工艺特性，其清淤施工时将水和底泥通常以1:9的配比混合后一并疏排。因此，所设置堆存区或泥浆存储装置需要较大的容积和体量，需要有足够的可占用临时用地以满足施工需要。并且，堆存区或泥浆存储设置的建设，需好用有效工期，并增大施工成本。若清淤介质为污染底泥，则底泥中的污染成分将会在堆存区得以释放，严重影响施工区域的空气环境及质量。

鉴于白洋淀生态治理工程周边多为密集的城镇居民区，无法提供堆存区建设用地，开式接力无法适用。并且，该工程清淤介质为重污染鱼塘沉积的底泥，经清淤扰动底泥异位严重，不满足雄安新区环境保护标准及要求。

4.1.2闭式接力

闭式接力即为设备封闭连接，通常采用绞吸式挖泥船和接力泵站连接，挖泥船和挖泥船连接，需要接力设备与清淤船舶设备能力相匹配，或通过施工控制使得其各项工作参数满足船舶和设备能力需求。由于闭式接力为一对一封闭连接，整个系统中间无冗余设置，对系统的操作及控制要求高，易造成较高的设备故障率，生产效率低下。因此，在传统的闭式接力领域，基本为一船一泵的一级接力模式。

由于闭式接力为设备对接方式，在疏排管线的末端设置接力设备即可，规避了占用大量的临时用地限制，并且可实现水域接力（设置泵站浮箱或驳船即可），可不受地域条件限制，适用性逛。较开式接力相比，可大大节省施工施工准备期并降低施工成本。基于此，适用于白洋淀生态清淤整理工程。

4.1.3混合接力

混合接力即为开式接力和闭式接力混合使用。

4.2接力设备选型及布置

为确保接力泵站与所选用绞吸式挖泥船相匹配，配套接力渣浆泵选500EPN-50型，接力泵站主要布置在平板趸船或自制加工钢质浮箱，接力泵吸入口余压一般应保持在一个大气压左右，最低不得小于50kPa，布置时要考虑到泵前管线的改动可能会带来的影响；接力站(船)泥泵吸入口管与工作船输泥管线的连接采取柔性连接；浮管及潜管采用橡胶管连接密封，安装时做好接头密封工作；选用优质管材以避免压力管道爆裂；建立巡查和应急处置预案，发现接头和管道漏水、磨损严重等及时处置；正式输土生产前，进行管线压力试验，确保全线密封无泄漏后，方可正式开始排泥。接力站(船)前输泥管线上设来水监控阀，接力泵站间管线上加装设呼吸阀，呼吸阀加装活性炭除臭装置。接力站后排泥管线高于接力泥泵出口时必须在站后排泥管线上装设止回阀，以防止接力泵突发故障停机时排泥管线中泥浆倒流对泥泵产生冲击，同时还可方便泥泵检修。

闭式接力在白洋淀生态清淤工程应用

4.3多级接力技术要点

接力系统操作不当将会对设备安全带来不利影响，为保证多级接力过程中，清淤施工顺利生产，采取了如下技术措施。

（1）施工期间绞吸船与接力站(船)建立对讲机和手机双重通讯系统，挖泥船启动前先通知各接力泵站，待接到回复后方可启动；

（2）在各级接力泵站处安装了自动监测和感应装置，对管道疏排压力、介质流速、真空度，以及接力泵站的转速等进行实施监测、调解和控制，成功实现了自动化、智能化控制。同时，在各级接力泵站处安排专人值守，对设备运转状况辅以人工配合监护，以便对突发异常情况处置，提高设备安全保障系数，确保多级接力系统的安全、稳定、可靠运行。

（2）工作船结束作业时继续泵清水，直至排泥管口出清水时止，防止堵管。

（3）因故障停机，在恢复作业前应先低速泵清水，待确认管线疏通后再提速进行正常作业。

（4）封闭式接力时接力站泥泵吸入口前安装压力表进行观测与控制，以保证接力系统正常运转。

（5）封闭式接力时对吸入泵也即第一台泥泵的启动速度进行控制，以消除或减弱其对接力泵所造成的冲击。启动时间一般控制在2min左右。

（6）封闭式接力中途放泥时应对各放泥点的放泥量进行计算，保证放泥后在放泥点以下的主管及支管中的泥浆流速不低于临界流速，下一接力泵的入口压力不低于50kPa。

5.常见问题及技术保障措施

目前，环保清淤多为城市河湖施工水域。由于城市河湖多为分布或贯穿于建成区，周边人口密集，环境保护要求及标准高，河湖底泥成分复杂，多年淤积导致大量的生活垃圾富含其中，易造成堵管或设备故障。笔者认为针对城市河湖实际特点，结合环保清淤与多级接力技术要求，建议采取如下技术保障措施。

（1）需查清地下管线、电缆等不能移除障碍物的分布情况，报主管部门批准后做出明显标识。应采用清障船或人工对施工水域及底泥中的垃圾、石块、渔网等杂物进行清理、打捞外运，以避免清淤过程中大量垃圾、杂物对船舶及接力泵站造成堵塞，影响施工生产效率。

（2）管道的布设应根据地域环境特点，因地制宜，合理选择潜管、浮管或岸管形式，以适应并满足施工环境和条件要求。

（3）管线布设时须确保施工需求的情况下，尽量缩短疏排长度，并尽量保证管道平顺，减少沿程阻力和局部压力；并避免增加不必要的疏排高度，以充分发挥设备有效生产能力。

（4）合理控制接力泵站前后的真空度等主要参数，在吸入真空过高的情况下，释放阀及时的自动开启，可以保证清水充入到吸泥管内，解决高真空问题。

（5）依据施工环境、条件等实际特点，选择接力泵站及相应主要设备，尽量保证接力系统与施工船舶相匹配。

（6）选用技术熟练、经验丰富的操作人员，能够对接力泵站的稳定性、泥泵输出压力以及流量变化范围有较好的掌控能力，具备突发状况的实时判断和处理能力。

6.结语

绞吸式挖泥船环保清淤与多级接力疏排技术，是实现白洋淀生态清淤治理工程污染底泥异位处理的关键前置技术，是成功解决环保清淤、远距离输送工程难题的有效途径，是生态环境治理工程领域的技术尝试和突破，是响应我国加大环境污染治理、提高生态环境保护等相关政策要求的技术攻关。该项技术的突破和成功实践，将为城市河湖生态清淤工程的顺利实施提供强有力的技术支撑，解决相应的技术难题，为生态环境治理工程领域提供广泛的借鉴和应用意义，发挥良好的示范效应。

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