黄孝河原是汉口地区一条自然排灌明渠,至湖广总督张之洞修筑张公堤和岱山闸后,即成为汉口城区通往郊区直达江河的一条市内水上交通河,也是汉口中心城区内的排污、排渍的总排水渠道。为解决汉口城区严重洪涝之灾,改善城市人民生活环境,改变城区市容市貌,于1980年启动了对黄孝河的综合整治工程,主要是按设计开挖人工大型明渠,该工程于1985年10月动工兴建,分三期建设,1989年5月完工。

　　 黄孝河明渠起自汉口京广铁路以北,止点为汉口张公堤南侧的后湖泵站拦污栅前,全长约5.4km,如图1 所示。根据武汉市城市总体规划,黄孝河明渠汇水范围包括汉口旧城区(18.4km²)和后湖西区(15.1km²),面积为33.5km²。现状明渠底宽为26 m,设计水深2.5m,设计流量85~97m³/s。但明渠自投入使用以来,从未进行过底泥疏浚及边坡修整,通过校核计算,实际正常过水能力仅为30~75 m³/s。根据最新的地形勘测,明渠底沉积淤泥平均厚为1m。由于河道淤积导致黄孝河河段存在如下主要问题:(1)泥沙淤积使河底积淤,过水能力大幅降低,导致防洪标准降低;(2)部分堤段由于长期雨水冲刷已变形,在高水位时极易出险,对堤防构成较大威胁;(3)底泥耗氧是河道水体耗氧的重要组成部分,大量底泥淤积使底泥耗氧加剧了河道耗氧速率,导致河道发黑、发臭,严重影响沿线地区环境^[1,2]。

　　 黄孝河明渠作为武汉市重要的水上交通河及其自排明渠,保证该流域畅通、水环境良好,对武汉地区的城市人们生活环境及经济社会的发展有着重要的意义。因此,本工程通过对黄孝河清淤以达到如下目标:(1)降低明渠水位,规整断面,保证排水畅通,扩大明渠过流能力;(2) 为下阶段拓宽、护砌创造条件;(3)减少明渠底泥有机物耗氧对水体的影响。

　　 尽管河道清淤的实际工程较多,但针对无清水源的河道明渠清淤研究实践仍相对较少,本文以黄孝河明渠为例,针对其清淤设备的选择及施工措施展开分析,以期为日后的河道明渠清淤工作提供借鉴。

　　 国内外用于湖泊、渠道底泥疏挖的方法很多,从采用人力角度,可分为人工开挖、机械开挖和半人工半机械开挖^[3];从水体是否排水角度,可分为排水干滩施工、水下疏挖施工等。水下机械挖泥施工具有高效、简单、施工灵活等特点,在大中小型湖泊、采矿和远洋、近海、港口中得到广泛应用,并发展出各种专业挖泥设备和船舶^[4,5]。就机械清淤技术而言,目前主要包括:虹吸清淤、机械清淤、挖泥船清淤、气力泵清淤等^[6]。

　　 (1)虹吸清淤。该技术不必泄空河道,故不需要专门为清淤消耗水量,但清淤量受上下游水位差影响较大,且清淤范围有限,一般局限在堤坝前。

　　 (2)机械绞刀。机械绞刀通过扰动对固结淤泥进行清除,但清淤效率及工作实效受绞刀材料影响较大。

　　 (3)气力泵清淤。气力泵清淤主要以压缩空气为动力进行清淤,排泥量大、机械磨损小、维修简便,但该方法电耗极大,不便于输送淤泥。

　　 (4)挖泥船清淤。挖泥船主要通过绞刀、靶头、吸头、抓斗等设备对河道内底泥进行清淤。挖泥船同时具备破土、挖掘、提升和输送等功能,操作简便,耗水少,后续处理简便,但挖泥船自身售价较高,不便于在深水区使用。

　　 本工程清淤开挖土质主要为沉积底泥,拟采用挖泥船进行水下开挖的方案施工。目前,国内外常用的水下挖泥的船舶和设备主要包括绞吸式挖泥船、耙吸式挖泥船、斗式挖泥船和吸扬式挖泥船^[7,8],各种挖泥船优缺点的比较如表1所示。

　　 基于各种挖泥船的优势,针对黄孝河明渠特点,将分段选择适宜挖泥船。由于受黄孝河施工条件的限制,在船舶能力选型时,需考虑以下条件:(1)河流断面较窄,适宜选择小型挖泥船;(2)在清淤工程后将进行渠底拓宽和护砌,因此挖泥船需要安装高精度定位装置,以便控制挖泥船进行精确施工;(3)本次清淤区水域附近水深约1.5 m,挖泥船满载吃水深宜在1.5m以内;(4) 排泥场较远,考虑到施工困难程度,宜尽量选取大排距挖泥船。结合以上分析,本工程初步选用小型绞吸式挖泥船。但黄孝河明渠经过的地方有多处桥梁和涵洞,尤其是桩号起端前900m,先后经过振兴桥、后湖路箱涵和德胜涵,明渠若采用传统绞吸式挖泥船,拆卸、吊装次数多,工程费用昂贵,因此前段需考虑对底泥进行精确疏浚(清淤能力40~80m³/h)。目前较为先进的环保型疏浚方法是采用绞吸式挖泥船,这种方式是直接由管道在泥泵的作用下吸起表层沉积物并远距离输送到陆地上的堆积区(堆场)^[9]。另外,高精度的卫星数字化全球定位系统RTK-DGPS和水下摄像等技术正在发达国家的疏浚领域中逐步得到广泛应用。因此,该工程前段桩号0+000~0+870采用多功能绞吸式挖泥船,其余区段桩号0+870~5+380采用普通绞吸式挖泥船(清淤能力为150~200m³/h)进行水下清淤。

　　 本着扩大过流断面过水能力,利于防汛泄洪以及改善水环境的原则,对清淤范围进行确定。通过对黄孝河明渠演变图进行分析,基于整治流域的总设计原则,结合黄孝河明渠沿线的具体情况,充分利用现有工程及天然节点的优势进行合理布置。护岸、丁坝等工程在确定清淤整治线中起着节点控制作用,是整治线设计的关键性重点控导工程,这些均为人工节点与天然节点前后呼应,上下配合,符合设计中总的因势利导和重点治理的原则。流域的整治线全长5 380m,按如下3段划分:(1) 后湖路段—金桥大道过街涵段;(2)金桥大道过街涵段—爱民涵段;(3)爱民涵—群力涵段。

　　 清淤断面的设计满足以下要求:首先,需保证河床形态、水沙含量和河床地质条件之间达到动态平衡,确保清淤后河床既不冲刷也不淤积;其次,清淤后河道过水能力要大于清淤前水平,最佳状态为流速沿程递增,下游流速足以带走上流来沙,避免二次淤积;再次,清淤断面设计应尽量满足窄而深原则,避免出现横向水流,确保良好的泄流及排沙能力。

　　 本工程清淤全长5 380 m,施工前勘测单位对明渠每隔20m进行了横断面水下测量,测量结果对明渠底部淤泥进行了揭示,由于黄孝河明渠为20世纪80年代末建成的人工明渠,明渠设计标高以上淤泥厚度0.4~1.6m不等,该部分淤泥均需清除,标准断面分布情况见图2。由于疏挖厚度较小,拟对黄孝河明渠0+000~5+380段进行施工分区,清淤量的计算采用设计横断面与现状横断面套绘的方法^[10,11],计算各断面的清淤面积,然后根据断面间距计算工程量,计算方法见式(1):

　　 式中V———清淤体积(清淤量),m³;

　　 S———各断面面积,m²;

　　 L———各断面间距,m。

　　 实际工程中,横断面的计算值一般遵循以下原则:(1)为保证既将污染底泥疏挖干净,又避免对下部过渡层造成超挖,一次最大挖泥厚度不宜大于0.2m;(2)河湾处以凸岸为主;(3)清淤后河道稳定性良好;(4)综合考虑沿河流域综合环境。黄孝河明渠清淤总长度为5 380m,清淤量为153 000m³,具体工程量如表2所示。

　　 明渠清除淤泥量为153 000m³,此外黄孝河箱涵清淤量为71 992m³,共计224 992m³。底泥在淋溶及浸出条件下,其所含重金属和氮、磷及有机污染物等可能扩散转移,对环境造成二次污染。尤其是底泥中的重金属具有环境持久性^[12],处置不当将造成难以弥补的严重后果。国际上一些发达国家甚至要求在疏浚前对污染底泥进行生态风险评估。

　　 本次清淤排淤场的选择,要保证淤泥不再导致二次污染,因此,首先对底泥成分做了分析。根据湖北省废物地质处置与环境保护重点实验室对黄孝河底泥送样进行分析,底泥成分见表3。

　　 由检测结果可知,黄孝河底泥以有机污染为主,具有明显的层序结构。虽然从总体上其重金属含量未超过《农用污泥中污染物控制标准》(GB 4284—84)的标准,但一般高于土壤背景值。在市区污染严重的河段,底泥的重金属含量高于郊区。据测算,底泥耗氧量和速率与底泥中有机物含量及种类有关。黄孝河底泥表层浮泥中富含有机物,在降解过程中会消耗水体中大量溶解氧,稍加搅动就产生再悬浮,使河水变黑;内层底泥重金属含量较高,物质成分复杂,有明显臭味,有机物污染严重。有机物在厌氧条件下降解,并将降解过程产生的硫醇、硫化氢等有恶臭的气体释放到水体和大气中。本次整治工程疏浚挖除的河道积泥需进行有效处置和利用,避免二次污染。故本次清除的河道积泥不能采用淤临固堤的方式,将排淤场设在堤防迎水坡临堤滩地上,而是需要设置专门的排淤场,将箱涵疏浚淤泥和明渠疏浚的底泥运到堆场囤放。

　　 排淤场地的选择应满足:(1)不影响河道正常清淤工作;(2)降低污泥及污泥上清水对环境造成的影响;(3)结合挖泥船的性能考虑挖泥船的抛泥距离,考虑施工限制条件,满足施工要求;(4)为了降低征地费用,遵循在满足排淤量的条件下少占地的原则。基于以上原则,选择了张公堤外的金银潭村,面积约160亩(1亩≈666.7m²),用来堆放淤泥,计算平均堆放高度为2m。该鱼塘周围300m范围内基本没有居住区,因此对生态环境影响较小。

　　 在本工程中,在明渠以北地区征用了一处鱼塘,并沿鱼塘西侧筑一高2.5m,长约280m的拦泥坝与现有堤埂形成一体,拦泥坝坝体采用编织袋装土围堰筑埂,另外堆场内用编织袋围堰分为2~4格,以便污泥在场内合理调度。淤泥从鱼塘各端进入堆泥场自然干化,其上清液(溢流水)则从东南端自排闸溢出至后湖三期泵站出水口,经三金潭污水处理厂处理后,最终排往府河。这一措施有效避免底泥上清液带来的污染,同时,由于堆泥场南北长约350m,东西长400m,如同一座大沉淀池,泥水基本可以分离,疏浚淤泥浓度一般为20%(体积比),控制上清水含泥浓度不大于1%。污泥干化稳定后,为避免淤泥对周边的影响,覆盖了一层粘土,土源利用明渠拓宽所产生土方,这样即保护了环境,又做到了资源综合利用,不仅有利于保护生态环境,还能够产生一定的经济效益和社会效益。另外,淤泥堆场面积有一定富余,可作日后汉口地区其他渠道、湖泊疏浚后淤泥的堆放场所。堆场应设有专人值班管理,并在周围修建拦护措施,以免人员落入造成人身伤害。

　　 黄孝河明渠自清淤完工后,结合日常的维护管理,明渠恢复了原有的设计排水能力和防洪标准,近年来明渠服务范围内渍水情况大大减少,同时随着明渠沿线的雨污分流改造,水体的黑臭情况也基本得到了缓解。与明渠综合整治配套的三金潭污水处理厂中水回用作为明渠补水换水的工程也在论证研究中,该工程的实施将彻底使黄孝河明渠成为一条具有防洪、排涝、景观多重功能的城市排水通道。