河道生態疏浚深度優化研究

黃宏+王芳+霍飄逸+吳若楨+張旭暢+陳奕瑋+商栩

摘 要：生態疏浚是治理污染河流和湖泊內源污染的有效手段。疏浚深度則是生態疏浚的重要參數，但是目前尚無確定生態疏浚深度的成熟技術和規范。本文以溫瑞塘河舜岙河段為研究區域，通過室內實驗開展生態調水背景下生態疏浚深度優化研究。結果發現，該河段TN和TP的環境本底值分別為5.13±0.96 mg L-1和0.15±0.01 mg L-1，研究河段最佳的生態疏浚深度約為5cm。在將表層泥層疏浚的基礎上，結合生態調水和外援污染控制，才能實現水質的根本性改善。

關鍵詞：生態疏浚；深度；優化；調水；溫瑞塘河

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）10-0007-02

底泥是陸源性水體污染物的主要蓄積場所，是河流湖泊等水體的內源污染，是影響河流水質的重要二次污染源[1]。隨著外源污染逐步得到有效控制，內源污染已成為影響上覆水體水質的重要因素[1-2]。有效控制底泥內源污染將是未來河流湖泊污染治理的主要戰場之一[3-4]。目前，國內外河流湖泊內源污染治理手段主要包括工程疏浚、生態疏浚、原位固化等[5-7]。

生態疏浚，又被稱為“環保疏浚”，已被公認為是控制河流湖泊內源污染的有效手段[8-12]。與傳統的工程疏浚不同，生態疏浚主要通過絞吸等低影響方式將污染程度和風險較高的表層沉積物移除，要求在控制河流湖泊內源污染的同時，盡可能減少對河流湖泊生態系統的破壞。因此，疏浚深度的確定是生態疏浚的關鍵參數[13]。疏浚深度過淺，則不能充分去除污染物含量大和生態風險高的表層沉積物，不能有效控制內源污染；疏浚深度過深，則增加工程造價和淤泥處置壓力，對水生態系統造成更大的破壞，影響后期的生態恢復。普遍認為，應該通過分析疏浚所要控制的目標污染物隨底泥深度的剖面變化特征和環境風險，結合不同疏浚層的污染物可能釋放強度來確定環保疏浚深度[14]。

浙江是我國典型平原河網地區，河流流速緩慢、容易淤積，由于工業發達和高城市化率，內源污染極其嚴重。為此，浙江省2016年“五水共治”的工作重點之一，就是全面打響清淤治污殲滅戰，以杭嘉湖、寧紹、溫黃、溫瑞平原河網清淤為重點，清淤計劃達10100萬立方米。但是，現有清淤模式注重于清淤的“量”，對疏浚產生的大量淤泥仍無有效的無害化處置和資源化利用途徑，對疏浚導致的生態風險考慮不足。此外，現有模擬疏浚研究主要針對湖泊，關于河流生態疏浚深度的研究仍然比較少，對生態調水背景下疏浚后水土界面污染物釋放過程的了解仍然很少。為此，本研究以溫瑞塘河為研究區域開展生態調水背景下生態疏浚深度優化研究，為“五水共治”提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集和處理

研究區域位于溫瑞塘河流域舜岙河。該河段位于南柳美食街附近，除了受農村生活污水影響，還受餐飲廢水影響。由于近年來尚未疏浚，淤積程度較高，是一個理想的研究區域。于2016年9月13日，采用自制的底泥柱狀樣采集器（內徑5cm）采集柱狀樣。由于淤積程度較高，無法分為污染層、污染過渡上層、污染過渡下層和正常泥層。因此，用等距離方法，以5cm為距離，從表層到底層割取0-5cm、5-10cm、10-15cm和15-20cm共4個泥層。

1.2 原水培養實驗設計

分別將各泥層轉入量筒（內徑5cm、容積為500mL），制成實驗裝置，每個裝置設置2個平行。沿量筒壁緩慢注入河道原水達到500mL刻度。中途不換水，實驗周期與實驗組相同，實驗周期結束后測定對照組最終的相關水質參數。

1.3 模擬換水培養實驗設計

分別將各泥層轉入量筒（內徑5cm、容積為500mL），制成實驗裝置，每個裝置設置2個平行。沿量筒壁緩慢注入自來水達到500mL刻度。因溫瑞塘河流域生態調水水源來自珊溪水源地（為自來水），本研究以自來水模擬生態調水水源。每隔3天換水一次，總共換水5次。每次移出的舊水用于測定相關水質參數，觀測每次換水時每個土層上覆水污染物濃度。

1.4 水質測定

在采集底泥柱狀樣時進行地表水水質監測。水樣用聚乙烯瓶收集，滴加固定液后放入便攜式冷藏箱保存，帶回實驗室后分析。水樣總氮（TN）和總磷（TP）的分析方法分別為堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和鉬酸銨分光光度法。

2 結果

2.1 原水培養實驗結果

在采集柱狀樣時，采樣點上覆水TN和TP濃度分別是6.69mg L-1和0.46mg L-1。按照《地表水環境質量標準（BG 3838-2002）》，該河段原水TP濃度為劣V類水質。由于《地表水環境質量標準（BG 3838-2002）》并未給河流TN濃度分級分類，因而無法評價。經過16天的室內原水培養后，各泥層上覆水TN和TP濃度詳見表1。由表1可見，不同泥層TN和TP濃度范圍分別為4.46-6.50mg L-1和0.13-0.15mg L-1，平均值±標準差分別為5.13±0.96mg L-1和0.15±0.01mg L-1，變異系數分別為18.7%和6.9%。由于變異系數都很小，說明原水培養后各泥層上覆水TN和TP的濃度的差異非常小。以平均值跟原水相比，TN和TP濃度下降率分別為23.3%和67.4%，各泥層TP濃度符合III類水質。

2.2 換水培養實驗結果

通過換水培養實驗，模擬生態調水對水質的改善作用。經檢測，自來水水TN和TP濃度分別是1.09mg L-1和0.10 mg L-1。按照《地表水環境質量標準（BG 3838-2002）》，自來水TP濃度均符合II類水質。在模擬換水培養實驗中，先后經歷了5次換水。不同泥層上覆水模擬換水培養上覆水TN和TP濃度的動態變化見圖1。由圖1可見，不同泥層上覆水TN的濃度都具有隨著換水次數的增加降低的趨勢，在第3次換水以后TN濃度都穩定在2.00mg L-1以下，在第5次換水以后TN濃度都穩定在1.50mg L-1以下。不同泥層上覆水TP的濃度也都具有隨著換水次數的增加降低的趨勢，在第5次換水以后，除了0-5cm泥層，其余泥層TP濃度都在0.10 mg L-1以下，符合II類水質（圖1）。

3 討論

3.1 環境本底值及其意義

在天然河道中，水體污染物的濃度受內源和外源污染的影響，也受土水界面污染物吸附/解吸附的影響[3]。在室內原水培養實驗中，因切斷了外源污染，水體污染物的濃度則主要取決于內源污染和土水界面污染物的吸附/解吸附。從這個角度考慮，室內原水培養后的最終污染程度，在很大程度上體現了該河段水體的背景污染水平。受此啟發，我們發現TN和TP的最終濃度可以代表該河段“環境本底值”。以各泥層上覆水TN和TP濃度平均值為準，該河段TN和TP的環境本底值分別為5.13±0.96mg L-1和0.15±0.01mg L-1，TP的環境本底值符合III類水質（表1）。

明確河段水體污染物環境本底值具有重要的實際意義。當前，隨著“五水共治”的不斷推進，溫瑞塘河流域加大了環境污染整治力度，但是由于城中村和農村截污納管工作的推進困難重重，導致外源污染難以徹底控制，加之環境本底值本身并不低，導致水環境質量仍然難以實現根本性改善。這也是溫瑞塘河流域大部分水質監測斷面仍然屬于劣V類水質的重要原因之一。為此，我們建議，對于流域水質的改善程度，在短期內不應該以“消除劣V類”為考核指標，而更應該在明確環境本底值的基礎上，以“接近環境本底值的程度”為考核指標。

3.2 生態疏浚深度的優化

室內原水培養實驗結果表明，在切斷外援污染的前提下，如果不進行生態調水，各泥層TN和TP的最終濃度仍然處于較高水平。實際上，外源污染的徹底截斷是不現實的，因而時至今日溫瑞塘河流域大部分水質監測斷面仍未劣V類水質，而超標的水質參數恰恰就是TP為主。可見，許多流域，特別是平原河網，不僅需要生態調水，還需要生態疏浚。

在換水培養實驗中，我們用自來水模擬生態調水水源，觀測各個泥層上覆水水質的動態變化。因切斷了外源污染，水體污染物的濃度則主要取決于換水次數和土水界面污染物的吸附/解吸附。對于不同泥層，雖然上覆水TN濃度的動態變化曲線比較接近，但是也比較清晰地顯示出泥層深度越深上覆水TN濃度越低（圖1）。TP濃度的動態變化清晰地顯示，0-5cm泥層的上覆水TP濃度明顯高于其余泥層。以往很多類似研究也表明，表層泥層是生態疏浚的首要目標（圖1）。一旦將表層泥層疏浚，結合生態調水和外援污染控制，才能真正實現水質的根本性改善[15]。綜上所述，對于溫瑞塘河流域的該研究河段，最佳的生態疏浚深度約為5cm。

4 結語

以溫瑞塘河舜岙河段為研究區域，通過室內原水培養實驗和模擬換水實驗，首次開展生態調水背景下生態疏浚深度優化研究。通過原水培養實驗，發現該河段TN和TP的環境本底值分別為5.13±0.96mg L-1和0.15±0.01mg L-1。流域水質的改善程度，應該在明確環境本底值的基礎上，以“接近環境本底值的程度”為考核指標。對于溫瑞塘河流域的該研究河段，最佳的生態疏浚深度約為5cm。要真正實現水質的根本性改善，不僅要進行生態疏浚，還要結合生態調水和外援污染控制，任重道遠。

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