湖庫型飲用水水源地底泥對水質影響的研究進展

申艷冰 王方園 李錦艷 楊倩 葉輝 代曉云 石安 阮奇棟 張偉佳 舒宇峰

（浙江師范大學，浙江金華 321004）

1 引言

湖庫型飲用水水源地的水生態系統有水質、水生生物和底泥三大環境要素，其中底泥承擔著接納外源污染物和向水體中釋放營養鹽的雙重功效［1］，在水生態系統中有著不可或缺的作用。以前人們認為底泥是水體污染的匯，但是隨著學者們的深入研究，發現在水生態系統中，底泥是主要的沉積相和污染源（匯）［2］。

飲用水水源地保護是飲用水安全保障中最重要的一個環節，其水質狀況直接關系到供水區人民群眾的身體健康。我國水資源存在水質差、資源短缺、資源時間空間分布不合理等問題。而這些年由水源地污染引發的飲用水安全事件，給居民的生產生活造成一定程度的影響。黨的十八大以來，黨和國家高度重視生態文明建設，各地都在進行水污染防治攻堅戰，而飲用水水源地保護已成為生態文明建設的重要環節。

本文從飲用水水源地出發，綜述了國內外湖庫型飲用水水源地中底泥的研究進展，對內源污染物及其危害做了闡述，對底泥污染的原因給出了說明，最后對現階段如何修復受污染底泥進行了歸納總結，并對湖庫型飲用水水源地的監測技術、修復技術以及更深一步的研究進行了展望。

2 底泥的危害

內源污染是指底泥中的污染物向外釋放造成水體污染及底泥污染導致的底棲生態系統破壞的現象［3］。通常內源污染物可分為氮磷營養鹽、重金屬和難降解有機物三類。內源污染是我國大多數湖泊、水庫存在的普遍問題。有研究表明，西湖、巢湖、滇池都不同程度地受到內源污染影響，其中滇池的內源污染與底泥中含有大量的氮磷有關［4］。對于保護較好的湖泊、水庫，如深圳水庫和北京官廳水庫等，內源污染也是導致水質季節性惡化的重要因素。

底泥污染難治理原因在于底泥在湖庫水體生態系統中的作用。一方面，底泥可以吸附水體中的污染物，降低水質的污染程度。另一方面，一旦外界條件（水溫、pH、溶解氧、氧化還原電位、水體擾動、污染物形態及理化性質、底泥結構、微生物活動等）發生改變［5］，底泥里的污染物會重新釋放出來，影響上覆水體的水質［6］，尤其是使水體中氮磷等營養鹽濃度增加，加劇水體的富營養化程度和藻類水華爆發的機會。除此之外，底泥可以為水體里的動植物提供生活場所和營養物質，其中的污染物質，比如重金屬，因其具有富集性，在自然界中不易被降解，最終經食物鏈放大后進入人體，直接或間接危害人體健康。

內源污染更直接的危害是造成水源水質的惡化，水源地的水質惡化會直接影響供水安全。如2007 年太湖爆發藍藻危機，導致無錫10 萬人的飲用水安全得不到保障，2005 年松花江發生苯污染事件，政府不得不關閉哈爾濱松花江段取水口，以確保居民的生命安全。

3 國內外湖庫底泥內源污染現狀

3.1 我國湖庫底泥內源污染現狀

3.1.1 底泥氮磷污染現狀

從20 世紀90 年代起，長期的污染開始導致我國湖庫水體富營養化。巢湖、太湖、滇池、鄱陽湖都不同程度地發生了水體富營養化。20 世紀90 年代中期，巢湖富營養化達到近30 年的巔峰；2003 年，滇池爆發藍藻危機，水質惡化，曾一度達到劣五類水水質；2007 年，太湖大面積的藍藻導致無錫市發生飲用水危機。

有不少學者研究發現，底泥和水體富營養化有很大的關系。吳軍偉等［7］探究了溫度、pH、外界物理條件（擾動上覆水）改變時，底泥可以釋放出氮磷營養物質，從而導致水體富營養化。謝忱等［8］、原居林等［1］發現躍進水庫、巖口水庫底泥受總氮總磷污染嚴重。水庫淺水區低濃度的原始上覆水可加速底泥營養物質的釋放，水體的磷含量主要受底泥磷的影響［9］。我國的飲用水水源，如北京的官廳水庫［10］、天津的于橋水庫［11］、保定的飲用水水源地［12］和浙江省紹興市的湯浦水庫［13］都不同程度地受到了氮磷污染。

3.1.2 底泥重金屬污染現狀

重金屬能長期穩定地存在于底泥中，一旦水體被污染，其很難去除。與有機物不同，其無法通過微生物降解，進入水環境的重金屬主要通過吸附、離子交換、沉淀等作用遷移至河床表層底泥中，使底泥沉積物中的重金屬含量遠高于水相。有研究表明，進入河流的污染物，只有1%以下能溶于水中，99%以上會沉積在河流沉積物中［14］。

很多學者對我國的一些湖庫底泥重金屬進行了分析研究，其中三峽庫區［15］、小浪底水庫［16］、玉環湖水庫［17］底泥都出現了較低水平的重金屬富集，并存在潛在的生態風險。而香溪河庫灣［18］底泥重金屬含量從無到有，輕度污染。福建永定灌洋水庫［19］Cd 超標十分嚴重，Cu 和Zn 超標較嚴重。紅楓湖［20］沉積物中重金屬Cu，Pb，Cd，Cr，As，Hg 都存在不同程度的超標。浙江省浦江縣的通濟橋水庫，作為飲用水備用水源地，其表層沉積物出現了嚴重的重金屬蓄積現象［21］。

3.1.3 底泥持久性有機污染物污染現狀

除了營養鹽和重金屬，近幾年來，持久性有機污染物在水體及沉積物中的富集逐漸引起研究者的重視。持久性有機污染物在環境中殘留時間長、難降解，且可以通過食物鏈的富集作用與生物放大作用最終影響人類的健康。研究表明，在華南地區部分地下水中檢出有機氯類污染物；淮河、黃浦江等水體中多氯有機物濃度高于國外相應的濃度，沉積物中多氯有機物濃度與國外部分水體沉積物中的多氯有機物濃度基本相當。除了江河湖海，飲用水水源地沉積物中也檢測出了持久性有機污染物。暴志蕾等［22］對長三角地區飲用水水源地沉積物中有機氯農藥污染進行了研究，采集的沉積物中測定的22 種有機氯農藥都有檢出，滴滴涕（DDTs）、六氯苯、六六六（BHCs）、五氯苯的檢出率為100%。除了有機氯農藥，林莉等［23］發現三峽庫區水體和底泥中存在多環芳烴和鄰苯二甲酸酯類。太湖貢湖飲用水水源地發現了多氯聯苯污染［24］，而太湖典型飲用水水源地中也檢出了多溴聯苯醚［25］。

3.2 國外湖庫底泥內源污染現狀

底泥內源污染已經對人類健康及環境造成了很大的影響。根據美國環保署的統計，全美10%的底泥足以對魚類及食用魚類的人和野生動物構成威脅［26］。此外，由于人為干擾，許多底泥面臨被污染的威脅。根據美國環保署調查，在美國很多工業和經濟較為發達的地區，流域底泥已被氮磷營養鹽和重金屬污染。美國與加拿大交界的五大湖自20 世紀中期開始就出現了嚴重的水體污染，水體富營養化嚴重，重金屬含量超標；近幾年在湖泊底泥中發現了嚴重的汞污染。丹麥的湖泊水體水質污染，其中較大的壓力來自湖泊沉積物中釋放的營養［27］。而在日本九州、印度恒河以及韓國西海岸底泥中都不同程度地監測到了全氟辛烷磺酸化合物［28］。

4 湖庫底泥內源污染來源及成因分析

4.1 外部自然因素

進入庫區底泥的污染物主要來自上游污染物的排放，隨著雨水的沖刷作用，這些污染物隨地表徑流進入庫區。除了雨水沖刷之外，大氣的干濕沉降也是污染物的一個來源。污染物通過干沉降或者濕沉降降至地面或水體，地面的污染物又隨地表徑流進入湖庫，最終沉積在湖庫底泥。通過大氣沉降途徑向湖庫輸入氮磷營養鹽以及Zn，Pb，Cd，Ni 等重金屬元素，對水體富營養化、重金屬元素污染都有較大的影響。

4.2 湖庫內源影響

4.2.1 水體和底泥的營養物交換

由于水庫的蓄水作用，導致水流入庫后水勢變緩，搬運能力下降，庫區底部成為重要的蓄積場所。水流攜帶物及庫區內土壤顆粒和動植物殘體等的混合物，經過一系列復雜的物理、化學及生物作用沉積于庫底形成底泥，內含豐富的營養鹽以及各種污染物。有研究表明，當水體中的氮磷等營養鹽的含量降低時，底泥中的氮磷物質便會釋放出來，以滿足正常的水體功能。

4.2.2 水體分層

水庫中的水體存在著分層現象。由于水體垂向溫度梯度的存在，使垂向水體的密度不同，從而造成水體分層［29］。具體來說，夏季由于太陽輻射強烈，表層水體溫度高，底層水體溫度低，所以表層水體密度相對底層水體密度要小；而冬季，表層水體溫度低于4 ℃，底層水體由于太陽輻射程度弱，水溫基本保持不變，接近4 ℃，這樣一來，底層水體溫度比表層水體溫度高，導致底層水體密度相對于表層水體要小。由于密度差異，表層水體和底層水體會進行水的垂直交換，即所謂的翻庫，這時沉積在底泥的內源污染物會隨著水庫的翻庫而被搬至表層水體，導致水體里營養物質增加，為夏季水體藻類的大量繁殖創造了條件。

5 湖庫內源污染對水質影響機理剖析

湖泊水庫等緩流水體具有以下特征：水體更新周期長；水流速度慢；污染物濃度積累快。這些特征導致污染物極易沉積到湖庫的底部，進而影響湖庫的水質。通常來說，湖泊和水庫的內源污染主要通過以下過程影響水質［4］。

5.1 底泥耗氧，造成水體缺氧

底泥耗氧一般分為化學性耗氧和生物性耗氧?；瘜W性耗氧是指底泥內耗氧化合物，如Fe2＋，Mn2＋，HS－等和有機質等物質發生氧化或降解消耗溶解氧；而生物性耗氧則是指微生物和底棲生物的耗氧。有研究表明，底泥耗氧通常占整個水體耗氧的50%以上，尤其在夏季，底泥耗氧是造成湖庫底部水體缺氧的主要原因。此外，底泥耗氧還能影響營養物質（如氮磷等）和金屬在底泥/水界面的釋放通量，進而影響湖泊水庫的水質。

5.2 底泥污染物釋放

底泥污染物的釋放過程較為復雜，可將其釋放機制大致分為生物釋放、化學釋放和物理釋放［30］。污染物釋放的一個客觀條件是底泥和上覆水體之間的濃度差。其釋放過程有兩個［31］：一個是解析擴散，當底泥中固液相之間的有機物沒有達到平衡時，此時有機物被解吸至毛管水中，隨后進入重力水最終擴散至上覆水體；另一個過程是降解，當固液相中的有機物達到平衡，底泥中的微生物將有機物轉化成溶解狀態，隨后解吸擴散至水體中。底泥污染物釋放（包括碳、氮、磷和金屬元素等物質），造成水體污染物含量增大。底泥釋磷指的是水體進入底泥中的磷和底泥向水體輸出的磷通量之差，包含兩個過程［4］：（1）由底泥進入間隙水；（2）通過擴散、水體擾動及環境因素的作用，由間隙水向上部水體擴散傳輸。底泥釋磷是一個復雜的過程，要受底泥性質、DO/Eh、pH、溫度、有機質及水體擾動的影響。底泥釋氮的機理更加復雜，主要是測定底泥氨氮、硝態氮以及有機氮從底泥間隙水進入上覆水的釋放速率。影響底泥釋氮的因素包括溶解氧、底泥性質、溫度、鹽度和pH 等。

6 湖庫污染的控制與修復技術

受污染的湖泊水庫的修復是一項大工程。湖泊水庫不僅在整個生態系統中發揮著重要的調節和屏障作用，也積蓄著大量的淡水資源，是人類使用水資源的主要來源之一。湖泊水庫的環境質量直接關系到人類的生存與發展，因此，對受污染的湖泊水庫進行修復是重要又緊迫的。

6.1 源頭控制

湖庫型飲用水水源地底泥的來源分為外源性和內源性。內源污染指的是湖庫在淹庫前未清理干凈的面源污染以及湖庫的本底污染。從外源上切斷污染物，進行源頭控制，能最大程度地減少污染物，可以給湖泊水庫營造一個好的生態環境。由于湖庫的上游范圍內主要分布著農業生產區、居民區以及工廠企業，所以外源污染主要是生活點源污染、農業面源污染以及工業污染。點源污染主要是居民生活污染，比如未經處理直接排放至周邊溪流湖庫的生活污水以及生活垃圾。面源污染主要來源于施用的化肥農藥以及零星的畜禽養殖散戶?；兽r藥無法完全被植物吸收，隨地表徑流進入湖庫；畜禽飼料以及排放的糞便隨地表徑流進入湖庫。從源頭控制，就要排查上游所有的排污口和可能造成污染的工廠企業，控制化肥農藥等面源污染，對生活污染以及畜禽養殖業、餐飲旅游業進行相應的控制，提出整改措施，以確保從源頭上控制污染物的進入。

6.2 物理修復

目前常見的物理修復技術有電動力學修復、原位覆蓋技術以及底泥疏浚技術。

電動力學修復受污染底泥有很好的發展前景，其原理是在受污染底泥中加入電場，帶電荷的重金屬離子在電場作用下發生定向移動，并在電極附近累積，定期處理電極附近的淤泥，從而降低底泥重金屬污染物。但此方法同時受到pH 值、Zeta 電位、極化問題、化學性質等因素的影響。

原位覆蓋技術又稱封閉、掩蔽或帽封技術，其原理是尋求好的底泥覆蓋物，將底泥中的污染物與上覆水分隔，減少底泥中污染物向水體的釋放能力。覆蓋技術具有下述3 個方面功能［32］：（1）物理阻隔，阻斷了污染物和上層水體之間交換的通道；（2）覆蓋物使受污染底泥穩固，防止其再懸浮或遷移；（3）覆蓋物中含有機顆粒，對污染物有一定的吸附作用。常用的底泥覆蓋材料有清潔的沙子、鈣質膨潤土以及粉煤灰。世界上首例原位覆蓋工程是美國于1978 年實施的，隨后日本、挪威以及加拿大等國相繼實施了這一技術。1984 年在華盛頓西雅圖Duwamish 航道實施了沙子覆蓋工程控制重金屬及PCBs 的污染；1988年在華盛頓塔科馬St. Paul 航道實施了原位覆蓋工程，采用取自Puyallup 河粗糙的沙礫覆蓋近海岸的底泥［32］。我國首例原位覆蓋技術要追溯到1999 年巢湖市環城河河道底泥環保疏浚。

底泥疏浚是最常用的一種修復受污染底泥的異位處理技術，具有以下優點：（1）可以短期內清除內污染源，使水質質量變好；（2）促進水生及河岸帶生態系統恢復；（3）增加水深和蓄水量，提高水環境承載能力，增強污染物的擴散與水體自凈能力；（4）保障疏挖區的景觀環境。當底泥中污染物的濃度高出本底值3～5 倍時，通常認為其對人類及水生生態系統存在潛在危害，可考慮進行疏挖［3］。日本、匈牙利、美國、瑞典、荷蘭等國家均有局部或大規模的對水庫、湖泊、河道等進行底泥疏竣的先例，并取得了不錯的成果［33］。在我國這項技術也得到大力發展，底泥疏竣技術在我國的北京市官廳水庫、深圳市長流陂水庫等都有應用。我國太湖、天津海河和蘇州河等地也都依次開展了不同程度的疏浚工程。

6.3 化學修復

化學原位修復技術是投加化學藥劑，使污染物和化學藥劑發生一系列物理、化學、物化反應（如氧化、還原、沉淀、水解、絡合、聚合等），從而使污染物從底泥中分離或者轉化成低毒或無毒形態的物質。目前常用的化學藥劑有鋁鹽、鐵鹽、生石灰、Ca（NO3）2、CaO2、H2O2和KMnO4等。日本的琵琶湖、瑞典的Lillesjon 湖采用原地化學處理技術處理后，底泥釋放磷的速率大大下降［34］；Mamindy－Pajany Y 等［35］在多種修復試驗中證實了鐵系物、鋁系物等對于污染底泥中重金屬都有較高的固定效率，不僅能降低底泥重金屬的浸出率，還能降低底泥重金屬離子的毒性。

6.4 生物修復

生物修復技術是利用微生物的代謝作用降解污染物，包括植物修復、動物修復、微生物修復以及聯合修復。

6.4.1 植物修復

植物修復在底泥重金屬的修復中應用廣泛，如蜈蚣草對砷有超富集作用。近年來，學者們陸續發現了很多種對單一重金屬或者多種重金屬有特定富集作用的植物。臧曉梅等［36］發現冬麥草對底泥中Cr，As 的去除效果最好。華常春等［37］發現水葫蘆能從污泥中除去鉻、鉛、汞、銀、鈷、鍶，效果良好。Sivaci A等［38］利用沉水植物狐尾藻對受Cu，Zn 污染的底泥進行修復，證明狐尾藻能有效去除Cu，Zn 離子，去除率分別達到74%和81%。

6.4.2 動物修復

動物修復是用一些原生動物來修復底泥的污染物。鄧錦松等［39］在蝦池引入適宜密度的雙齒圍沙蠶，發現雙齒圍沙蠶能有效降低蝦池底質中氮磷和硫化物的積累速率，對蝦池底質具有較好的改良（修復）作用。叢瑋瑋等［40］發現蚯蚓糞能有效改變底泥的理化性質，使其能更好地適合植物生長。近年來，越來越多的研究表明，底棲生物對受損水體有修復作用，常用于受損水體的生態修復。底棲生物是水生生態系統中重要的組成部分，在水生生態系統中占有十分重要的地位。寡毛綱底棲生物顫蚓［41］對底泥重金屬Cu，Cd 的遷移轉化有一定的影響，褶牡蠣和菲律賓蛤等幾種底棲生物的放流，有利于長江河口區的生態修復［42］。底棲生物的研究，是未來水體生態修復的突破口。

6.4.3 微生物修復

微生物修復技術是利用天然的或經過馴化的微生物，通過氧化、還原等作用去除底泥中的有機污染物，達到凈化沉積物、削減內源污染的目的。

加拿大的漢密爾頓港、美國馬薩諸塞州的Salen河等通過向水體中投放微生物，利用其代謝作用降低污染物的毒性［32］。劉兵兵［43］在研究中提到底泥中檢測到的功能菌具有能夠促進氮、磷削減的代謝機制，且在水質凈化過程中的作用要比水體微生物還要強。

7 底泥資源化技術

被污染的底泥最常見的處理方式就是底泥疏浚。疏浚底泥的常規處理方式有堆放、吹填和海洋拋泥等［6］，但是這些方式各有利弊。比如，單純堆放不僅侵占大量土地資源，還會由于雨水的沖刷造成二次污染。吹填所用土地地基非常軟弱，地基處理費昂貴，且容易出現泥水向圍堰外部擴散，引發二次污染。海洋拋泥則會影響漁業，對海洋生態系統造成嚴重的破壞。所以現在提倡合理利用底泥，將其資源化，不僅能在一定程度上保護環境，還能產生一定的經濟效益。例如用底泥制氫，在有效利用資源的同時，還能緩解能源壓力。還可以用底泥制備建筑材料，用于生產陶粒、磚和生態水泥。還有將含氮磷等營養鹽的底泥用作農田土地改良，改良土壤的特性，從而增加土壤的肥力，促進植物生長。還可以將底泥作為填方材料用于湖濱帶生態建設的基底重建與修復工程。任乃林等［44］用疏竣底泥中含有的大量腐殖質對金屬離子的吸附交換和絡合作用的特點，處理了含鉻廢水，效果良好。

8 結論與展望

8.1 結論

綜上所述，水源地飲用水水源承擔著廣大人民群眾的飲水安全，應該加強水源地的水質保護，對水質進行長期監測，對其可能存在的潛在風險進行定期評估，給水源管理提供建設性意見，

8.2 展望

（1）國內外部分湖庫型飲用水水源地的底泥存在氮磷等營養物質過剩、水體富營養化現象嚴重、重金屬和持久性有機污染物存在潛在風險等問題，需要長期監測，制定相應的應急方案。

（2）湖庫型底泥污染物的遷移轉化機理需要進一步研究。

（3）受污染底泥的修復方法有待進一步研究，目前采用最多的還是疏挖方式，但同時要注意避免引發二次污染和破壞底泥生態環境。而在原位修復技術中生物修復具有費用低、管理簡單、環境友好、有效時間長等優點，應用廣泛。未來根據發展的需要，以生物修復技術為基礎，大力發展底泥生態修復具有很好的前景，可以實現底泥自我凈化，減少人為干預。同時要控制外源污染物進入水體，必要時可采用一些措施，比如污水截流、加強對農業用地的管理、加強水庫周邊的水土保持等。

（4）疏浚底泥的利用有很大的發展空間，開發出新的疏浚底泥的處理技術，最大限度地節約與利用資源。

（5）構建水質的區域聯網，數據實時上傳，在線更新，打造環境監測網絡體系，省時省力又方便管理。