反鏟式河道疏浚對水質(zhì)影響的中試試驗研究

鄧 群，孫遠(yuǎn)軍，吳 逸

(1. 上海市堤防(泵閘)設(shè)施管理處，上海 200080； 2.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233；3. 河海大學(xué)設(shè)計研究院有限公司上海分公司，上海 200080)

疏浚是用人力或機械進(jìn)行水下土石方開挖以疏通、擴寬或挖深河湖等水域的工程，一方面用來滿足通航防洪的水利需求，同時也可以減少水環(huán)境污染，改善濱水空間，創(chuàng)造人文居住的多元共生環(huán)境[1- 3]。在對河道進(jìn)行疏浚時，機械式挖泥船一般采用絞吸式、抓斗式、鏈斗式、鏟斗式、氣動泵等方式從水下挖取和提升土料，結(jié)合河道情況、底泥性質(zhì)和其它相關(guān)要求選擇合適的施工工藝[4- 6]。在疏浚實施的過程中，機械擾動會導(dǎo)致底泥和污染物懸浮，并在水流的作用下無序擴散，從而影響周邊水域的水環(huán)境質(zhì)量[5- 8]。

“蘇州河(真北路—蕰藻浜)底泥疏浚工程”是四期綜合整治工程的子項目之一，其工程范圍在真北路橋至蘊藻浜斷面之間，涉及長寧、普陀、閔行、青浦和嘉定5個轄區(qū)，疏浚長度為22.15km，底泥的疏浚量為174.1萬m3。工程擬采用液壓反鏟式工藝進(jìn)行疏浚，鏟斗式挖泥船具有受運距影響小、靈活機動的優(yōu)點，并且挖掘硬質(zhì)土能力強，但是開放式鏟斗將底泥帶出水面的過程，擾動和散落底泥會影響河水的水質(zhì)[9- 11]。因此，在底泥疏浚的中試試驗中，研究液壓反鏟式疏浚對周邊區(qū)域水質(zhì)的影響規(guī)律，為疏浚工程的實施提供技術(shù)支撐[11- 14]。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1試驗場地

選取疏浚中試位于中游河段靠近祁連山南路橋的點位，疏浚船靠近北岸作業(yè)，對河道水質(zhì)進(jìn)行采樣監(jiān)測的點位也布置在同一岸側(cè)。共設(shè)置6個監(jiān)測斷面，2個斷面位于疏浚施工區(qū)的上游50m和100m處，其余斷面分別位于施工區(qū)下游50、100、250、500m處，具體位置如圖1所示。

圖1 反鏟式疏浚中試試驗河道水質(zhì)監(jiān)測點位現(xiàn)場布置

1.1.2河道水質(zhì)背景值

在中試試驗開始前，先對該區(qū)域河道進(jìn)行水質(zhì)采樣，檢測河道水質(zhì)的背景值[15]，結(jié)果如下表所示，除了總氮外，表1中各指標(biāo)均能滿足地表水Ⅴ類水的要求。

1.1.3儀器設(shè)備

原子熒光分光光度計AFS9700、原子熒光分光光度計AFS9700、電感耦合等離子發(fā)射光譜、UV- 1700紫外可見分光光度計、高溫箱式電阻爐、LC212型鼓風(fēng)干燥箱、YXQ- LS- 50A型立式壓力蒸汽滅菌器、Orion model 250A酸堿度/電化電位計等。

1.2 試驗方法

1.2.1水質(zhì)采樣方法

在中試試驗的河段設(shè)置6個水質(zhì)監(jiān)測斷面，斷面布置情況如圖2所示。反鏟式挖泥船啟動作業(yè)半個小時后，在各個監(jiān)測斷面進(jìn)行第一批次的水質(zhì)采樣，之后分別在疏浚結(jié)束后的1、2、3h進(jìn)行另外3個批次的水質(zhì)采樣。

表1 試驗河段水質(zhì)背景值

圖2 水環(huán)境監(jiān)測斷面布置示意圖(單位：m)

1.2.2水質(zhì)檢測分析方法

濁度采用分光光度法 GB 13200—91進(jìn)行檢測，其余水質(zhì)指標(biāo)均按照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中指定的方法進(jìn)行。

2 試驗結(jié)果

2.1 反鏟式疏浚影響河道水質(zhì)的空間范圍

反鏟式挖泥船啟動作業(yè)后，對6個監(jiān)測斷面進(jìn)行同步采樣，并對溶解氧、濁度、氨氮、總氮、總磷、生化需氧量、化學(xué)需氧量和總鋅8個指標(biāo)進(jìn)行了檢測，結(jié)果如圖3所示。下游斷面溶解氧所受的影響高于上游，其中下游50m處斷面溶解氧含量最低，減少了0.20mg/L，降幅為2.9%。6個斷面的濁度的增幅均在2.8%以上，其中下游50m處斷面濁度所受影響最大，增幅達(dá)21.8%，可見反鏟式疏浚會造成河道附近水域濁度的升高。

在疏浚作業(yè)過程中，各斷面氨氮和總氮含量均有所增加，兩者增幅分別在2.1%和7.3%以上，其中下游50m斷面處增幅最大，分別達(dá)6.4%和11.8%。底泥中的氮有氨氮、硝態(tài)氮、有機氮等多種形式，在還原性條件下氨氮的占比較大[8，9]，疏浚作業(yè)過程中氨氮和總氮的平均比值為31.8%，低于初始比值33.8%，由此可以推斷疏浚會造成河水中氨氮以外形式氮的增加。在疏浚進(jìn)行的過程中，除上游100m斷面外，其余5個斷面總磷含量均有所增加，增幅在5.0%以上，其中疏浚點下游100m和下游150m處的增幅高達(dá)15.0%。

疏浚對河水生化需氧量和化學(xué)需氧量的影響范圍相對較小，集中在下游50m至250m的區(qū)域，兩種需氧量在下游50m斷面處增幅最大，分別達(dá)到40%和13.3%。生化需氧量和化學(xué)需氧量的平均比值為7.5%，高于初始比值6.7%，由此可推斷疏浚操作會引起河水中可生化有機物含量的增加。疏浚對河水重金屬鋅的影響范圍主要集中在下游4個斷面，總鋅在下游50m處斷面的增幅最大，達(dá)37.5%。

2.2 反鏟式疏浚影響河道水質(zhì)的時間范圍

疏浚操作結(jié)束后1、2、3h，又分別進(jìn)行了3個批次的水質(zhì)監(jiān)測，結(jié)果如圖4所示。在疏浚結(jié)束后1h時，各斷面DO含量進(jìn)一步下降，溶氧濃度最大降幅達(dá)14.7%，結(jié)束2h時DO的含量開始回升，基本上升至背景值差不多的水平，最后兩輪溶解氧的含量相差不大。疏浚一旦結(jié)束，附近區(qū)域水體的濁度就開始下降，1h后疏浚區(qū)下游仍有斷面濁度增幅超過20%，2h后斷面濁度增幅均低于20%。因此，可以認(rèn)為反鏟式疏浚對濁度的影響基本在停止作業(yè)2h后結(jié)束。

圖3 疏浚作業(yè)過程中各監(jiān)測斷面污染物的檢測結(jié)果

圖4 疏浚不同階段各監(jiān)測斷面污染物的檢測結(jié)果

疏浚結(jié)束1h后，各斷面氨氮的含量繼續(xù)上升， 2h后開始回落，下游3個斷面氨氮含量降至背景值上下，結(jié)束3h后所有斷面的氨氮含量均恢復(fù)至初始水平。疏浚操作結(jié)束1h后，水體總氮含量開始回落，但仍高于背景值，2h后總氮含量繼續(xù)回落至背景值左右。

疏浚結(jié)束1h后，下游所有斷面的化學(xué)需氧量繼續(xù)升高，增幅最大為4.0mg/L， 2h和3h后含量降低至背景值水平。疏浚結(jié)束1h后，下游3個斷面的生化需氧量繼續(xù)升高，增幅最大為0.6mg/L，2h后絕大多數(shù)斷面含量開始回落，3h后進(jìn)一步回落，但仍高于背景值。

疏浚結(jié)束1h后，部分?jǐn)嗝娴腡P繼續(xù)升高，增幅最大為0.04mg/L，結(jié)束2h后各斷面含量繼續(xù)升高，增幅最大為0.09mg/L，結(jié)束3h后開始回落，但仍高于背景值。疏浚操作一旦結(jié)束，所有斷面總鋅的含量開始持續(xù)降低， 3h后總鋅含量降低至背景值水平。

2.3 反鏟式疏浚對河道水質(zhì)類別的影響

中試試驗對6個監(jiān)測斷面開展了多輪水質(zhì)監(jiān)測，參照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對Ⅴ水體所考核的指標(biāo)要求，判斷疏浚對蘇州河臨近水域水質(zhì)類別的影響程度。

疏浚過程對蘇州河的水溫和pH值無明顯影響，雖然底泥中存在部分還原性物質(zhì)，這些物質(zhì)在疏浚過程會有所釋放，但是對蘇州河水體的溶解氧影響不大，中試過程中監(jiān)測的所有溶解氧含量均在5.80mg/L以上。總氮的最大值為4.58mg/L，和初始值一樣都超過了Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，重金屬鋅、銅、汞、六價鉻、石油類、氟化物等其余20種指標(biāo)的最大值均能滿足地表水Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

開展反鏟式底泥疏浚的中試試驗，研究疏浚過程對周邊河道水質(zhì)的影響，從試驗結(jié)果中可以得出如下結(jié)論。

(1) 在疏浚進(jìn)行的過程中，濁度、氨氮和總氮所受影響的范圍最廣，其中下游受影響程度高于上游，溶解氧、總磷和總鋅受到影響的范圍略小，化學(xué)需氧量和生化需氧量受影響的范圍最小。

(2)生化需氧量、總鋅、濁度受影響的程度較高，總氮、總磷、化學(xué)需氧量受影響的程度次之，氨氮受影響的程度再次之，溶解氧受影響的程度最小。

(3)反鏟式疏浚對濁度、總氮和總鋅影響持續(xù)的時間最短，疏浚操作一旦結(jié)束影響就開始減小，溶解氧、氨氮、化學(xué)需氧量的影響時間較長，在疏浚完成1h后還會進(jìn)一步惡化，生化需氧量和總磷的影響時間最長，直到結(jié)束3h后影響才開始減弱。

(4)反鏟式疏浚會對周邊區(qū)域河道水質(zhì)帶來一定影響，但是并不會改變水體的水質(zhì)類別。