黑臭水體底泥調查分析及達標清淤量研究

路文典 龔 浩 徐 超

(中電建生態環境集團有限公司，廣東 深圳 518101)

底泥是黑臭水體的內源污染源，當上覆水體中營養鹽濃度高于底泥中營養鹽濃度時，底泥就會擔當“匯”的角色，吸納上覆水體中的的污染物。反之，當水體中營養鹽濃度低于底泥中營養鹽濃度時，底泥就會擔當“源”的角色，持續向水體釋放污染物，造成水質惡化。同時，有機質通過吸附、絡合沉積物中的重金屬，改變和影響這些污染物的生態毒性及環境遷移行為，加劇河流污染程度[1]。對于黑臭水體，為了保證水質達標，對底泥進行達標清淤(是以吸附解吸實驗結果得到上覆水為地表水質Ⅴ類水標準時平衡濃度對應的底泥清淤深度)勢在必行。

清淤深度過小，不能去除污染較重的污染層，達不到清淤的目的；清淤深度過大，則可能對河道底部生態系統造成難以恢復的破壞，對水生態系統的生存發展構成威脅，并會削弱河道底泥對外源性污染物輸入后的緩沖作用，對后期的水體生態修復造成困難，且清淤深度的增加直接大幅增加了清淤成本。因此，確定合理的達標清淤深度及清淤量意義重大。本文以茅洲河流域(寶安片區)為例，介紹黑臭水體底泥調查勘測、分析及達標清淤量確定思路，為類似工程提供借鑒。

1 茅洲河流域底泥清淤背景及范圍

茅洲河是深圳第一大河，流經深圳的寶安區、光明區及東莞市的長安鎮，出口匯入伶仃洋，總流域面積344.23km2，干流全長30.69km，其中寶安區境內干流河長19.71km，流域面積157km2，共有干、支流19條，河道總長度96.56km。茅洲河干流上游堤距寬約60m，中下游逐漸變寬，至入海口堤距由200m逐漸放寬至330m。20世紀90年代，茅洲河流域內工業化、城鎮化迅猛發展，工業、生活、第三產業污染急劇增加，而流域內污水處理及配套排水設施建設嚴重滯后，大量污染物直排進入茅洲河干支流，茅洲河全線成了“墨汁河”“臭河”，成為珠三角地區污染最嚴重的河流。而底泥污染是致其黑臭的關鍵因素之一，需要對污染底泥進行清除。

茅洲河寶安段污染底泥清淤范圍包括17條干支流及4個排澇工程，17條河道分別為茅洲河、沙井河、羅田水、老虎坑水、龜嶺東水、塘下涌、沙浦西排洪渠、松崗河(含樓崗河)、東方七支渠、潭頭渠、潭頭河、新橋河、萬豐河、石巖渠、道生圍涌、共和涌和衙邊涌；4個排澇工程分別為橋頭片區排澇工程、沙浦北片區排澇工程、燕羅片區排澇工程、衙邊涌片區內澇整治工程。清淤主要工程量集中在茅洲河干流及其支流沙井河流域，約占總清淤量的89%，底泥清淤研究以此為重點。

2 底泥勘測評價分析路徑

2.1 技術路線

通過勘查取樣，對污染底泥進行物理、化學指標分析，查明底泥土層性質、污染狀況，為確定底泥達標清淤范圍、深度以及清淤量提供依據。污染分析技術路線見圖1。

圖1 污染分析技術路線

2.2 勘察路徑

因工程區域涉及的空間跨度較大，平面定位采用手持GPS進行，垂直定位是在岸邊設立高程控制點，采用水面高程傳遞法用全站儀測量控制。

勘測點位布設按照100～200m左右設置觀測斷面，300～400m左右設置勘測斷面，300～500m左右間隔設置控制斷面。河寬小于200m的斷面設置1～2個采樣點，河寬大于200m的斷面設置2～3個采樣點，局部地形變化較大處、入海口處或水污染較重水域酌情加密布設勘探點位。

采用工程鉆機鉆取柱狀樣，柱狀樣采集打開后，按20～50cm不等的間隔，人工采集不同深度的底泥樣品。根據污染程度對底泥進行分層。

a.污染層：污染最為嚴重的一層。顏色為黑色至深黑色，呈稀漿狀或流塑狀，有臭味。該層為近年來人類活動的產物。

b.污染過渡層：健康泥層到污染底泥層的漸變層，顏色多為灰黑色，軟塑-塑狀，較污染層密實。

c.健康層：未被污染的底泥層。其顏色保持未被污染的當地土質正常顏色，一般無異味，質地較密實。

2.3 達標清淤深度確定路徑

底泥達標清淤深度是污染底泥工程量計算的關鍵，也是清淤設計的難點問題。一是要用科學的方法評價不同污染類型的底泥，二是要合理地根據底泥垂向變化分析確定其污染變化的拐點。

根據底泥分層樣品測定的污染物含量數據，進行底泥中物理指標、營養鹽、重金屬的污染程度分析，進行水平及垂向變化分析。根據泥水界面營養鹽釋放理論確定的底泥達標清淤標準，結合污染底泥釋放風險對氮磷營養鹽污染程度進行評價，利用重金屬潛在生態風險指數對重金屬污染程度進行評價，結合有毒有機物生態效應評價，對不同類型污染底泥的污染程度進行綜合評價，分析確定不同類型底泥的達標清淤深度。

3 底泥污染現狀調查檢測

3.1 干流黑臭底泥厚度及分層調查

為初步判定茅洲河干流黑臭底泥的厚度，在干流上布置了五個典型斷面，每個斷面布置左中右3個典型鉆孔，每孔鉆深2～3m。根據取芯土樣，黑臭底泥與污染較輕的土樣之間有較為明顯的顏色分界線，黑臭底泥的厚度在0.4～1.8m之間，普遍在1m左右。在普查的5個斷面中，有3個斷面是中間薄、兩邊厚，有2個斷面是中間厚、兩邊薄，見圖2。

圖2 干流典型斷面底泥厚度分布

底泥多為浮泥—淤泥，呈流塑狀，顏色為黑色，腐臭味較重。

3.2 底泥污染指標檢測

3.2.1 檢測點分布

為了檢測現狀底泥污染狀況，在干支流布置了46個檢測斷面，根據河面寬度每個斷面取1～4個檢測點，共布設86個點位，取樣深度0～3m，詳見圖3。分別在每個檢測點的0.5m、1.0m、1.5m取樣進行檢測，個別點位在2.0m、2.5m取樣進行檢測。為便于分析，檢測點布設共分為3個區，其中茅洲河干流以支流沙井河為界分為兩個區，上游為A區，下游為C區，支流沙井河為B區。

根據底泥淤積厚度和現場可辨的污染情況，將底泥按照污染情況分為污染層、污染過渡層、過渡層、健康層等層級進行分析。

3.2.2 檢測項目及指標

底泥檢測項目及指標見表1。

圖3 底泥勘測點位布設圖

4 底泥污染評價分析

根據取樣檢測數據，茅洲河流域底泥污染物主要為營養鹽、重金屬和有機物污染。因此，本文采用3種不同類型的污染物評價方法對底泥污染程度進行評價。

4.1 營養鹽污染評價分析

采用底泥沉積物單因子污染指數法對底泥營養鹽污染進行評價[2]：

Si=Ci/Cs

(1)

式中：Si為底泥污染因子i的單項污染指數；Ci為底泥污染評價因子i的實測值；Cs為底泥污染因子i的評價標準值。

根據文獻[2]，本研究TN評價標準值取550mg/kg，TP評價標準值取600mg/kg。

底泥營養鹽污染程度分級標準見表2。

4.1.1 氮營養鹽污染評價

A區底泥污染層的STN在0.36～6.72之間，平均值2.97，屬于重度污染；過渡層屬于中、輕度污染，健康層底泥STN<1.0，屬于清潔狀態。

B區底泥污染層的STN在0.01～7.07之間，平均值3.94，屬于重度污染；過渡層也屬于重度污染，健康層底泥屬于清潔狀態。

C區底泥污染層的STN在0.37～11.53之間，平均值3.35，屬于重度污染；過渡層也屬于中度污染，健康層底泥屬于清潔狀態。

從整體來看，STN均值為2.23，屬于重度污染。其中，最大值11.53，潛在生態風險較高。分區采樣點底泥氮營養鹽標準指數見圖4。

4.1.2 磷營養鹽污染評價

A區底泥污染層的STP在0.24～9.06之間，平均值3.44，屬于重度污染；污染過渡層和過渡層屬于輕度污染，其它層底泥STP<0.5，屬于清潔層。

B區底泥污染層的STP在1.73～10.54之間，平均值5.75，屬于重度污染；污染過渡層和過渡層屬于輕度污染，健康層底泥屬于清潔狀態。

C區底泥污染層的STP在0.53～10.11之間，平均值4.25，屬于重度污染；其他層均屬于輕度污染。

整體來看，STP均值為1.92，屬于重度污染，潛在生態風險較高。分區采樣點底泥磷營養鹽標準指數見圖5。

圖5 分區采樣點底泥磷營養鹽標準指數圖

4.1.3 有機質污染評價

B區有機質含量最高，最大值高達211679.08mg/kg，均值39526.65mg/kg；C區平均含量27213.34mg/kg，A區平均含量24417.52mg/kg。污染集中在深度0～2m的位置，茅洲河有機質污染嚴重。

4.2 重金屬污染評價分析

(2)

(3)

多金屬潛在生態風險系數RI計算公式為

(4)

表3 重金屬背景值Cni和生物毒性響應系數Tri

表4 潛在生態風險指數等級劃分[5]

根據計算結果：

A區：0～1m深度，風險均值802，為很強生態風險；1～3m均值362，為強生態風險；3～4m均值100，為輕微生態風險。0～2m深度范圍Cd貢獻率均為最大，其次是Cu和Ni；但是2～3m范圍內，Cu和Ni貢獻率明顯升高，Cd貢獻率僅為第三。

B區：0～1m深度，風險均值1972，為極強生態風險；1～2m均值1465，仍為極強生態風險；2～3m均值665，為強生態風險；3～4m均值133，為輕微生態風險。Cu對B區生態風險貢獻率明顯增大。Cd貢獻率次之，其次是Ni。

C區：0～1m深度，風險均值819，為很強生態風險；1～2m均值1067，為極強生態風險；2～3m均值637，為強生態風險；3～4m均值233，為中等生態風險。各個深度Cd貢獻率均為最大，Cu和Ni次之。

從整體來看，污染層潛在生態風險均值為1458，為極強生態風險；污染過渡層風險均值331，為強生態風險；健康層120，屬于輕微生態風險。

重金屬主要污染因子平均濃度分布見圖6。

圖6 重金屬平均濃度分布

5 底泥清淤必要性分析及清淤量確定

5.1 清淤必要性分析

根據勘察結果，茅洲河干支流底泥量大，富含有機質和營養鹽，重金屬含量高，成分復雜，污染嚴重，臭味明顯；氮、磷釋放通量大，且釋放時間長。即使控制了外源污染物的輸入，如不對底泥進行清淤，茅洲河水質達到地表水Ⅴ類水標準的目標無法得以實現。同時，底泥淤積對河道行洪安全也帶來很大隱患。故此，對茅洲河干支流底泥進行達標清淤勢在必行。

5.2 清淤厚度及清淤量確定

根據研究結果，結合茅洲河水質達標要求，對不同的區域實行不同的達標清淤深度，見圖7。總體清淤厚度在0.7～2.5m之間，一般在1.1～1.8m之間。

圖7 茅洲河干支流達標清淤深度

實際清淤量包括凈挖量、超挖量及回淤量，并考慮河道天然縱坡要求。在此基礎上，計算得到A區、B區、C區的達標清淤量分別為125萬m3、111萬m3、95萬m3，合計331萬m3。

6 清淤實施效果及評價

依據研究結果，制定了茅洲河底泥清淤及處理處置方案。為了盡量避免清淤過程中底泥污染物擴散到水體中，清淤采用“環保絞吸式挖泥船+封閉式管道輸送”方案，配合GPS測量精確控制清淤厚度，底泥通過管道輸送到專門的底泥處理廠進行脫水固化。

茅洲河17條干支流底泥清淤工程于2020年6月全部完成，實際完成底泥清淤322.44萬m3，其中干流清淤231.77萬m3，支流沙井河清淤59.5萬m3，其他15條支流清淤31.17萬m3。通過壓濾脫水后的泥餅含水率在40%左右，泥餅用于燒制陶粒，制成透水地磚用于工程中，底泥清淤做到了減量化、穩定化、無害化、資源化。

通過清淤共消除Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、TN、TP、有機質污染物分別為929t、775t、2580t、7t、162t、5482t、4291t、86385t。同時，底泥余水按照《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)二級標準處理達標后排放，共處理余水3140萬m3，削減COD、NH3-N、TP分別為345t、534t、129t。通過岸上截污與底泥清淤雙管齊下，2020年7—10月(6月清淤完成)茅洲河國考共和村斷面的氨氮、總磷平均濃度分別為1.26mgL、0.25mgL，兩項的平均指標已達到地表水Ⅳ類水標準[6]。2021年1—7月，共和村斷面平均水質穩定達到地表水Ⅳ類標準，清淤效果顯著。

7 結 論

茅洲河流域底泥污染重，污染因子復雜，是影響水質達標的關鍵因素之一。通過勘測采樣，分析了底泥中氮磷營養鹽、重金屬等污染物含量及其空間分布特征，并對污染物進行了源解析。以水質達標為目標，提出了清淤深度和清淤量，為茅洲河開展底泥清淤工作提供了可靠的依據。通過清淤，結合岸上截污措施，茅洲河國考斷面水質由劣Ⅴ類轉變為地表水Ⅳ類，說明本研究清淤路線及據此確定的清淤深度是合適的，其研究路線、方法可為類似工程參考。