汾河水庫(kù)底泥污染特征及資源化利用分析

石玉飛范毅白興全高峰

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2.山西汾河流域水生態(tài)環(huán)境管理有限公司，山西 太原 030000)

我國(guó)是世界上水庫(kù)數(shù)量最多的國(guó)家，現(xiàn)有水庫(kù)98002座，總庫(kù)容9323億m3[1]，在減輕洪澇災(zāi)害、維系區(qū)域生態(tài)平衡、保障區(qū)域供水和生物資源利用方面發(fā)揮不可替代的重要作用[2-4]。據(jù)報(bào)道，每年由于泥沙淤積造成的全球水庫(kù)總庫(kù)容損失達(dá)0.5%～1.0%[5]。我國(guó)水庫(kù)平均年淤積速率為2.3%，大于國(guó)外水庫(kù)淤積速率[6]。我國(guó)尤其北方河流含沙量高，庫(kù)容年損失率高于世界平均水平，淤積問(wèn)題尤為嚴(yán)重。山西省地處黃土高原、黃河中游，水資源嚴(yán)重短缺和水土流失十分嚴(yán)重。汾河水庫(kù)位于汾河干流上游段，是汾河流域第1座綜合利用的大型水利樞紐，是山西省目前最大的水庫(kù)，也是太原市生活用水重要水源地，其上游流域地面物質(zhì)組成及侵蝕特征，具有典型的黃土高原水庫(kù)特性。水庫(kù)建成以來(lái)，形成了大量泥沙淤積，庫(kù)區(qū)地形基本呈盆地形狀，庫(kù)底左側(cè)至右側(cè)淤積面呈水平狀態(tài)。大量泥沙淤積侵占了水庫(kù)庫(kù)容，直接影響了水庫(kù)防洪、灌溉、供水、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)環(huán)境等功能效益的發(fā)揮[7-9]。因此，對(duì)淤積嚴(yán)重的水庫(kù)進(jìn)行清淤是維持水庫(kù)正常運(yùn)行的必要措施之一。然而，對(duì)水庫(kù)清淤后的底泥進(jìn)行有效地資源化利用也是目前亟待解決的問(wèn)題。

底泥、水質(zhì)和水生生物是水生態(tài)系統(tǒng)中重要的環(huán)境要素，在生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)中具有重要的作用[10]。底泥由大量的氮、磷、有機(jī)質(zhì)和長(zhǎng)期累積的沉積物等物質(zhì)組成。底泥成分復(fù)雜，在吸收外源污染物(如有機(jī)污染物)的同時(shí)，也會(huì)向水環(huán)境中釋放大量的污染物，導(dǎo)致水體的污染物濃度增加[11,12]，并產(chǎn)生二次污染，引起水質(zhì)惡化和水生生物死亡[13,14]。目前，清淤后底泥的資源化利用研究多集中在湖泊、河道和污水處理廠的底泥上[15-17]，缺乏對(duì)水庫(kù)底泥的資源化利用研究。因此需要全面分析水庫(kù)底泥的污染特征，并探索適合水庫(kù)底泥資源化利用的方案。本文選取汾河水庫(kù)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)汾河水庫(kù)底泥的物理性狀、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、粒徑分布和有毒有害有機(jī)污染物進(jìn)行分析，有針對(duì)性地制定底泥資源化方案，為今后各水庫(kù)底泥的資源化利用提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

本研究在汾河水庫(kù)一共布設(shè)了24個(gè)底泥采樣點(diǎn)，見(jiàn)圖1，采樣點(diǎn)較均勻地覆蓋了整個(gè)汾河水庫(kù)。使用抓斗式采泥器采集水庫(kù)底泥，每個(gè)取樣點(diǎn)取3次混合樣，每個(gè)混合樣取3次，混合樣總體積為1L。將采集的水庫(kù)底泥保存后，立即避光送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

圖1 汾河水庫(kù)底泥取樣點(diǎn)示意圖

1.2 底泥檢測(cè)指標(biāo)和分析方法

底泥檢測(cè)指標(biāo)包括pH、含水率、有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷、粒徑分布和有毒有害有機(jī)污染物。

1.2.1 含水率

底泥的含水率采用重量法測(cè)定，將樣品放進(jìn)溫度為105℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干12h，自然冷卻后計(jì)算底泥烘干前后的重量變化。

1.2.2 總氮和總磷

底泥的總氮采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定，總磷采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定，具體檢測(cè)方法參考《水和廢水檢測(cè)分析方法》(第4版)[18]。

1.2.3 有機(jī)質(zhì)

底泥的有機(jī)質(zhì)采用重量法測(cè)定，將樣品放進(jìn)溫度為600℃的馬弗爐中灼燒2h，自然冷卻后計(jì)算底泥灼燒前后的重量變化。

1.2.4 粒徑分布

對(duì)底泥進(jìn)行干燥和破碎后，采用國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)篩：100目(150μm)、200目(75μm)、300目(48μm)和400目(38μm)，對(duì)樣品進(jìn)行篩分，測(cè)定底泥的粒徑分布。

1.2.5 有機(jī)污染物

使用索氏提取器對(duì)底泥中的有機(jī)污染物進(jìn)行萃取前處理，采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)有機(jī)物污染物含量進(jìn)行檢測(cè)，具體檢測(cè)方法參考《水和廢水檢測(cè)分析方法》(第4版)[18]。

2 結(jié)果分析

2.1 汾河水庫(kù)底泥物理性狀分析

汾河水庫(kù)底泥pH值變化范圍為7.0～8.0，見(jiàn)表1，符合農(nóng)用的要求。汾河水庫(kù)底泥含水率高，變化范圍為53.30%±0.98%～81.02%±1.06%，普遍大于50%，見(jiàn)表1。其中，上游底泥含水率(如采樣點(diǎn)1為53.30%±0.98%，采樣點(diǎn)2為54.42%±0.68%)和下游底泥含水率(如采樣點(diǎn)24為53.40%±024%)明顯低于中游底泥含水率(如采樣點(diǎn)12為78.16%±0.99%，采樣點(diǎn)14為81.02%±1.06%)。沿岸的底泥含水率(如采樣點(diǎn)8為63.61%±0.44%，采樣點(diǎn)15為62.90%±0.83%，采樣點(diǎn)22為60.67%±0.54%，采樣點(diǎn)23為59.71%±0.13%)也低于中游底泥含水率。

2.2 汾河水庫(kù)底泥營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分析

底泥中的氮磷含量在一定程度上為水庫(kù)水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度提供參考，底泥中氮磷的釋放會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)水體的富營(yíng)養(yǎng)化。由表1可知，汾河水庫(kù)底泥中總氮、總磷、有機(jī)質(zhì)含量分布不均，總氮含量范圍在62.92±3.71～1150.83±8.04mg·kg-1，總磷含量范圍在0.83±0.05～97.07±2.46mg·kg-1，總氮和總磷含量處于較低水平。底泥中較高的總氮和總磷含量主要集中在采樣點(diǎn)5(總氮含量為1150.83±8.04mg·kg-1、總磷含量為97.07±2.46mg·kg-1)、采樣點(diǎn)6(總氮含量為399.77±5.45mg·kg-1、總磷含量為26.26±1.09mg·kg-1)、采樣點(diǎn)7(總氮含量為627.23±5.20mg·kg-1、總磷含量為41.30±1.16mg·kg-1)、采樣點(diǎn)8(總氮含量為460.04±2.10mg·kg-1、總磷含量為27.05±1.30mg·kg-1)和采樣點(diǎn)9(總氮含量為400.89±0.62mg·kg-1、總磷含量為28.28±0.22mg·kg-1)。汾河水庫(kù)底泥中有機(jī)質(zhì)含量范圍在24.63±0.66～90.66±0.88mg·kg-1，其中，采樣點(diǎn)8有機(jī)質(zhì)含量最高，采樣點(diǎn)19有機(jī)質(zhì)含量最低。這可能是由于采樣點(diǎn)8附近有大片果園，植物茂盛，采樣點(diǎn)19附近是裸土地。中等含量有機(jī)質(zhì)主要在水庫(kù)中游，如采樣點(diǎn)12(64.31±0.99mg·kg-1)和采樣點(diǎn)17(69.08±0.58mg·kg-1)。

根據(jù)單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法評(píng)價(jià)汾河水庫(kù)底泥的氮磷污染風(fēng)險(xiǎn)[21]，其中總氮的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)為550mg·kg-1，總磷的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)為600mg·kg-1。由表1可以看出，只有采樣點(diǎn)5和采樣點(diǎn)7的總氮污染指數(shù)大于1，有潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，其它采樣點(diǎn)的總氮和總磷污染指數(shù)均小于1。

2.3 汾河水庫(kù)底泥粒徑分布分析

采用國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)樣品進(jìn)行篩分，汾河水庫(kù)各采樣點(diǎn)底泥的粒徑分布如表2所示。汾河水庫(kù)底泥粒徑<400目占26.65%～67.92%、300～400目占7.02%～27.35%、200～300目占5.65%～36.28%、100～200目占3.74%～21.45%、>100目占3.10%～16.33%。在底泥粒徑<400目中，采樣點(diǎn)15(26.65%)、采樣點(diǎn)16(26.79%)、采樣點(diǎn)2(28.63%)和采樣點(diǎn)6(30.61%)占比最少。在底泥粒徑>100目中，采樣點(diǎn)22(12.64%)、采樣點(diǎn)13(12.69%)和采樣點(diǎn)16(16.33%)占比最多。

2.4 汾河水庫(kù)底泥有機(jī)污染物分析

根據(jù)汾河水庫(kù)的地形，選取了12個(gè)采樣點(diǎn)(采樣點(diǎn)1、采樣點(diǎn)4、采樣點(diǎn)5、采樣點(diǎn)7、采樣點(diǎn)10、采樣點(diǎn)11、采樣點(diǎn)13、采樣點(diǎn)14、采樣點(diǎn)18、采樣點(diǎn)19、采樣點(diǎn)22和采樣點(diǎn)24)的底泥進(jìn)行了有機(jī)污染物含量的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。在汾河水庫(kù)的底泥中均未檢測(cè)到有機(jī)污染物苊、苊烯、蒽、苯并(a)蒽、苯并(a)芘、苯并(b)熒蒽、苯并(g,h,i)苝、苯并(k)熒蒽、、二苯并(a,h)蒽、熒蒽、芴、茚并(1,2,3-cd)芘、萘、菲和芘的存在。

表2 汾河水庫(kù)底泥粒徑分布

表3 汾河水庫(kù)底泥有機(jī)污染物含量

3 討論

汾河水庫(kù)底泥含水率的差別是由于汾河水庫(kù)上游、下游和沿岸的底泥主要來(lái)源于周邊的水土流失，含沙量較高導(dǎo)致的。這與報(bào)道的水庫(kù)湖泊底泥含水率較為一致，如五源河中游底泥含水率為73.10%[15]，巖口水庫(kù)底泥含水率也普遍大于50%(58.11%～87.43%)[19]。汾河水庫(kù)底泥中總氮、總磷、有機(jī)質(zhì)含量分布遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)報(bào)道的南方浙江巖口水庫(kù)(底泥中總氮含量為3898mg·kg-1，總磷含量為882mg·kg-1)[19]和北方河北洋河水庫(kù)(底泥中總氮含量為2131mg·kg-1，總磷含量為742mg·kg-1)[20]。采樣點(diǎn)5的總氮和總磷含量高是由于此處附近地形的攔截作用使得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在此處沉積，也有可能是該處的居民生活區(qū)產(chǎn)生的生活污水導(dǎo)致的。

依據(jù)全國(guó)第二次土壤普查推薦值[22]，土壤養(yǎng)分共分6級(jí)，1級(jí)為最高水平，6級(jí)最低水平，汾河水庫(kù)底泥總氮屬于3～6級(jí)，總磷含量屬于6級(jí)，有機(jī)質(zhì)含量屬于1～3級(jí)。汾河水庫(kù)底泥中的總氮含量屬于中低水平，總磷含量屬于低水平，但有機(jī)質(zhì)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)較高，表明汾河水庫(kù)底泥污染中有機(jī)質(zhì)占比較大。

汾河水庫(kù)底泥顆粒粒徑越小占比越大，整體顆粒較細(xì)，具有一定的可塑性。汾河水庫(kù)底泥主要由黏粒和粉粒組成，占比在60%左右，具有較好的膨脹性能。汾河水庫(kù)沿岸的水土流失導(dǎo)致附近的水庫(kù)底泥顆粒粒徑較大。報(bào)道的河湖底泥的粒徑主要為>300目[16]。汾河水庫(kù)未檢出有機(jī)污染物，報(bào)道的五源河底泥中也未檢出有機(jī)污染物[15]。因此，在汾河水庫(kù)底泥資源化中可以不考慮有機(jī)污染物的影響。

底泥資源化能帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益，根據(jù)以上對(duì)汾河水庫(kù)底泥的特性分析，汾河水庫(kù)底泥中有機(jī)質(zhì)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)較高，有機(jī)質(zhì)占比較大，底泥顆粒粒徑越小占比越大，整體顆粒較細(xì)，無(wú)有機(jī)污染物，資源化利用方式可以考慮農(nóng)田、園林綠化用土。

4 結(jié)論

汾河水庫(kù)底泥pH值變化范圍為7.0～8.0，含水率高，普遍大于50%。汾河水庫(kù)底泥總氮屬于3～6級(jí)，總磷含量屬于6級(jí)，有機(jī)質(zhì)含量屬于1～3級(jí)。汾河水庫(kù)底泥中的總氮含量屬于中低水平，總磷含量屬于低水平，但有機(jī)質(zhì)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)較高。底泥顆粒粒徑越小占比越大，整體顆粒較細(xì)。汾河水庫(kù)底泥主要由黏粒和粉粒組成，占比在60%左右，具有較好的膨脹性能。在汾河水庫(kù)的底泥中均未檢測(cè)到有機(jī)污染物苊、蒽、苯并(a)蒽、苯并(a)芘、、萘、菲和芘等的存在。根據(jù)汾河水庫(kù)底泥污染特征，資源化利用方式可以考慮農(nóng)田、園林綠化用土。