河道污染底泥清淤深度確定及工程示范應用研究

肖詩瑤，劉金龍

（1.湖南省水利水電勘測設計規劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

前 言

在社會經濟發展中，城市水體受到了不同程度的污染，隨著國務院《水污染防治行動計劃》（“水十條”）的頒布，近年污水管網不斷完善，外源污染得到了有效控制，而河湖底泥作為水體內源污染的源頭，內源治理也是水質進一步改善的必要措施。底泥治理主要包括原位處理和異位處理兩大類，但根據國內外不少實施案例來看，原位處理反復概率大，本文研究側重于異位處理即底泥清淤。

近年來，我國陸續展開了以江蘇太湖[1]、云南滇池[2]、武漢水果湖[3]等為代表的河湖環保清淤工程，環保清淤技術得到了一定發展，但仍存在底泥調查不足、疏挖精度有待提高等問題[4]。關于如何確定底泥清淤深度，國內外學者先后開展深入研究。如王雯雯等[5]利用氮、磷解吸試驗推算太湖竺山灣污染底泥環保疏浚深度；吳永紅等[6]對滇池典型湖灣沉積物氮、磷化學特性及疏浚層進行推算，采用趨勢和拐點法來確定疏浚深度；當無具體的底泥監測數據時，一般參照國內外已實施的工程經驗來取值,疏浚深度一般在（40～50）cm 為宜，存在一定的盲目性。

本文在回顧以往的底泥疏浚深度的研究成果基礎上，綜合考慮底泥的分層污染、底泥營養鹽污染、污染物垂直分布特點，結合河道回淤風險、生態風險、水質風險，通過示范應用于深圳河清淤工程中，旨在為城市河道污染底泥清淤深度確定提供借鑒意義。

1 污染底泥清淤深度確定方法

1.1 底泥指標檢測

底泥現狀調研與分析是底泥清淤深度確定的基礎。對底泥的調查研究需結合工程目標分析，主要調查指標及內容：①垂直分層特性，調查底泥分布范圍及分布量；②基本理化性質，含水率、pH 及粒徑；③營養鹽特性，有機質、總氮、總磷和氨氮等；④重金屬污染，包括銅、鋅、鎘、鉛、汞、砷、鉻、鎳、銀等。此外，如有條件開展底泥對上覆水體污染物釋放率的測定。

目前，關于污染底泥的指標調查還沒有相應的技術標準，一般根據工程目標來開展相關工作。在以內源污染控制為主的清淤工程中，以改善水質目標為重點，往往重視底泥污染成分全氮、總磷的監測與分析，針對清淤后的底泥側重于底泥毒性污染分析，如重金屬、石油烴等指標。

1.2 底泥污染特性評估

底泥污染評價是確定清淤深度的重要依據，同時對清淤后底泥的處理處置方案及資源化消納途徑的選擇至關重要。

總體來講，河湖底泥主要污染類型包括營養鹽（氮、磷）污染、重金屬污染、有機污染等，其中營養鹽污染和重金屬污染較為普遍，底泥中的營養鹽釋放至上覆水體將影響水質，重金屬污染決定了底泥的危害程度。因此，科學評估底泥的污染特性，可系統全面地揭示河底泥污染現狀，為水質改善和底泥疏浚提供理論指導和技術支撐。

目前，對于底泥的污染特性評價，國內尚無統一的標準或參照。關于氮磷營養鹽污染的評價多采用單項因子標準指數法，根據污染程度分為1～4 級；關于重金屬污染的評價，由于缺乏相應評價標準，現有工程一般可參考土壤環境質量標準[如《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618-2018）]來進行。主要評價方法包括：單項指數法、內梅羅污染指數法、生態風險指數法、地累積指數法等[7]，其中對于重金屬評價應用較多的為Hakanson 潛在生態危害指數法。

1.3 底泥清淤深度的確定

清淤深度是應綜合考慮水質情況、底泥理化性質、污染物分層情況、周邊生態環境來確定，疏浚深度是環保疏浚的主要施工參數，確定疏浚深度的常用方法主要有分層法、拐點法、背景值比較法及底泥吸附和解吸特征法：

1）分層法，該法通過觀察采集的泥柱樣品，根據泥柱的外觀（如色澤、顆粒的粗細、流態、臭味等）來進行分層，然后再對分層樣品進行目標污染物的含量分析，比較各分層樣品中污染物含量的大小，從而來確定疏浚深度，該法主要依賴主觀判斷，缺乏科學性。

2）拐點法，該法是依據泥柱污染物垂直分布過程中出現明顯減小或者轉折的變化，將上部分泥層確定為污染層，下部分泥層確定為穩定層或者歷史沉積層。疏浚深度為該轉折點到達底泥表面的距離。

3）背景值比較法，該法是將未受到污染的底泥作為參照，采用數學方法對某種污染物含量進行比較，從而確定底泥受污染的深度。該方法最大的局限性，就是要尋找到未受到污染底泥的參照物。

4）基于底泥吸附和解吸特征推算法，該法通過比較需要重點關注的污染物平衡濃度（ECO）與設定水質目標之間的大小關系，判斷出底泥與上覆水體的吸附與解吸關系，從而幫助確定疏浚深度。

綜上所述，分層法可表觀判斷污染特征的情況，但不夠嚴謹科學，可作為輔助判斷依據；背景值比較法對于背景值選擇難度較大，也缺乏支撐依據，故在底泥清淤時應充分調查底泥理化性質，分析污染物垂直分布特性，尋找拐點，確定清淤深度。對于水質改善的底泥清淤工程，有條件開展底泥污染物對上覆水體的吸附及解吸特征研究，尋找底泥污染物含量的平衡濃度，作為深度清淤控制值；對于有機質及重金屬污染的底泥，可采用生態風險指數，評估污染風險確定清淤控制值。此外，在清淤深度確定上，還應綜合考慮底棲生態風險、當地生態風險、河道回淤風險及底泥擾動后的二次污染風險，合理確定清淤范圍和深度。

2 深圳河底泥清淤示范工程應用

2.1 基本情況

深圳河作為深港界河，其河口斷面為國家河道水質達標考核的國控斷面，隨著近年水環境治理工程的實施，深圳河干流排放口旱季污水截流工程已全部完成，考核斷面已基本消除黑臭，但距水質達到V 類水標準仍有一定的差距。水質不達標的主要原因有兩方面：一方面，深方陸域的污水還未完全得到分流收集和高標準處理排放；另一方面，河道本身多年積存下來的污染底泥釋放造成了內源污染。

由于深圳河底泥淤積及污染嚴重，如不實施內源削減工程，很難實現水質目標，深圳河清淤工程旨在對污染最嚴重河段的污染底泥進行清淤，消除污染底泥對水質的不良影響。

2.2 底泥理化性質

2.2.1 底泥采樣及檢測指標

清華大學深圳研究生院于2017 年7 月在深圳河上布設了11 個監測斷面，包括支流匯入口、口岸重要節點、考核斷面等具有代表性的點位，每個斷面設一個采樣孔，采集底泥深度基本可達各斷面平均淤積深度，對其理化性質進行了檢測。

2.2.2 底泥采樣情況

根據泥柱現場可辨的污染情況，可將深圳河底泥劃分為：黑色污染層、健康過渡層、健康層。黑色污染層主要為黑色污泥，含有泥沙，可塑性不強，臭味明顯；健康過渡層較上面的污染層顏色變淺，泥柱顏色為淺黑色或青色，黏度較大，具有一定的可塑性，臭味減輕；健康層為淺黃色或者灰黃色，含有沙礫和貝殼，硬度變大，基本沒有臭味。在此基礎上對泥柱進行了分層，分層的原則如下：泥柱從表面開始往下0.5 m，每10 cm一層；（0.5～1）m 之間，分兩層，每25 cm 一層；1 m 以下按每50 cm 分層。見圖1。

圖1 深圳河底泥采樣情況及平均淤積深度情況圖

2.2.3 底泥主要污染物特征

由清華大學深圳研究生院底泥污染物檢測數據[8]可知，底泥中污染物以總氮、總磷以及Cu、Zn、Ni 等重金屬為主。

1）營養鹽污染物。

總氮：沿河流方向，D1、D2、D10、D11 斷面的總氮含量均較低，D3～D5 斷面總氮含量相對較高；從D1 到D5 斷面，不同深度的底泥中總氮含量均逐漸上升，從D6 斷面開始又逐漸下降。垂向上，除D5 斷面外總氮含量隨深度增加波動較大，無明顯規律；D5 斷面在（0～200）cm 以內隨深度增加而呈增長趨勢，（200～300）cm 呈下降趨勢，見圖2。

圖2 泥層總氮沿程分布圖

總磷：沿河流方向，D1～D5 斷面的總磷平均含量相對較高，D10、D11 斷面總磷含量明顯低于其他斷面。D3 斷面表層和中間層底泥中總磷含量最高，D10、D11 斷面表層和中間層底泥中總磷含量較低，其他斷面表層和中間層底泥中總磷含量居中且差別較小；D1、D4 斷面底層底泥中總磷含量最高，D2、D3、D5 斷面底層底泥中總磷含量較高，其他斷面底層底泥中總磷含量較低。各斷面垂直向上的總磷分布規律不甚明顯，但多數斷面表層總磷含量較高，往下往往呈現先下降、后上升、接近河底又下降的趨勢，見圖3。

圖3 泥層總磷沿程分布圖

2）重金屬污染物。超標較多的重金屬主要是Cu、Zn、Ni 三種，超標現象主要見于D3～D9 斷面。各斷面Cu、Zn、Ni 含量隨底泥深度增加基本呈現先上升、后下降的趨勢，但具體各層含量有一定的波動；D4 斷面在深度300 cm 處仍為黑色污染層，Cu、Zn、Ni 含量在300 cm 以內隨深度增加而波動上升，未見下降趨勢，重金屬沿程分布以銅為例，見圖4。

圖4 泥層銅沿程分布圖

2.2.4 清淤深度確定

根據底泥理化性質與污染特征分析，目前底泥污染最為嚴重的為D3、D4、D5 斷面，本次示范工程擬優先對該河段進行清淤，即羅湖口岸～濱河污水處理廠河段。

清淤深度主要通過水質超標的污染物來確定，本次清淤旨在改善水質，清淤深度擬根據底泥分層特性，主要污染物的風險值，分布特征，并結合河段各斷面的淤積深度來綜合確定。

1）基于底泥分層情況確定。深圳河大部分底泥存在明顯分層，污染層特征為淤泥發黑油亮、密度小、顆粒構成細、含水率很高、帶有臭味，屬于重度污染部分；污染層往下，淤泥較上面的污染層顏色變淺，泥柱顏色為淺黑色或青色，黏度較大，具有一定的可塑性、臭味減輕，為健康過渡層，屬于輕度污染部分；再往下層往往出現淺黃色或者灰黃色泥層，其泥質緊密而細膩并夾雜著生物殼，為健康層，屬于清潔部分。宜將重度污染層清除，輕度污染部分酌情清除，但不宜影響到清潔部分，根據《疏浚與吹填技術規范》環保疏浚斷面頂高程應不高于過渡層頂高程，疏浚厚度宜小于污染層和過渡層總厚度，所以基于底泥分層特性，最小清淤深度按污染層深度控制。

2）基于底泥營養鹽污染風險分析。根據清華大學《深圳河底泥取樣調查報告》，對深圳河氮營養鹽污染風險采用單項因子標準指數法進行評價，單一污染因子i 的一般標準指數如關系式：Si=Ci/Cs。深圳河總氮的評價標準為800 mg/kg，總磷的評價標準為600 mg/kg，其中Si＜1.0 為清潔，1.0≤Si≤1.5 為輕度污染，1.5＜Si≤2.0 為中度污染，Si＞2.0 為重度污染。本次清淤考慮將重度污染層清除掉，最小清淤深度按風險指標2.0 控制。

3）基于底泥主要污染物分布的拐點特征確定。結合總氮、總磷和氨氮三類污染物在泥柱上的分布情況，本次選取污染物明顯降低的點位作為分界點，該點位以上的厚度作為疏浚厚度；針對泥柱中氮磷污染物在底泥厚度方向上垂直分布沒有明顯的拐點，或者拐點的氮磷污染物含量比表層的氮磷污染物含量更高的情況，則建議采樣深度為最低疏浚深度。

綜合上述分析，根據各斷面的污染物特征從底泥分層、底泥中主要污染物污染指標及底泥主要污染物拐點分布特征確定的最小清淤深度中取高值，但不得超過現有的淤積深度，綜合來確定各斷面清淤積深度，D3～D6 各斷面清淤深度見表1。

表1 清淤河段各斷面最小清淤深度表 cm

3 結 論

1）底泥理化性質及污染特性是確定底泥清淤的關鍵因素，對底泥的調查研究需結合工程目標分析，確定清淤深度。

2）清淤深度的確定需根據底泥分層情況、污染物風險指標，結合污染物垂向分布尋找拐點綜合確定，有條件的情況下開展底泥對上覆水體的污染釋放研究，以尋找到平衡濃度。

3）污染底泥尤其是重金屬污染底泥需進行無害化處理，達到相應的規范及標準后方可資源化利用。