城市湿地公园建造中底泥重金属生态影响及治理研究

李晓波

（重庆大学城市建设与环境工程学院,重庆 400030；重庆第二师范学院,重庆 400067）

人类自古就有“亲水而居”的生活习性，随着城市环境的改善、居民生活水平的提升，景观水体越来越受到人们的关注。城市湿地公园的出现，满足了人、城市与自然和谐共存，环境教育与生态旅游等多目标综合实现的意愿，体现了人类对环境最小干扰的生产与生活方式的现代环境伦理观。作为长江上游、中国西部唯一的直辖市，重庆正积极打造“美丽城市”，为此，城市人工湿地公园将是生态环境建设中浓墨重彩的一笔。鉴于国内对湿地及湿地公园的认识和研究起步较晚，一些理念尚不成熟，缺乏全面的、系统的、完整的城市湿地公园建设的研究，笔者选取改造前的城市水体底泥的处理作为研究对象，以求提出湿地公园健康发展的科学建议。

1 城市湿地公园建设背景

作为城市系统中的一种自然地理元素，城市水体在生态性、景观性、功能性等方面具有重要意义。据罗韧等开展的重庆都市区湿地资源调查显示，重庆都市区河流有42条，长度总计1430.26km，面积为10449.48km2，中型水库有5座，坝址以上控制面积 176.59500km2；小型水库162座，坝址以上控制面积595.9215 km2[1]，可以看出，重庆都市区具有十分丰富的湿地资源。

城区内的湿地公园或景观水体大多以原溪河、池塘、水库等改建而来，如九龙坡彩云湖湿地公园，其前身就是主城区内最大的溪河之一桃花溪。20世纪80年代中期到2005年的近二十年间，两岸快速的城市化和滞后的城市建设与管理，使环境优美的桃花溪变成一条祸及两岸生态环境、严重影响当地居民生活的“污水沟”。为保留住城市内这条载满人们记忆的河流，再现昔日碧波荡漾、垂钓泛舟的桃花溪。作为《三峡库区及其上游水污染防治规划》的重大项目之一的桃花溪流域综合整治工程立项，考虑到随着流域的城市化，没有活水来源的桃花溪在日后将难于维持。为此，设计单位利用桃花溪上游丘陵深沟切割的地形条件，结合污水处理厂产生的中水及地表汇水，规划修建一个占地约20hm2，蓄水达168万m3彩云湖水库，为保障水库的水质安全，在污水处理厂与水库之间，水库的坝前规划建设人工湿地。彩云湖湿公园从2006年启动规划设计，到目前初步建成，一个“青山绿水、市民理想休憩地”正逐步显现出来。

依据《重庆市国民经济和社会发展第十二个五年（2011-2015年）规划纲要》的要求，为打造宜居宜业、山水园林、独具魅力的国家中心城市，突出“山城”、“江城”自然风貌，重庆依托丰富的水域资源，湿地公园如雨后春笋般建立起来。2009年始，九龙坡彩云湖湿地公园、南岸迎龙湖国家湿地公园等13个湿地公园陆续获批，成为国家级湿地公园建设试点；预计到2030年，重庆还将规划建设小南海国家级湿地公园等17个湿地公园；另有部分大型社区开发商，为了彰显社区的生态环境，依据地理位置对原有水体进行改造，修建了各自的湿地公园，提升了社区地产的价值，如棕榈湖国际社区湿地公园。这些不同投资渠道、不同类型的湿地景观将在重庆形成集游览、休闲、健身、科普等功能多样化的开放型、生态型湿地公园群。

2 城市水体沉积物中重金属及其生态风险

2.1 城市底泥特性

位于城市内的水体往往容易受到人类活动的影响，城市化的快速发展过程和污水处理设施的滞后配置，部分生活污水、工业废水、路面径流等直接排入城市水系，加上城市水体大都相对孤立、自净能力差，极易造成水体富营养化、水体自净功能丧失，生态功能受到严重损害，从而丧失了景观水体的功能。就重庆都市区而言，每年有120×108吨以上的工业废水和生活污水经盘溪河、溉澜溪、清水溪等排入嘉陵江和长江[1]。大量污水的排入造成底泥成分复杂，营养元素、微生物、重金属等污染物质进入水体后，经过水体颗粒物的吸附、絮凝、沉淀以及生物吸收等方式最终沉积并富集在底泥中。重金属因其影响的持续性和毒性，尤为危险，即使外界污染源消除后，底泥重金属仍可能在很长时间内对上覆水的水质产生影响。当环境条件改变时，底泥中的重金属就可能由“汇”转变为“源”，从底泥迁移到其他生态系统组成部分中产生负面影响。

2.2 城市底泥重金属污染风险

目前，国内外已有关于城市湖泊沉积物中重金属的赋存形态、分布规律、生态风险等报道。我国自20世纪70年代以来在重金属对水环境的污染问题领域开展了大量相关工作。近年来，随着工业化、城市化过程的加快，城市水体受重金属的污染引起了许多学者的关注。

周怀东等按照“中国土壤元素背景值”和《土壤环境质量标准》，对我国江河湖库等地表水体沉积物中的重金属进行了“超背景值”和“超标”评价，结果表明在所采集的样品中，80.8%的样品沉积物重金属含量高于当地土壤元素背景值，36.9%的样品沉积物重金属含量超过了土壤环境质量标准，反映了我国沉积物重金属含量增高的趋势[2]。赵璇等分析发现城市河流中有35.1%的河段出现总汞超过地表水III类水体标准，18.5%的河段面总镉超过III类水体标准，25.0%的河段有总铅的超标样本出现[3]。最新研究发现苏州河中铅全部超标、镉为75%超标、汞为62.5%超标[4]。乔胜英等选择武汉市区不同污水来源的湖泊来研究重金属元素在沉积物中的污染状况，以及与湖泊背景值、土壤背景值的对比，表明几个湖泊沉积物不同地都遭受了环境污染，湖泊表层沉积物重金属含量分布表现为从远郊、近郊、城区递增的特点，其中位于城区的湖泊尤为突出[5]。滑丽萍等通过收集中国不同区域的21个主要湖泊重金属资料，认为基本上靠近工矿企业和人类活动频繁区的湖泊底泥重金属污染比较严重[6]。刘红磊等以武汉市墨水湖为研究对象,结果表明，表层沉积物重金属污染程度较重，重金属在全湖区域上具有比较高的富集系数，主要受人为输入的影响;在所有采样点重金属含量均高于最低效应阈值，多数采样点甚至超过了严重效应阈值；该湖泊沉积物中重金属分布具有比较明显的空间差异性:排污口区＞湖中心水域＞城区岸边带＞林田岸边带[7]。马婷等选取南京城市5个主要湖泊为研究对象，分析表层沉积物中重金属含量，并对重金属污染风险和潜在生态危害进行评价。通过评价结果显示，Cd处于中等到严重潜在生态风险水平，表层沉积物重金属污染最严重的是月牙湖，其次是前湖和紫霞湖，这3个湖泊都处于中等潜在生态风险状态[8]。王国平等采用重力沉积芯采样钻钻孔采样与剖面切割采样相结合的方法，研究了沉积物重金属元素在剖面中的分布，结果显示，剖面上部沉积物表层沉积序列内已明显富集了重金属，大多数沉积柱芯下层的重金属含量相对较低并接近地球化学天然背景水平[9]。

大量的研究都揭示了在人类活动的影响下，受纳高污染负荷市政污水、路面径流的城市水体，存在潜在的重金属生态风险,必须引起足够的重视。由此，在对原有水体底泥的清淤疏浚、湿地公园改造工程前，开展水体底泥污染物调查与施工工艺研究对于城市生态环境建设与保护是十分必要的。

2.3 水体底泥的特性

城市水景改造过程中清淤处理的底泥的物理、化学特性与污水处理厂产生的剩余污泥相似，其含水率高约97%。底泥未做任何处理的污泥外运、随意弃置、简单填埋或直接农用，就将给生态环境带来隐患。污泥处置的传统技术主要是卫生填埋、焚烧、海洋处理和土地利用，但随着环境标准的严格化，其应用受到诸多限制。以污泥安全处置为最终目的的多元化污泥综合利用技术，如建材利用、能源利用、环境保护利用、污泥蛋白质利用等还处于研究阶段，实际应用很少。

水景改造具有阶段性、周期短、底泥处理量大等性质，从经济学角度看为疏浚建造专门的底泥处理设施不划算，应集中密闭运输到有相应处理设备的污水处理厂。但我国现有的污水处理设施中，因污泥物理处理投资占污水处理厂总投资比例高，运行费用大，造成配置污泥稳定处理配套设施率低，正常运行的也很少。因此，底泥运至污水处理厂处理也具有很大的限制因素。从底泥的成分上看，城市污泥中含有丰富的氮、磷、钾和有机质等植物性营养元素，是很好的肥源和良好的土壤改良剂，将城市污泥的土地资源化利用是更符合的处置方法。

3 城市底泥疏浚技术及环境影响

底泥控制技术主要有物理技术、化学技术、生物生态技术。化学技术和生物生态技术主要针对底泥的稳定和修复，物理技术按位置不同可分为原位控制技术和异位控制技术[10]。

3.1 底泥原位控制技术

底泥原位控制技术包括底泥封闭、底泥钝化技术，主要是用材料覆盖底泥或投加钝化剂，阻隔、抑制底泥中氮、磷营养元素和重金属的释放。其不足是：不适于大规模应用于河流、湖泊；化学处理可能会改变水体的理化性质，对水底的生态系统造成破坏；底泥封闭的效果难以持久性保证等。

3.2 异位控制技术

异位控制技术又称底泥疏浚清淤，就是把底泥搬运到其他地方进行控制或处理的一种方法，是一种大规模的人为干扰行为，能够比较彻底地去除污染底泥。然而，其工程量大、耗材耗力、处理难度高、底泥达标难，尤其是疏浚产生的大量底泥如何妥善处理是亟待解决的问题。据研究报道,对于污染严重的水体底泥的疏浚运作会促进底泥中重金属离子的释放,可使湖泊生态系统面临潜在的生态风险[11]。刘爱菊等对疏浚前后五里湖沉积物提取液和全底泥沉积物的生态毒性进行了研究与分析。表明疏浚后,尽管沉积物中重金属污染物的含量有显著降低，但铬、铅和镍的含量处在淡水质量基准值TEL-PEL之间的灰色区域,沉积物仍然可能会产生不良的生物效应，底泥疏浚具有导致沉积物生物毒性增加的风险,尤其是整体沉积物毒性[12]。

4 水体底泥土地资源化利用

从上述综述可知，城市水体底泥长期收纳生产、生活废水和路面径流，重金属污染严重。由此，在对城市水体进行湿地景观改造前的底泥处理必须科学化、规范化。将底泥处理与生态修复相结合，促进底泥综合应用。现代疏浚工程包括沉积物的挖、运、放和沉积物的处置的全过程。

4.1 底泥分析及剥离

重金属在土壤剖面中的垂直分布特征是土壤自身理化性质和外界条件影响下重金属迁移和积累的综合反映，也是了解土壤重金属污染程度和修复治理的基础[13]。因此，应建立一套快速的重金属剖面垂直分布分析检测系统，掌握重金属在土壤中的分布模式。底泥在工程清淤疏浚前，运用类似公路建设中的表土剥离技术，对重金属超标的浅层底泥剥离后进行如淋洗法、焚烧法、脱水处理法等物化处理；对较深层次、且重金属含量和土壤背景值接近的底泥可做为工程土方利用于公园基础建设或作为弃土外运，疏浚底泥含水量高，对其运输必须使用密闭封装的专用运输车辆。

4.2 底泥综合利用

采用合理的堆肥方式能有效消灭底泥中的病原菌和微生物，但堆肥对底泥中的重金属没有减量作用。在对城市水体改造治理过程中，水滨带基底改造和绿化带营建工程需要大量的土方，而疏浚出的底泥有机质含量高，弥补了园林土壤贫瘠的不足，促进植物生长，又降低污染物进入食物链的风险性，是城市疏浚底泥资源化的较为理想的出路。同时，应充分考虑渗漏液对地下水的污染因素，对基地进行防渗处理。

4.3 绿化带植物选择

重金属土壤的植物修复是环境治理的热点和前沿领域，它利用超积累植物能从底泥中超量吸收重金属和降解有机物的特性，达到减少底泥中重金属和有机物含量之目的，但目前植物修复的研究还很不完善，因此绿化植物品种的选择也得注重，通过试验监测和对比，进一步了解不同品种植物对污染疏浚底泥的修复情况及机理，选择易吸收、易存储重金属的本土植物营建绿化带。

4.4 实行污水截流、区别对待的排入模式

由于底泥疏浚具有导致沉积物生物毒性增加的风险，由此，改造后的水体必须严格控制污水的排入。目前城市湿地按功能可分为污水处理为主型、防洪蓄洪为主型、水体景观为主型等。对于改造后的水体，首先，对不同类型的水体都要实行污水截流，从源头控制污水的流入；其次，按其功能对截流的污水分别处理，对于污水处理型湿地，要通过实验掌控水力负荷、间歇期等重要参数对处理效果的影响，从而得到最佳运行方式。对其他类别的湿地，排入污水要严格按照“雨污分流、污水处理、达标排放”的原则，污水接入排污管道就近排向的污水处理厂，经过处理后的中水使用专门的管道接入湿地入水口，既补充了湿地生态需水、又利用了湿地的物理、化学、生物等作用深度净化水质。通过工程的实施，将大大减少排入水体的重金属量。

5 讨论

随着城市经济发展迅速、人口增多和工业化进程的加快已经给城市水体带来明显的污染。城市湿地资源的保护与利用形势异常严峻，而城市湿地公园探索出一条满足人类生存和发展基本需求，最大限度地保存了城市湿地，实现人与自然和谐共存的愿望，对城市可持续发展具有非常重要的战略和现实意义。但湿地公园的规划设计是一项复杂、动态和长期的系统工程，针对城市水体底泥疏浚和避免重金属的二次污染，我们建议采取污水截流、疏浚清淤、土地利用等工程和修复技术，并建立快速的重金属分布检测系统，以达到城市水体改造过程中科学化、资源化。短时间内，底泥疏浚清淤能对城市水体的水质改善起到明显作用，但从长远的观点来看，为了使城市水体长期保持良好的水质，更重要的是运用科学的管理手段、利用生态修复技术建立稳定的水体生态系统。

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