河道生态疏浚深度优化研究

黄宏+王芳+霍飘逸+吴若桢+张旭畅+陈奕玮+商栩

摘 要：生态疏浚是治理污染河流和湖泊内源污染的有效手段。疏浚深度则是生态疏浚的重要参数，但是目前尚无确定生态疏浚深度的成熟技术和规范。本文以温瑞塘河舜岙河段为研究区域，通过室内实验开展生态调水背景下生态疏浚深度优化研究。结果发现，该河段TN和TP的环境本底值分别为5.13±0.96 mg L-1和0.15±0.01 mg L-1，研究河段最佳的生态疏浚深度约为5cm。在将表层泥层疏浚的基础上，结合生态调水和外援污染控制，才能实现水质的根本性改善。

关键词：生态疏浚；深度；优化；调水；温瑞塘河

中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）10-0007-02

底泥是陆源性水体污染物的主要蓄积场所，是河流湖泊等水体的内源污染，是影响河流水质的重要二次污染源[1]。随着外源污染逐步得到有效控制，内源污染已成为影响上覆水体水质的重要因素[1-2]。有效控制底泥内源污染将是未来河流湖泊污染治理的主要战场之一[3-4]。目前，国内外河流湖泊内源污染治理手段主要包括工程疏浚、生态疏浚、原位固化等[5-7]。

生态疏浚，又被称为“环保疏浚”，已被公认为是控制河流湖泊内源污染的有效手段[8-12]。与传统的工程疏浚不同，生态疏浚主要通过绞吸等低影响方式将污染程度和风险较高的表层沉积物移除，要求在控制河流湖泊内源污染的同时，尽可能减少对河流湖泊生态系统的破坏。因此，疏浚深度的确定是生态疏浚的关键参数[13]。疏浚深度过浅，则不能充分去除污染物含量大和生态风险高的表层沉积物，不能有效控制内源污染；疏浚深度过深，则增加工程造价和淤泥处置压力，对水生态系统造成更大的破坏，影响后期的生态恢复。普遍认为，应该通过分析疏浚所要控制的目标污染物随底泥深度的剖面变化特征和环境风险，结合不同疏浚层的污染物可能释放强度来确定环保疏浚深度[14]。

浙江是我国典型平原河网地区，河流流速缓慢、容易淤积，由于工业发达和高城市化率，内源污染极其严重。为此，浙江省2016年“五水共治”的工作重点之一，就是全面打响清淤治污歼灭战，以杭嘉湖、宁绍、温黄、温瑞平原河网清淤为重点，清淤计划达10100万立方米。但是，现有清淤模式注重于清淤的“量”，对疏浚产生的大量淤泥仍无有效的无害化处置和资源化利用途径，对疏浚导致的生态风险考虑不足。此外，现有模拟疏浚研究主要针对湖泊，关于河流生态疏浚深度的研究仍然比较少，对生态调水背景下疏浚后水土界面污染物释放过程的了解仍然很少。为此，本研究以温瑞塘河为研究区域开展生态调水背景下生态疏浚深度优化研究，为“五水共治”提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 样品采集和处理

研究区域位于温瑞塘河流域舜岙河。该河段位于南柳美食街附近，除了受农村生活污水影响，还受餐饮废水影响。由于近年来尚未疏浚，淤积程度较高，是一个理想的研究区域。于2016年9月13日，采用自制的底泥柱状样采集器（内径5cm）采集柱状样。由于淤积程度较高，无法分为污染层、污染过渡上层、污染过渡下层和正常泥层。因此，用等距离方法，以5cm为距离，从表层到底層割取0-5cm、5-10cm、10-15cm和15-20cm共4个泥层。

1.2 原水培养实验设计

分别将各泥层转入量筒（内径5cm、容积为500mL），制成实验装置，每个装置设置2个平行。沿量筒壁缓慢注入河道原水达到500mL刻度。中途不换水，实验周期与实验组相同，实验周期结束后测定对照组最终的相关水质参数。

1.3 模拟换水培养实验设计

分别将各泥层转入量筒（内径5cm、容积为500mL），制成实验装置，每个装置设置2个平行。沿量筒壁缓慢注入自来水达到500mL刻度。因温瑞塘河流域生态调水水源来自珊溪水源地（为自来水），本研究以自来水模拟生态调水水源。每隔3天换水一次，总共换水5次。每次移出的旧水用于测定相关水质参数，观测每次换水时每个土层上覆水污染物浓度。

1.4 水质测定

在采集底泥柱状样时进行地表水水质监测。水样用聚乙烯瓶收集，滴加固定液后放入便携式冷藏箱保存，带回实验室后分析。水样总氮（TN）和总磷（TP）的分析方法分别为碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法和钼酸铵分光光度法。

2 结果

2.1 原水培养实验结果

在采集柱状样时，采样点上覆水TN和TP浓度分别是6.69mg L-1和0.46mg L-1。按照《地表水环境质量标准（BG 3838-2002）》，该河段原水TP浓度为劣V类水质。由于《地表水环境质量标准（BG 3838-2002）》并未给河流TN浓度分级分类，因而无法评价。经过16天的室内原水培养后，各泥层上覆水TN和TP浓度详见表1。由表1可见，不同泥层TN和TP浓度范围分别为4.46-6.50mg L-1和0.13-0.15mg L-1，平均值±标准差分别为5.13±0.96mg L-1和0.15±0.01mg L-1，变异系数分别为18.7%和6.9%。由于变异系数都很小，说明原水培养后各泥层上覆水TN和TP的浓度的差异非常小。以平均值跟原水相比，TN和TP浓度下降率分别为23.3%和67.4%，各泥层TP浓度符合III类水质。

2.2 换水培养实验结果

通过换水培养实验，模拟生态调水对水质的改善作用。经检测，自来水水TN和TP浓度分别是1.09mg L-1和0.10 mg L-1。按照《地表水环境质量标准（BG 3838-2002）》，自来水TP浓度均符合II类水质。在模拟换水培养实验中，先后经历了5次换水。不同泥层上覆水模拟换水培养上覆水TN和TP浓度的动态变化见图1。由图1可见，不同泥层上覆水TN的浓度都具有随着换水次数的增加降低的趋势，在第3次换水以后TN浓度都稳定在2.00mg L-1以下，在第5次换水以后TN浓度都稳定在1.50mg L-1以下。不同泥层上覆水TP的浓度也都具有随着换水次数的增加降低的趋势，在第5次换水以后，除了0-5cm泥层，其余泥层TP浓度都在0.10 mg L-1以下，符合II类水质（图1）。

3 讨论

3.1 环境本底值及其意义

在天然河道中，水体污染物的浓度受内源和外源污染的影响，也受土水界面污染物吸附/解吸附的影响[3]。在室内原水培养实验中，因切断了外源污染，水体污染物的浓度则主要取决于内源污染和土水界面污染物的吸附/解吸附。从这个角度考虑，室内原水培养后的最终污染程度，在很大程度上体现了该河段水体的背景污染水平。受此启发，我们发现TN和TP的最终浓度可以代表该河段“环境本底值”。以各泥层上覆水TN和TP浓度平均值为准，该河段TN和TP的环境本底值分别为5.13±0.96mg L-1和0.15±0.01mg L-1，TP的环境本底值符合III类水质（表1）。

明确河段水体污染物环境本底值具有重要的实际意义。当前，随着“五水共治”的不断推进，温瑞塘河流域加大了环境污染整治力度，但是由于城中村和农村截污纳管工作的推进困难重重，导致外源污染难以彻底控制，加之环境本底值本身并不低，导致水环境质量仍然难以实现根本性改善。这也是温瑞塘河流域大部分水质监测断面仍然属于劣V类水质的重要原因之一。为此，我们建议，对于流域水质的改善程度，在短期内不应该以“消除劣V类”为考核指标，而更应该在明确环境本底值的基础上，以“接近环境本底值的程度”为考核指标。

3.2 生态疏浚深度的优化

室内原水培养实验结果表明，在切断外援污染的前提下，如果不进行生态调水，各泥层TN和TP的最终浓度仍然处于较高水平。实际上，外源污染的彻底截断是不现实的，因而时至今日温瑞塘河流域大部分水质监测断面仍未劣V类水质，而超标的水质参数恰恰就是TP为主。可见，许多流域，特别是平原河网，不仅需要生态调水，还需要生态疏浚。

在换水培养实验中，我们用自来水模拟生态调水水源，观测各个泥层上覆水水质的动态变化。因切断了外源污染，水体污染物的浓度则主要取决于换水次数和土水界面污染物的吸附/解吸附。对于不同泥层，虽然上覆水TN浓度的动态变化曲线比较接近，但是也比较清晰地显示出泥层深度越深上覆水TN浓度越低（图1）。TP浓度的动态变化清晰地显示，0-5cm泥层的上覆水TP浓度明显高于其余泥层。以往很多类似研究也表明，表层泥层是生态疏浚的首要目标（图1）。一旦将表层泥层疏浚，结合生态调水和外援污染控制，才能真正实现水质的根本性改善[15]。综上所述，对于温瑞塘河流域的該研究河段，最佳的生态疏浚深度约为5cm。

4 结语

以温瑞塘河舜岙河段为研究区域，通过室内原水培养实验和模拟换水实验，首次开展生态调水背景下生态疏浚深度优化研究。通过原水培养实验，发现该河段TN和TP的环境本底值分别为5.13±0.96mg L-1和0.15±0.01mg L-1。流域水质的改善程度，应该在明确环境本底值的基础上，以“接近环境本底值的程度”为考核指标。对于温瑞塘河流域的该研究河段，最佳的生态疏浚深度约为5cm。要真正实现水质的根本性改善，不仅要进行生态疏浚，还要结合生态调水和外援污染控制，任重道远。

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