干挖法清淤对湖区垸内沟渠地表水环境质量的影响

瞿 畏，龚丽玲，范庆元，刘 辉，杨 楠，陈 宏

（1.长沙环境保护职业技术学院，湖南 长沙 410004；2.长沙理工大学水利工程学院，洞庭湖水环境治理与水生态修复湖南省重点实验室，水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114；3.湖南城市学院建筑与城市规划学院，数字化城乡空间规划关键技术湖南省重点实验室，湖南 益阳，413000）

0 引言

我国中小河道数量众多，河道或沟渠淤积问题日益严峻[1]，亟待解决其淤积和水环境保护的问题。清淤可以减少或去除底泥中藻类、营养物质及有机物，能够减轻底泥通过物理、化学、生物等自然作用向水体释放污染物[2]。中小河道具有河道窄、河水浅、单个断面清淤工作量小等特点，更适宜采用排干清淤技术。排干清淤技术通过干挖、水力冲挖两种方式来进行，其中干挖法使用挖掘机对河床进行清理，用渣土车清运，具有清淤彻底、淤泥含水率低、污泥的后续处理简单等优点，已在我国湖区垸内沟渠清淤工程中广泛使用[3]。

近年来国内外对河道或湖库清淤研究与应用受到普遍重视。清淤会影响沉积物-水界面的扩散通量及其上覆水质，通常在短期内能够较好改善湖泊水质，但长期改善效果有待深入分析[4]。研究表明，清淤对表层水的pH值、溶解氧和温度指标的影响较小[2，3]。然而，当前关于干挖法清淤对湖区垸内沟渠水环境质量的影响研究报道较少。本研究针对洞庭湖区南汉垸内沟渠采用干挖法清淤后的水质变化，通过现场调研和取样分析，考察清淤对沟渠水环境容量的影响以便进行水体富营养化评价，为中小河道清淤治理及水环境保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域与样品采集

研究区域位于北纬 29°03′42″～29°13′12″，东经112°11′40″～112°18′45″，属于洞庭湖区，以农田灌溉、种植业、防洪防涝以及养殖业为主要生产方式，沟渠主要承担了垸内灌溉和排水的功能；每年4～6月开闸进水导致沟渠流速和流量增大，10月～次年2月均为枯水期。目前该区域缺少水环境容量等资料，因此采用对比清淤前后水质指标变化来研究水环境容量总量及其变化。

表1 采样点特征

配合实际沟渠清淤工程实施进度开展现场调研并采集各沟渠上覆水样品。研究样点分两组，一组为刚疏浚完成的沟渠，一组为疏浚完成1～5年后的沟渠（每年取样两个点），通过比较两组不同清淤时间的沟渠水环境质量来分析比较清淤的效果，具体见表1（S5-Q～S8-Q与S5-H～S8-H分别表示采样点S5～S8清淤前与清淤后）。分别使用便携式溶解氧仪（JPBJ-608）、塞氏盘（SD20）、便携式流速仪（Vectrino+）现场测定 DO（溶解氧）、SD（透明度）和流速；采集5组平行样于4℃样品箱中保存，另取1L水样于棕色玻璃瓶中加2ml碳酸镁悬浮液固定叶绿素a，并在24小时内送检分析[4]。

1.2 分析方法

参照《水和废水监测分析方法（第四版）（增补版）》测定氨氮（NH4+-N）、溶解性总氮（TSN）、硝氮（NO3--N）、总氮（TN）、总磷（TN）、高锰酸盐指数（CODMn）；参照《环境技术规范（第四册）》测定叶绿素a（chla）。

地表水环境容量计算选用洞庭湖常超标因子（CODMn、TN、TP），其水质目标为Ⅲ类，假定沟渠流入、流出流量大致相等[5]。以最大平均流量为主要参数，采用以湖水滞留时间等为参数的营养物质负荷模型计算典型沟渠的营养物质水环境容量[5]：

式中，Ws为营养物质水环境容量（t/a）；Cs为水质标准；Q为流出沟渠流量（m3/s）；t为沟渠水体滞留时间（月）。

借鉴《湖泊（水库）富营养化评价方法及分级技术规定》中的综合营养状态指数（∑TLI）方法评价TN、TP、CODMn、chla和 SD 等营养状态：

式中，∑TLI综合营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI（j）为第j种参数的营养状态指数。

以chla为基准参数，第j种参数的归一化的相关权重计算公式：

式中，rij为第j种参数与基准参数chla的相关系数；m为评价参数的个数；

中国湖泊（水库）的chla与其他参数之间的相关关系rij、rij2、Wj、营养状态指数计算公式以及营养状态分级参照《湖泊富营养化评价方法及分级标准》[4，5]。

2 结果与讨论

2.1 沟渠清淤对沟渠地表水质的影响

由图1可知，农田灌溉区沟渠清淤后水中溶解氧含量和透明度随清淤时间先呈递减趋势后基本持平，而叶绿素a含量呈持续递增趋势。叶绿素a的平均含量从清淤完成1个月后的3.75mg/L增加到第5年的15.30mg/L。由于农田灌溉、人类生产活动等产生大量氮、磷污染物排入沟渠，严重影响了沟渠水质状况。清淤后溶解氧的平均含量从清淤完成1个月后到第5年逐渐降低，清淤后水体透明度呈不断降低趋势。清淤后高锰酸盐指数随时间呈现上升趋势，其平均值自清淤1个月后到第5年增加了190.0%。

沟渠清淤后地表水的总氮、溶解性总氮、总磷、硝态氮含量随清淤完成时间延长而增大。氨氮含量在清淤完成1个月后为0.92mg/L，满足地表水环境质量标准Ⅲ类（1.00mg/L）；在清淤完成1年以后基本趋于稳定，满足地表水质量标准V类（2.00mg/L）。从清淤完成后1个月到第5年，总氮平均含量从1.89mg/L增加到4.60mg/L，劣于地表水环境质量标准V类；而总磷在不同时间段内均满足地表水环境质量标准IV类（0.4mg/L）。清淤后底泥表层的泥水界面存在扩散、吸附和解吸等过程，影响水体中氮、磷元素再次分配。当外源输入不断积累以后，内源释放逐渐主导了水体氮磷含量的变化。清淤对沟渠水体磷营养盐的影响要大于氮营养盐，而氮营养盐在水体中含量高。

图1 沟渠清淤后水质因子年际变化规律（-H表示清淤后）

由表2可知，叶绿素a与氮、磷含量均无明显相关性，与高锰酸盐指数显著正相关，与溶解氧极显著负相关，可能与研究区域水体污染物的不同来源和性质相关。清淤后沟渠上覆水中总氮、氨氮、硝氮、总磷均显著相关，而沟渠水体中氮、磷呈现相似变化趋势，主要受研究区域污染物来源的影响。清淤区域功能主要为农田灌溉，沟渠接纳来自农田灌溉时流失的大量氮、磷肥料，加剧沟渠水体氮磷负荷。综上，采用干挖法清淤后沟渠地表水质随清淤完成时间增加，水质变差；存在外源污染时清淤后时间延长，加剧沟渠水质恶化。

表2 沟渠清淤后水质因子间相关性分析（Pearson，N=9）

2.2 清淤对典型沟渠地表水环境容量的影响

以莲子港电排渠a、b段为例，沟渠清淤前后水环境容量变化如表3所示。清淤完成1个月后，垸内沟渠地表水的环境容量（高锰酸盐指数）由13.99 t/m快速上升到38.88 t/m。干挖法清淤显著增加了营养盐的水环境容量，清淤后总氮水环境容量是清淤前的2.8倍，总磷水环境容量是清淤前的2.7倍。

表3 沟渠清淤前后CODMn、TN、TP的水环境容量变化（莲子港电排渠）

莲子港电排渠位于人类活动密集区，由于人类生产和生活活动，严重影响了沟渠内的流量、流速和水位；此外，由于存在生活排污口与鸡鸭养殖场，增加了沟渠的污染负荷；冬季沟渠进入枯水期，沟渠流量和流速均减小，水体稀释自净能力减弱，水体纳污能力降低。沟渠清淤后引入垸内外河水，可以增大沟渠引水量，增强沟渠流通性，提高水体纳污能力；而且有利于增大沟渠的过水断面面积，改善水力条件。枯水期的沟渠清淤主要通过增加河道断面面积和增大流速来增大沟渠的水环境容量。由于水文资料缺乏并假定了沟渠流入流出流量相等，未考虑研究区域的排污方式、污染源和泥沙淤积等因素，可能导致计算所得水环境容量大于实际水环境容量。

2.3 沟渠清淤对沟渠内地表水体富营养化水平的影响

采用综合营养状态指数法（∑TLI）评价水体富营养化水平如图2所示。清淤前S1～S4点位处鸡鸭、生猪、鱼类养殖及居民生活排污区域，均达到重度富营养化水平，主要受外源输入和冬季沟渠的稀释自净能力的影响[6]。其中生猪养殖厂S4的∑TLI最高，达95.92；与鸡鸭、鱼类养殖区和生活排污口的∑TLI差距悬殊，农田灌溉区∑TLI相差较小。清淤完成1个月后，沟渠∑TLI降低到50以下，属中营养状态。但是随着清淤完成时间的延长，∑TLI呈现增大趋势，清淤后沟渠总体处于中营养、轻度和中度富营养状态。受清淤完成时间外源污染输入的影响，沟渠水体中容纳的氮磷的量逐渐增多，叶绿素a含量不断升高（表4），沟渠富营养化水平不断升高。

图2 清淤前后富营养化评价结果分布图（-Q表示清淤前、-H表示清淤后）

水体富营养化是一个复杂的环境生态过程，涉及多种因子与指标。叶绿素a与高锰酸盐指数显著相关（表3），表明垸内沟渠的有机污染物对水体的富营养化有显著贡献；高锰酸盐指数与总氮极显著相关，表明两者污染物可能存在共同的来源。叶绿素a与氮的相关性大于磷，说明氮污染物为南汉垸沟渠重要营养盐因子之一。生猪养殖区域∑TLI达95.92，高于其他鸡鸭、鱼类养殖和生活排污口（图2）。因为畜禽养殖废弃物以粪便、尿液以及冲洗水为主，含有丰富的氮元素，猪尿中氨氮浓度高[5]。因此，控制地表水富营养化问题的关键是控制氮磷污染物的排放。

影响南汉垸沟渠地表水富营养化评价的参数众多，清淤完成时间越久，各参数的营养状态指数不断增加，∑TLI不断增大，富营养化问题越严重（表4）。采用干挖法清淤后第5年，∑TLI仍呈上升趋势，甚至可达到重度富营养化程度（图2），因此应及时采取工程措施控制富营养化的恶化。清淤时对沟渠周边生态环境影响较大，如何将清淤与周边生态重建相结合是未来中小河道治理过程中的重要问题[1，3]。综上，南汉垸内沟渠水体富营养化的主要原因与外源氮磷和有机污染物的输入有关，清淤对于控制沟渠内地表水环境富营养化具有重要作用，但是随着清淤完成时间延长地表水质变差，因此需要严格监测和控源限排，定期开展湖区垸内沟渠清淤工程。同时，由于沟渠水流特性与河湖存在显著差异，当前缺乏有效的研究方法；本研究采用的水环境容量计算方法及∑TLI指标，对于准确分析干挖法清淤对湖区垸内沟渠地表水环境质量的影响仍需要进一步研究。

表4 清淤对水体富营养化水平的影响（-Q表示清淤前、-H表示清淤后）

3 结论

（1）干挖法清淤可以改善沟渠地表水环境质量和增大了水环境容量，但是随着清淤完成时间延长水质逐渐变差并出现水体富营养化问题。

（2）南汉垸内农业面源与养殖排污的外源输入是沟渠清淤完成后水环境质量恶化的主要原因，需要开展严格监测、控源限排并定期进行清淤工程才能得以有效解决。