流域综合治理工程中河道底泥清淤深度的确定

阮超超

（福建省水利水电工程局有限公司，福建 泉州 362000）

0 引 言

随着人们环境保护意识的不断增强，地方政府所主导的流域治理工程数量持续增多，根据已有经验，清淤深度是影响河道清淤效果的主要参数之一。疏浚深度过小，则无法起到底泥污染物去除及河道有效治理的效果；疏浚深度过大，则会增大河道底部生态修复的难度，甚至影响岸坡稳定。学术界对河道底泥清淤深度也展开大量研究，但是国内外仍缺乏环保疏浚深度方面的技术规范和标准。目前国内流行较为广泛的观点是，应当通过河道疏浚拟要控制的目标污染物随底泥深度的剖面变化特征及环境风险，确定底泥清淤深度。为此，文章依托具体的河道治理工程，分析河道底泥中重金属总量及有效态含量在垂直向的分布特征，通过累计指数法评估不同深度底泥中重金属累积性特征，并最终确定出河道底泥清淤深度。

1 工程区概况

海盐县古荡河流域（城东片区）三期综合治理工程位于海盐县武原街道城东片区内，主要工程量为6 条河道整治，整治段总长度7.60km，河道清淤5.355km，水系连通2.245km，建设生态堤岸15.20km 等。城东片区是整个流域水质污染最为严重、水质恶化速率最快的区域之一，底泥污染严重，是流域综合治理的重点难点。古荡河流域地处海盐县内，位于太湖流域南部地带，北亚热带南缘，属于典型的东亚季风气候，温和湿润，四季分明，日照充足，热量丰富，降水充沛，有霜期短。

2 底泥性质检测

2.1 样品采集

2021 年3 月对流域综合治理工程城东片区河道表层底泥展开采样，并对底泥中重金属含量展开检测分析，结合重金属水平分布特征，确定出片区内底泥重金属污染的典型区域；针对该区域展开密集采样，具体使用内外径分别为61.8cm 和65cm 的内嵌管薄壁取样器采集底泥样品，并进行河道重金属污染底泥清淤深度计算。

借鉴相应研究成果及《疏浚岩土分类标准》相关规定，根据河道疏浚底泥的颜色、气味、含水量、性状等特征，可将其由上至下分成氧化层、污染层、过渡上层和过渡下层、湖泥层。海盐县古荡河流域（城东片区）三期综合治理河道底泥分层特征详见表1。将采集到的底泥样品现场分割后装入聚乙烯封口袋内密封冷冻保存，达到干燥度要求过100 目 筛后保存备用。

表1 河道底泥分层特征汇总

2.2 试验方法

称取试样0.4g 加入聚四氟乙烯坩埚，并通过HCl-HNO3-HF-HclO4电热板加热法消解样品，为保证试样性能稳定，应控制消解温度及时间，若温度过高或消解时间较短，则试样更容易蒸干，水分散失较快，测定结果偏低；反之则反是[1]。再将消解液移放置50mL 聚乙烯容量瓶内冷却并定容后，静置在冷藏箱内备用。依次通过石墨炉原子吸收分光光度计和火焰原子吸收分光光度法展开河道底泥试样重金属总量测定。

为更加准确反映河道清淤底泥重金属对水体二次污染的生物有效性，还必须通过TCLP 浸出试验进行底泥中重金属有效态含量测定[2]。

采用BCR三步连续提取技术展开河道清淤底泥中重金属形态分析。具体步骤如下：①称取试样1.0g加入100mL离心管内，再加入40mL的浓度0.1mol/L醋酸，并在(22±5)℃的恒温状态下不间断振荡16h，按照3000r/min的转速持续离心20min。将离心管内表层上清液取至50mL比色管内，再将10mL纯水加入剩余残渣中，充分混合后按照3000r/min的转速持续离心20min，将提前分离出去的上清液再次加入离心管中，并摇匀。②在以上过程中得到的残渣内掺加40mL的浓度为0.5mol/L的HN2OH·HCl，在22℃±5℃的恒温状态下不间断振荡16h，按照3000r/min的转速持续离心20min。将离心管内表层上清液取至50mL比色管内，再将10mL纯水加入剩余残渣中，充分混合后按照3000r/min的转速持续离心20min，将提前分离出去的上清液再次加入离心管中，加水至刻度后摇匀。③在上一步所得到的残渣内掺加10mL的H2O2，拌匀后在常温下静置60min，再加热至90℃后掺入10mL的H2O2，按照同样要求拌匀、静置、加热后掺入40mL的浓度为1.0mol/L的醋酸铵，持续振荡后按照相同频率离心，将上清液转移至50mL比色管内，加水稀释后摇匀。

通过Agilent ICP-MS 7500 测定河道底泥试样重金属总量和不同形态含量，该仪器工作参数详见表2。在使用仪器测样前必须通过调谐液和内标溶液调谐仪器，确保信号稳定性及仪器灵敏度；还应对试样内待测重金属展开加标回收试验，以检测数据有效性，将加标回收率控制在94~110%范围内。数据处理通过SPSS22.0 和Excel 软件，图形则通过Origin8.0 和ArcGIS10.8 绘制。

表2 Agilent ICP-MS 7500 工作参数

2.3 底泥重金属分布

通过以上试验对该治理河道清淤底泥试样中主要重金属含量展开测定，根据重金属具体分布情况，该河道内表层底泥重金属分布呈现出明显的区域特征，其中Zn、Cu、Ni、Cr 等重金属主要分布在河道南侧紧邻杭州湾处河道，Pb 则集中分布在西侧靠近盐平塘的入河口处，Cd 及Hg 则集中分布在河道海塘支线侧。根据含量及水平空间分布范围，该河道表层底泥内Cd 为主要污染重金属，故将Cd含量较高的区域确定为海盐县古荡河流域（城东片区）三期综合治理河道代表性研究区域。

2.3.1 重金属总量垂直分布

通过分析河道治理工程清淤底泥重金属总量，可以为河道水环境污染程度评价提供指导，也能披露河道底泥重金属富集及底泥重金属污染程度信息。对海盐县古荡河流域（城东片区）三期综合治理河道受重金属污染的典型区域1~7 号采样点柱状底泥内几种主要重金属总量垂直分布展开分析，分析结果，河道内底泥中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb 等重金属总量随取样深度的垂直变化取值基本一致，均整体下降。其中以上重金属总量在底泥氧化层、污染层、过渡层内波动较大，并均随取样深度的增大而呈减小趋势；而在湖泥层，重金属含量基本稳定，随取样深度的增大变化较小；该治理河道清淤底泥中Zn、Pb、Cr、Ni、Cu、As、Cd、Hg 等几种主要重金属含量依次为35.10~125.29mg/kg、45.12~91.74 mg/kg、32.14~76.88mg/kg、21.59~42.38mg/kg、16.23~42.67mg/kg、6.34~13.24mg/kg、0.18~0.96 mg/kg、0.02~0.19mg/kg。该河道清淤底泥中污染最为严重的两个分层是氧化层和污染层，其重金属含量均高出处其余分层，例如，氧化层和污染层内Zn 含量是湖泥层的3.0 倍和2.4 倍；氧化层和污染层内Pb 含量是湖泥层1.6 倍和1.8 倍，氧化层中的Cr、Ni、Cu、As、Cd、Hg 重金属含量依次为湖泥层的4.0 倍、1.5 倍、2.0 倍、1.8 倍、2.1倍和8.4 倍，污染层中的Cr、Ni、Cu、As、Cd、Hg重金属含量依次为湖泥层的1.8倍、1.4倍、2.0倍、1.2 倍、3.5 倍和2.9 倍。

此外，通过对该河道底泥内所集中的主要重金属总量垂直分布的分析还看出，河道底泥内重金属存在累积效应，特别是氧化层和污染层内重金属含量均高于其余分层，累积效应更为突出。通过分析原因发现，河岸边遭受重金属污染的土壤在雨水冲刷下流入河道，人类活动所排放的高重金属含量污染物未经处理直接进入水体，在经过复杂的物化反映后最终沉积于河道底泥，加剧河道底泥重金属污染。

2.3.2 生物可利用重金属垂直分布

通过分析重金属形态，可以对该清淤河道底泥中重金属潜在的迁移特征、生态毒性及生物有效性展开深入研究。河道底泥内铁锰氧化物结合态、有机质与硫化物结合态、碳酸盐结合态等均属于可提取态，具备生物可利用属性[3]。因河道底泥试样内Hg 含量低出仪器检测限，故只测定其余主要重金属离子的铁锰氧化物结合态、有机质与硫化物结合态、碳酸盐结合态，并根据三种形态测定结果分析该属性随取样深度的垂直变化情况。

根据分析结果，该河道底泥生物可利用重金属垂直分布趋势与重金属总量垂直分布基本一致。其中，生物可利用Cd 和Zn 重金属含量随取样深度增大而变幅较大，氧化层和污染层内生物可利用Cd含量依次为0.95mg/kg 和0.79mg/kg，为湖泥层生物可利用Cd 含量的14.21 倍和11.34 倍；氧化层和污染层内生物可利用Zn 含量依次为118.98mg/kg 和93.52mg/kg，为湖泥层生物可利用Zn 含量的18.64倍和12.68 倍；氧化层和污染层内其余几种生物可利用典型重金属含量均高出湖泥层。

3 底泥清淤深度确定

结合对该河道7 处采样点底泥内典型重金属含量垂直分布情况的分析，随着取样深度的增大，重金属总量呈降低趋势；而采样点1~7 在水下1.0~1.5m 深度时底泥中重金属含量基本稳定，故应将该河道底泥清淤深度确定在1.0~1.5m。

文章基于河道底泥中重金属累积指数评价结果，应用临界累积深度测算公式[4]，进行河道环保清淤深度确定，公式如下：

式中：hmax为河道底泥清淤深度，cm；为第i种重金属累积深度临界值，cm；n为重金属种数；(h)为河道底泥深度为h时的第i种重金属累积指数；C0为累积控制等级。

依据该河道断面测绘资料及所在流域运行水位，通过HEC-RAS 水面线计算程序推求20a 一遇洪峰流量水面线，结合河道底部的水利疏浚深度以及式（1）推求不同桩号段河道底泥清淤深度，结果具体见表3。通过以上对重金属总量垂直分布及生物可利用重金属垂直分布结果，并结合河道水面线及清淤疏浚深度的分析，在外界条件适宜的情况下，该河道氧化层、污染层、过渡层内重金属释放的可能性较大，清淤时必须重点考虑。

表3 河道水面线及清淤疏浚深度

4 结 论

综上所述，海盐县古荡河流域（城东片区）三期综合治理河道底泥内重金属污染较为严重，表层底泥中Zn、Pb、Cr、Ni、Cu、As、Cd、Hg 等几种主要重金属含量较高，根据对重金属总量垂直分布情况的分析，重金属总量随底泥深度的增大而整体呈下降趋势。基于河道底泥中重金属累积程度评价结果构建起河道环保清淤底泥开挖深度计算公式，根据计算结果，河道内重金属污染底泥清淤深度推荐值为-0.02~-0.95m。文章的分析可作为河道治理工程底泥清淤深度确定的一般性工作流程，即在勘察检测基础上确定出清淤范围及大致深度，通过取样明确河道底泥重金属污染程度以及清淤深度，指导河道底泥清淤施工。