武汉市东湖底泥污染风险评估及精细化清淤研究

张枫 桂梓玲

收稿日期：2023-11-13；接受日期：2024-01-26

基金项目：湖北省重点研发计划项目“湖北典型城市湖泊水生态保护修复关键技术研究及示范”（2020BCA073）；中国工程院战略研究与咨询项目（2023-DFZD-44）；湖北省科技创新人才计划科技人才服务企业项目（2023DJC137）

作者简介：张  枫，女，高级工程师，硕士，主要从事水环境综合治理相关设计研究工作。E-mail：zhangfeng3@cjwsjy.com.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号：1001-4179（2024） 06-0045-08

引用本文：张枫，桂梓玲.

武汉市东湖底泥污染风险评估及精细化清淤研究

［J］.人民长江，2024，55（6）：45-52.

摘要：城市浅水湖泊泥-水界面营养物质交换强烈且频繁，底泥污染释放对上覆水体影响显著，是浅水湖泊污染的主要途径之一。以武汉市东湖为例，采用氮磷综合污染指数法和静态释放试验方法，评估底泥污染风险，并综合考虑清淤工艺及水生植物分布等因素，精确确定清淤范围及厚度。结果表明：东湖底泥总氮和有机质含量分布具有较高的协同性，总磷与有机质含量之间呈弱相关；东湖上、中、下层底泥氮磷综合污染指数分别为0.85～11.39，0.52～7.40和0.49～6.33，大部分区域处于轻度污染—重度污染范围；东湖清淤深度以29.04～110 cm为宜。研究成果可为东湖水环境综合治理及类似城市浅水湖泊治理提供理论依据和技术支撑。

关  键  词：浅水湖泊； 内源污染； 底泥污染物； 释放速率； 清淤； 综合污染指数法； 静态释放试验； 东湖； 武汉市

中图法分类号： X524

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.007

0  引 言

湖泊底泥是湖泊生态系统的重要组成部分，外源污染物入湖后沉淀、蓄积到底泥中，转化成巨大的内源潜力，直接并长期影响湖泊营养化程度［1-4］。对于浅水湖泊，单位水体具有更大的泥-水接触面积，泥-水界面能够进行强烈和频繁的营养物质交换，底泥污染释放对上覆水体影响更为显著，是浅水湖泊污染的主要途径之一［5-8］。目前，相关学者对大型淡水湖泊的底泥污染特性及释放机理进行了大量研究，如袁旭音［9］、侯豪［10］、胡开明［11］、Yin［12］等研究了太湖底泥富营养化特征及污染释放量；汪家权［13］、张沐［14］、孙亚敏［15］、王永华［16］、钱贞兵［17］等研究了巢湖底泥污染物释放情况。但是，对于城市中小型浅水湖泊的底泥污染及风险评估研究较少，尤其是缺少理论研究成果与工程实践的有效衔接。

东湖位于武汉市东南部，是武汉市第二大市内湖，地理位置介于东经114°19′～114°31′，北纬30°28′～30°37′之间，南北最大纵距17 km，东西最大横距18 km，流域总面积为128.74 km2，水域面积约 33 km2，平均水深2.4 m，为中型城市浅水湖泊。相关研究表明，东湖底泥污染物释放对NH3-N、TN和TP入湖污染物负荷的贡献比例分别为35.1%，32.2%及26.3%［18］。底泥污染已成为影响东湖不容忽视的重要污染源之一，严重制约着东湖水质的进一步提升。本文以东湖为例，采用氮磷综合污染指数法和静态释放试验两种方法，进行底泥污染风险评价，在此基础上制定精细化清淤方案，为东湖水环境综合治理及类似城市浅水湖泊治理提供理论依据和技术支撑。

1  材料和方法

1.1  底泥沉积物采样及检测方法

依据《湖泊河流环保疏浚工程技术指南（试行）》［19］要求，按500 m×500 m的网格进行布点，局部排水口或疑似污染区进行了加密，共设344个底泥沉积物采样点（图1）。采样时间为2019年8～9月，使用开启式柱状底泥采样器分层采集底泥样品，底泥质厚度测量与采样同时进行，根据各点采样管底泥深度、表观性状以及HJ/T 166-2004《土壤环境监测技术规范》［20］的要求，将柱状样底泥自上而下分为若干层，从中选取3层有代表性的底泥进行封装和低温避光保存。

底泥沉积物样品中含水率、有机质、总磷、总氮含量分别采用CJ/T 221-2005《城市污水处理厂污泥检验方法》［21］中重量法、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法和氢氧化钠熔融后钼锑抗分光光度法检测。

1.2  底泥静态释放试验采样及检测方法

为了模拟静水条件下湖泊底泥氮磷释放过程，采集38个柱状样进行静态释放试验，采样时间为2019年12月，采样点分布见图1。

每个采样点分为上、中、下3组，分别对应污染层、过渡层、安全层，保证底泥样品在原状土状态放入试验装置内，在不扰动底泥的情况下沿着装置边壁缓慢加入试验水体。本次试验水体温度为20 ℃，底泥静态释放试验温度条件稳定。

由于静态试验中沉积物-水的物质交换速率较低，每个试验组试验时间为3.5 d（96 h）。每个试验组的水样需采集10次，即分别在试验开始后0，4，8，12，24，36，48，60，72，96 h取距底泥样品5～8 cm处水体作为水样，采用钼酸铵分光光度法和碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法分别检测水样的总磷和氨氮。

2  结果与分析

2.1  底泥污染物的理化性质及分布特征

2.1.1  底泥厚度

东湖底泥厚度分布状况见图2，底泥总厚度36～246 cm，平均厚度113.7 cm。

根据污染程度，将东湖底泥划分为上、中、下3层分析其分布特征。上层为污染层，颜色深黑—灰黑色，略有臭味，厚度20～80 cm，平均厚36 cm;中层为污染过渡层，呈深灰色，带腥味，见草叶和植物根系等，厚度20～70 cm，平均厚39 cm；下层为正常湖泥层，呈土黄色，带腥味，呈块状，厚度20～50 cm，平均厚32 cm。

2.1.2  底泥含水率

东湖底泥各层含水率平面分布详见图3。上层底泥中含水量范围为26.29%～85.29%，平均值为59.92%；中层底泥中含水量范围为25.22% ～76.04%，平均值为52.06%；下层底泥中含水量范围为23.73%～73.99%，平均值为43.40%。随深度的增加，底泥压实程度逐渐增强，孔隙率逐渐减小，呈现含水率随着深度增加而逐渐减小的趋势。

2.1.3  底泥污染物分布特征

东湖底泥各层有机质、总氮和总磷含量统计结果详见表1。由表1可知，底泥有机质、总氮、总磷含量均随着深度增加逐渐降低，上层污染物富集程度明显高于中下层；上层到中层污染物含量降低速度较快，中层到下层变化不大。

东湖底泥各层有机质、总氮和总磷含量平面分布详见图3。由图3可知：

（1） 上、中、下层底泥有机质含量分别为0.86%～7.21%、0.42%～6.70%和0.17%～6.78%，上层有机质含量均值空间分布差异性较为显著，中、下层底泥有机质含量均值变化不大。团湖、天鹅湖和郭郑湖有机质含量较高，各子湖有机质含量均值由高到低依次为：团湖＞天鹅湖＞郭郑湖＞筲箕湖＞汤菱湖＞后湖＞喻家湖＞菱角湖＞庙湖＞小潭湖。相关研究表明，底泥有机质一般来源于城市生活污水和水生植物死亡残骸长期累积［19］，郭郑湖、天鹅湖沿线居民点密集，团湖水生植物覆盖率相对较高，与研究结论吻合。

（2） 上、中、下层底泥总氮含量分别为431～4 060，278～3 806 mg/kg和164～3 180 mg/kg，上层空间分布差异性较大，中、下层空间分布差异较小。各子湖总氮含量均值由高到低依次为：后湖＞天鹅湖＞郭郑湖＞喻家湖＞菱角湖＞筲箕湖＞汤菱湖＞团湖＞庙湖＞小潭湖。有机质在底泥中的富集是总氮的主要来源，总氮和有机质的沉积具有较高的协同性［22］，因此，有机质含量较高的郭郑湖、天鹅湖总氮含量也较高。

（3） 上、中、下层底泥总磷含量分别为201～7 337 mg/kg、68～4 682 mg/kg和192～4 159 mg/kg，空间分布差异性较大。各子湖总磷含量均值由高到低依次为：菱角湖＞庙湖＞喻家湖＞团湖＞郭郑湖＞汤菱湖＞筲箕湖＞小潭湖＞天鹅湖＞后湖。总磷与有机质之间呈弱相关［22］，外源输入是磷的重要来源，庙湖周边分布有武汉大学、华中师范大学、中国地质大学、武汉体育学院等多个高校，菱角湖沿线有磨山村以及西头村等多个景中村，生活污染入湖量较大；喻家湖有支流湖溪河汇入，湖溪河上游分布有华中科技大学、关东工业园等，生活和工业污染显著，因此，菱角湖、庙湖和喻家湖总磷含量较高。

2.2  底泥污染风险评价

目前，城市河湖底泥污染状况评价的方法主要包括单因子污染指数法、内梅罗污染指数法、有机污染指数法、有机污染综合污染指数法等［23-24］，本文采用氮磷综合污染指数法评价东湖底泥污染状况。

2.2.1  评价方法

综合污染指数法根据公式（1）计算出总氮、总磷的单项污染指数STN、STP，再依据公式（2）计算综合污染指数FF，根据计算结果评价底泥中氮磷污染程度。

计算公式如下：Sj=CjCs

（1）

FF=（F2+F2max）/2

（2）

式中：FF为综合污染指数；Sj为单项评价指数或标准指数；Cj为评价因子j的实测值；Cs为评价因子j的评价标准值；F为STN 和 STP 平均值，Fmax为最大单项污染指数（STN和STP中最大者）。

东湖作为自然湖泊，下层底泥是自然沉积形成，可代表湖泊原始状态下底泥的氮、磷含量情况。本文采用下层底泥的氮、磷平均含量（总氮平均值为1 374 mg/kg，总磷平均值为754 mg/kg）作为底泥氮磷污染评价的标准值。参照类似项目评价标准［22］进行底泥污染程度分级划分，划分标准详见表2。

2.2.2  计算结果

东湖底泥各层氮磷综合污染指数计算结果详见图4，上、中、下层底泥综合污染指数分别为0.85～11.39、0.52～7.40和0.49～6.33，大部分区域处于轻度污染—重度污染范围，其中菱角湖、喻家湖、郭郑湖和团湖污染程度较高。

根据综合污染指数评价结果确定清淤的范围及深度详见图5。由图5可知，根据综合污染指数法确定的东湖清淤深度为0～203 cm，其中，菱角湖、团湖和郭郑湖清淤深度较深。

2.3  静态释放速率试验结果分析

2.3.1  总磷和氨氮的释放速率

（1） 总磷释放速率。以采样点 DH-24（郭郑湖茶港湖叉）为例分析总磷释放速率随时间变化过程。0～8 h释放速率较大，其主要原因是上覆水体

与底泥的总磷存在较大的负向浓度差，另外水体覆盖底泥过程中扰动作用会使部分底泥颗粒再悬浮而将磷元素瞬间释放至水体。8～12 h上覆水总磷迅速下降，这是由于水体中悬浮底泥颗粒沉降会将水体中磷元素挟带至底泥中。12 h之后上覆水体中总磷的浓度均呈现缓慢上升趋势，其原因为该过程中底泥总磷浓度超出平衡浓度，故会在一段时间内将部分磷元素释放进入水体。当静态释放试验 48 h 之后，各层底泥上覆水体中总磷的浓度基本保持小幅度波动，维持在0.037～0.040 mg/L（图6）。

（2） 氨氮释放速率。以DH-05（后湖湖叉）为例分析氨氮浓度变化过程。0～4 h三层试验底泥均向上覆水体中贡献较多的氨氮，其主要原因在于上覆水体与底泥的氨氮存在较大的负向浓度差，另外水体覆盖底泥过程中扰动作用会使部分底泥颗粒再悬浮而将氮元素瞬间释放至水体。8～12 h各层上覆水氨氮迅速下降，这是因为水体中悬浮底泥颗粒沉降会将水体中氮元素挟带至底泥中；随后各层底泥上覆水体中氨氮的浓度基本保持小幅度波动，最终维持在0.301～0.472 mg/L（图7）。

2.3.2  底泥污染物累积释放速率

污染物累积释放速率表示污染物在单位时间内的累积综合释放量，计算公式如下［20-21］：R=MT=ΔmS×T

（3）

Δm=Ci×V-Ci-1×V+Ci-1×Vs

（4）

式中：R为累积释放速率，mg/（m2·d）；M为释放强度，mg/m2；T为试验时刻，d；S为底泥样品与上覆水的接触面积，m2；Δm为相邻两个时间段污染物释放量，mg；Ci、Ci-1为i时、i-1时试验柱上覆水中污染物的浓度，mg/L；V为试验柱中水体体积，L；VS为采集水样的体积，L。

38个采样点氨氮、总磷累积释放速率分层试验结果详见图8～9（剔除数据异常点位），结果表明：（1） 现状水质条件下，上、中、下层底泥氨氮平均释放速率分别为61.85，36.73，6.54 mg/（m2·d）。各层氨氮释放速率均为正值，即底泥向上覆水体释放，且释放速率随深度增加降低。

（2） 现状水质条件下，上、中、下层底泥总磷释放速率分别为1.08，-2.19，-3.64 mg/（m2·d）。仅上层底泥总磷释放速率为正值，即上层底泥总磷向上覆水体释放；中、下层底泥总磷含量较上覆水体低，释放速率呈现负值。

（3） 氨氮释放速率较高的区域位于采样点11～15号附近，即汤菱湖北部和庙湖东南部；总磷释放速率较高的区域位于采样点36号附近，即团湖中东部。

2.3.3  评价结果

对污染物释放速率高于该层平均释放速率的区域进行清淤，自上而下分层判别是否需要清淤，最终确定东湖清淤厚度为0～90 cm，小潭湖、团湖、菱角湖和喻家湖湖叉等区域污染层厚度较大，郭郑湖湖心区域厚度较小。通过38个采样点差值确定的清淤深度结果详见图10。

3  精细化清淤方案制定

精细化清淤方案确定步骤如下：（1） 将氮磷综合污染指数法和静态释放试验结果判别出的清淤深度数据进行栅格叠加，以两种方法计算结果重合区域作为本次清淤范围。

（2） 根据清淤工艺限制，取消污染区厚度小于30 cm区域的清淤，重点对污染层大于30 cm区域清淤。

（3） 保留前期调查的现状水生植物生长区，同时在沿湖岸周边拟进行水生植物种植区域，适当加大清

淤厚度，为水生植物创造良好的生存条件。

综上，东湖清淤深度29.04～110 cm，清淤面积392.42 hm2，清淤总量216.6万m3，清淤范围及深度如图11及表3所示。

4  结 论

本文采用氮磷综合污染指数法和静态释放试验两种方法，评估武汉市东湖底泥污染风险，提出东湖底泥精细化清淤范围和深度建议，为东湖水环境综合治理及类似城市浅水湖泊治理提供理论和实践经验支撑。主要结论如下：（1） 东湖上、中、下层底泥有机质含量平均值分别为4.22%，3.41%和2.69%，上、中、下层底泥总氮含量平均值分别为1 762，1 398，1 374 mg/kg，上、中、下层底泥总磷含量平均值分别为959，851，754 mg/kg。总氮和有机质含量分布具有较高的协同性，总磷与有机质含量之间呈弱相关。

（2） 以下层底泥的氮、磷平均含量（总磷平均值

为754 mg/kg，总氮平均值为1 374 mg/kg）作为底泥氮磷污染评价的标准值，计算东湖上、中、下层底泥氮磷综合污染指数分别为0.85～11.39，0.52～7.40和0.49～6.33，大部分区域处于轻度污染—重度污染范围。

（3） 静态模拟试验中，底泥污染物的释放在第48 h之后达到稳定状态。根据静态释放速率试验结果，东湖污染层厚度为0～90 cm，小潭湖、团湖、菱角湖和喻家湖湖叉等区域污染层厚度较大，郭郑湖湖心区域厚度较小。

（4） 根据氮磷综合污染指数法和静态释放试验两种方法分别确定污染层厚度，以两种方法计算结果重合区域作为本次清淤范围，并综合考虑清淤工艺及水生植物分布等因素，确定东湖清淤深度29.04～110 cm，清淤面积392.42 hm2，清淤总量216.6万m3。

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（编辑：刘 媛）

Study on sediment pollution risk assessment and fine desilting in East Lake，Wuhan City

ZHANG Feng1，2，GUI Ziling1，2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China;

2.Hubei Provincial Engineering Research Center for Comprehensive Water Environment Treatment in the Yangtze River Basin，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Nutrient exchange at the sediment-water interface is intense and frequent in urban shallow lakes，and the release of sediment pollution has a significant impact on the overlying water，which is one of the main sources of pollution in shallow lakes.Taking East Lake in Wuhan City as an example，two methods including the nitrogen and phosphorus comprehensive pollution index method and static release test were used to assess the sediment pollution risk.Then，the sediment desilting range and thickness were accurately determined taking into account factors such as the desilting process and distribution of aquatic plants.The results show that there is a high synergism between the distribution of total nitrogen and organic matter in the sediment of East Lake，while the correlation between total phosphorus and organic matter is weak; the comprehensive pollution indexes of nitrogen and phosphorus in the upper，middle and lower sediment layers of East Lake are 0.85～11.39，0.52～7.40 and 0.49～6.33，respectively，and most of the areas are in the range of light pollution to heavy pollution; the dredging depth of 29.04～110 cm is recommended in East Lake.The research results can provide a theoretical basis and technical support for the comprehensive treatment of the water environment in East Lake and other similar urban shallow lakes.

Key words：

shallow lake; internal source pollution; sediment pollutant; release rate; desilting; comprehensive pollution index method; static release test; East Lake