張 鑫,張 彬,齊彥博

(1.中交水運規(guī)劃設計院有限公司，北京 100007；2.中交雄安投資有限公司，河北 雄安 071700)

1 研究背景

由人類活動與水文地理因素導致的沉積物污染，是近年來全球面臨的一個重要環(huán)境問題[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，我國的江河湖庫底泥污染率達到80.1%。污染底泥受環(huán)境和成因的影響，其成分與性質(zhì)各不相同，但通常均表現(xiàn)為流動性大、含水率高、強度低，富含污染物質(zhì)：一類是有機污染，如有機質(zhì)、氨氮、磷等營養(yǎng)鹽；另一類是有毒重金屬，如Hg、Cr、Pb、As等[3-4]。對河湖長期沉積的底泥進行疏浚清淤，是改善水質(zhì)和水生態(tài)環(huán)境的重要舉措[5]，其意義在于去除水體中受到污染的淤泥，疏浚之后的基底能持續(xù)地為后續(xù)生態(tài)修復創(chuàng)造基礎條件。

根據(jù)現(xiàn)有研究，底泥由上至下大致可以劃分為污染層、污染過渡層和正常層。目前，普遍認為清除底泥污染需要處理到污染層或者污染過渡層，但是這樣實施后，疏浚后引起污染物釋放也時有發(fā)生[6-7]。

由于不同湖泊底泥分布及污染特征存在較大差異，目前關于清淤深度的確定，國內(nèi)外沒有統(tǒng)一的標準。但清淤深度是清淤規(guī)模論證的關鍵參數(shù)之一，其大小直接影響清淤工程量和清淤效果。清淤過淺達不到有效去除污染物質(zhì)的目的，而清淤過度又會破壞性地改變湖底形態(tài)，影響底棲生態(tài)環(huán)境和清淤后的生態(tài)修復。

對于有機污染的湖泊，常用的方法有沉積學法、背景值法、拐點法和分層釋放速率法。從目前國內(nèi)典型湖泊生態(tài)清淤設計情況看，對于各類方法的應用也未統(tǒng)一。比如，昆明滇池(一期)和安徽巢湖生態(tài)清淤設計采用沉積學法；南京玄武湖、武漢月湖生態(tài)清淤設計采用拐點法；日本霞浦湖、昆明滇池(二期)環(huán)保疏浚采用背景值法；分層釋放速率法偏于理論研究，工程應用不多。從目前的國內(nèi)外環(huán)保疏浚研究進展看，各類方法各有其優(yōu)缺點和適用特點。對各類方法深入剖析后進行綜合應用，富有重要的理論研究和設計應用意義[8]。

筆者基于某工程實例，結合《湖泊河流環(huán)保疏浚工程技術指南》和相關研究成果，綜合對比上述4種方法，提出一種便于工程設計的河湖污染底泥清淤深度計算方法，可推廣應用到類似工程項目中。

2 環(huán)保疏浚設計深度案例分析

2.1 工程背景

某北方淺水型湖泊，因多年持續(xù)性受到外源污染影響，底泥中沉積了大量動植物殘體等有機質(zhì)和營養(yǎng)鹽，雖然底泥中重金屬和持久性有機污染物未發(fā)現(xiàn)超標現(xiàn)象，但是氮、磷污染物含量較高，直接影響淀區(qū)水環(huán)境質(zhì)量和水生態(tài)系統(tǒng)，水體常年處于地表水V類～劣V類標準，浮游動物、水生動物和水生植物的物種多樣性明顯降低，耐污種生物量增加。

實施科學清淤，清除底泥污染物,可減少內(nèi)源污染物釋放，有效提升水質(zhì)，同時有助于恢復良性生態(tài)系統(tǒng)、降低生態(tài)風險、逐步恢復淀泊自凈能力。根據(jù)水體功能區(qū)規(guī)劃，該湖泊水質(zhì)治理近期目標為IV類水，遠期目標要達到III類水。

2.2 技術思路

1)開展外業(yè)查勘和取樣，根據(jù)《湖泊生態(tài)環(huán)境保護系列技術指南》，依采樣底泥的顏色、氣味、粒徑和黏稠度等顯性特征將底泥由上至下依次分為污染層(A1為流泥層、A2為淤泥層)、污染過渡層(B)和正常湖泥層(C)，并精準測量相應層厚。

2)根據(jù)沉積物質(zhì)量情況，突出風險控制因子研究重點，結合背景值法、拐點法和分層釋放速率法的試驗要求，對采集泥樣進行實驗室試驗和數(shù)據(jù)整理，找出相應分布或釋放規(guī)律。

3)根據(jù)各種方法，對于清淤深度分別展開計算和分析，進行對比。

4)綜合多種方法，以典型孔為例，提出一種便于工程設計的河湖污染底泥清淤深度計算方法。技術路線見圖1。

圖1 技術路線

2.3 算法研究

2.3.1沉積學法

根據(jù)不同地形、水深情況，相應選擇駁船或者挖掘機，取樣器為半合管式薄壁取樣器，進行外業(yè)勘察，現(xiàn)場取樣、判斷、量測、記錄(圖2)。

圖2 現(xiàn)場取樣

根據(jù)污染程度，底泥在垂直方向一般分為污染底泥層(A層)、污染過渡層(B層)和正常湖泥層(C層)。

1)污染底泥層(A層)，是污染最為嚴重的一層。一般情況下，在有機質(zhì)及營養(yǎng)鹽嚴重污染地區(qū)，該層顏色為黑色或深黑色，其上部為稀漿狀，下部呈流塑狀，有臭味。該層沉積年代新，為近年來人類活動的產(chǎn)物，是湖泊內(nèi)源污染物的主要蓄積庫。

2)污染過渡層(B層)，是污染較輕的一層，為正常湖泥層到污染底泥層的漸變層。一般情況下，在有機質(zhì)及營養(yǎng)鹽污染地區(qū)，該層顏色多為灰黑色，軟塑-塑狀，較A層密實。

3)正常湖泥層(C層)，是未被污染的底泥層。其保持未被污染的當?shù)赝临|(zhì)正常顏色，一般無異味，質(zhì)地較密實。

經(jīng)現(xiàn)場大面積取樣，有效樣本數(shù)量40個，典型孔A層厚度為0.38 m，B層厚度為0.21 m。

沉積學法確定清淤深度是根據(jù)污染層和過渡層的等值線；污染層等值線是區(qū)分不同挖泥底高程疏浚作業(yè)分區(qū)的主要依據(jù)，過渡層等值線是區(qū)分不同挖泥底高程疏浚作業(yè)分區(qū)的輔助依據(jù)[9]。據(jù)此看來，沉積學法確定的疏浚深度最小值為污染層厚度，最大值為過渡層厚度。因此，本實例依據(jù)沉積學法確定的生態(tài)清淤深度為0.38～0.59 m。

2.3.2背景值法

土壤背景值又稱土壤本底值，是指在區(qū)域內(nèi)很少受人類活動影響和不受或未明顯受現(xiàn)代工業(yè)污染與破壞的情況下土壤原本固有的化學組成和元素含量水平。

背景值法認為，當?shù)啄嘀形廴疚锖扛哂谕寥辣尘爸禃r即判定受到污染，應該對污染底泥進行清除。背景值法有2個關鍵因素：背景值的確定和底泥污染垂直分布情況測定。

目前，國家沒有TN(總氮)和TP(總磷)的土壤污染物質(zhì)量標準值(篩選值)?？偟?、總磷的含量因地區(qū)而異，背景值差距較大。合理確定背景值有利于科學合理地評價底泥的污染程度，并采取針對性的治理措施。結合HJ/T 166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》初步考慮采用總氮、總磷的背景值累計概率95%的點對應的值作為篩選值(標準值)，針對工程區(qū)的地理、地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境等情況，對取樣正常土層的TN(總氮)445個背景值樣本、TP(總磷)522個背景值樣本進行統(tǒng)計分析，累計概率95%對應的值(取整)分別為：TN背景值為600 mg/kg，TP背景值為700 mg/kg。同一典型孔TN、TP污染沿垂向分布情況見圖3。

從圖3可知該典型孔底泥中TN和TP含量垂向分布情況。根據(jù)背景值法，TN背景值為600 mg/kg，從曲線可見典型孔根據(jù)TN垂直分布情況判斷清淤厚度為0.53 m；TP背景值為700 mg/kg，從曲線可見典型孔根據(jù)TP垂直分布情況判斷清淤厚度為0.24 m；相比之下取大值，因此背景值法確定的清淤深度HB綜合取值為0.53 m作為清淤深度，清淤底高程位于污染過渡層。

圖3 背景值法確定清淤厚度

2.3.3拐點法

拐點法是完全根據(jù)底泥中主要污染物垂直分布的特征確定適宜的清淤深度，但是單一應用此法，需要大量的柱狀樣采集和分析，找到污染垂直分布曲線上向上或向下方向改變的點，相應的厚度定為清淤深度(圖4)。

圖4 拐點法確定清淤厚度

從圖4可見，同一典型孔主要污染物垂向分布同上。為嚴格控制底泥營養(yǎng)鹽含量，保障生態(tài)清淤對污染物的清除效果，典型孔根據(jù)TN垂直分布情況判斷清淤厚度為0.55 m，根據(jù)TP垂直分布情況判斷清淤厚度為0.45 m，因此拐點法確定的清淤深度HG綜合取值為0.55 m，清淤底高程同樣位于污染過渡層。

2.3.4分層釋放速率法

分層釋放速率法是通過底泥與上覆水的相互作用機理進行研究。首先，從污染物轉化過程看，通過各種途徑進入水體中的氮、磷等營養(yǎng)元素會有相當一部分沉積到底泥中。水生植物的生長會吸收部分營養(yǎng)成分，其余大部分營養(yǎng)鹽仍與水體保持動態(tài)平衡。當水體外源污染得到控制后，氮、磷的釋放可能主要來自底泥的釋放，嚴重時可能造成水體富營養(yǎng)化和水華現(xiàn)象的發(fā)生。這類富含氮、磷營養(yǎng)鹽的底泥，是水體的氮、磷內(nèi)源。

圖5 分層釋放速率法確定清淤厚度

2.4 過渡層清除程度系數(shù)K計算方法

在工程區(qū)域取樣、挑選典型孔，根據(jù)上述幾種方法要求，開展相關試驗和分析，對應各種工法的疏浚深度計算結果對比見圖6。

圖6 各種設計方法計算環(huán)保疏浚深度對比

從圖6可知，對于此典型孔，拐點法確定的疏浚深度最大，同時幾種計算方法確定的疏浚深度均在污染過渡層下段。

用沉積學法確定污染層和污染過渡層厚度，初步判定生態(tài)清淤的深度控制區(qū)間(位于污染過渡層)；再經(jīng)背景值法、拐點法和分層釋放速率法，對營養(yǎng)鹽污染的底泥環(huán)保清淤深度進行量化。這是工程設計較為合理的計算過程。

本工程實例中，經(jīng)過多個典型孔計算后發(fā)現(xiàn)，3種量化方法得出的疏浚深度大小并沒有一致性規(guī)律，但均位于污染過渡層。

充分考慮到各種方法的優(yōu)劣性，建議將3種方法對應的清除過渡層的厚度進行算數(shù)平均，將此平均值與污染過渡層比值作為過渡層清除程度系數(shù)K：

(1)

式中：K為過渡層清除程度系數(shù)(%，保留小數(shù)點后兩位)；hA為沉積學法判定的污染層厚度(m)；hB為沉積學法判定的污染過渡層厚度(m)；h1為背景值法判定的環(huán)保清淤厚度(m)；h2為拐點法判定的環(huán)保清淤厚度(m)；h3為分層釋放速率法判定的環(huán)保清淤厚度(m)。

根據(jù)式(1)，對于典型孔計算K=66.67%。在工程區(qū)域典型孔附近一定范圍內(nèi)選取其他典型孔，采用多種方法進行計算，得出污染過渡層清除程度系數(shù)K，可結合沉積學法判定的污染層和污染過渡層厚度，將系數(shù)K作為設計依據(jù)，直接推廣到工程區(qū)一定范圍內(nèi)，進行環(huán)保疏浚深度設計。

3 結論

1)針對目前湖泊廣泛存在的沉積物有機污染比較嚴重的問題，開展生態(tài)清淤設計方法的研究：首先，根據(jù)環(huán)保行業(yè)指南要求進行布孔和外業(yè)取樣，工程區(qū)域典型孔附近一定范圍內(nèi)，選取典型孔作為代表開展實驗室分析；其次，綜合對比常用的幾種計算方法，取其疏浚深度算數(shù)平均值，確定污染過渡層清除程度系數(shù)K。

2)該方法既可以減少大規(guī)模實驗室分析的工作量、降低工程研究費用，又較為科學合理地得出環(huán)保疏浚深度設計值，在環(huán)保疏浚工程中富有指導和應用意義。

3)對于大面積、湖泊特征不均勻的疏浚設計，確定疏浚深度不宜依據(jù)底泥層污染的平均厚度或污染過渡層清除程度系數(shù)進行，而應根據(jù)場地條件、污染嚴重程度、疏浚設備及工藝垂直控制精度、生態(tài)修復基底土質(zhì)等綜合需要，分區(qū)進行差異化環(huán)保疏浚深度設計。