郭赟，黃曉峰，李海妮，邱偉建

1.無錫城市發(fā)展集團有限公司 2.無錫市太湖湖泊治理股份有限公司

近年來，隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，城市生活和工業(yè)生產(chǎn)密集化，導致高通量的污染負荷產(chǎn)生并進入水體。許多地區(qū)對水污染問題高度重視，采取控源截污等手段阻斷污染物進入水體。對于河流來講，外源污染得到控制后，沉積在河流底泥中的污染物會逐步向水體釋放，導致河流水質(zhì)惡化。底泥是河流水生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)交換和能量流動的重要中樞之一，在外源污染得到控制的基礎(chǔ)上開展河流底泥污染治理對河流水質(zhì)持續(xù)改善非常必要[1]。底泥污染控制主要包括異位控制和原位控制兩大類技術(shù)，原位控制技術(shù)主要采取固定或生物降解等技術(shù)手段[2]，異位控制技術(shù)常采用底泥疏浚直接從水體中去除底泥污染[3]。有研究認為，當?shù)啄嘀形廴疚餄舛雀叱銎浔镜字?～3倍時，則存在對水生態(tài)系統(tǒng)的潛在危害，需考慮進行疏浚[4]。

底泥疏浚包括環(huán)保疏浚和水利疏浚2種方式。環(huán)保疏浚目的在于清除沉積在底泥表層的污染物富集層，將污染物移出水體，削減內(nèi)源污染負荷[5-7]。杭州西湖于1999—2002年開展了環(huán)保疏浚，疏浚后底泥中氮、磷濃度降低，水體營養(yǎng)狀況好轉(zhuǎn)[8]。水利疏浚通過抓、挖、沖等方式清除淤積土方，按工程標高設(shè)計疏浚深度[9]，達到浚拓土方、拓寬河道、增加通航水深[10]等目的。水利疏浚主要通過測量疏挖土方量衡量疏浚效果，而較少考慮疏浚對水環(huán)境和后續(xù)生態(tài)重建的影響。筆者比較了2種疏浚方式在疏浚前、后底泥和水體中氮、磷濃度的差異，分析疏浚方式對水體氮、磷濃度的影響及水質(zhì)改善效果，以期為城市河道內(nèi)源污染治理適用疏浚技術(shù)的選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇無錫市梁塘河支浜——薛家浜為研究區(qū)(圖1)。梁塘河位于太湖新城北部邊界，起始于京杭大運河，穿過無錫市太湖新城流入太湖五里湖，是無錫市城市總體規(guī)劃中確定的老城和新城之間的重要開敞空間，其流域生態(tài)環(huán)境對無錫市太湖新城、太湖以及大運河有重要影響。薛家浜位于周新東路以北，河道長約350 m，寬約15 m。根據(jù)筆者的調(diào)查，薛家浜底泥淤積深度約為1.5 m，底泥中總氮、總磷濃度平均為3 007、720 mgkg。

注:1#～3#為水利疏浚采樣點;4#～6#為環(huán)保疏浚采樣點圖1 研究區(qū)及采樣點分布Fig.1 Test area and sampling points distribution

1.2 試驗設(shè)計

在薛家浜分區(qū)域研究水利疏浚和環(huán)保疏浚2種疏浚方式對河道水體氮、磷濃度的影響。在河道北側(cè)50 m(圖1灰色區(qū)域)開展水利疏浚，在河道南側(cè)50 m(圖1黑色區(qū)域)開展環(huán)保疏浚。

水利疏浚試驗主要采用目前國內(nèi)較常見的河道清淤方式——干河清淤，該方式適合可以封閉的河段，用于季節(jié)性河流、非主河道及短時間內(nèi)能完成疏浚的小型河道，具有方便、靈活、適應能力強等特點[11]。疏浚時，通過設(shè)置臨時土壩使河道斷流，用水泵將河水抽干，用機械設(shè)備將淤積底泥挖出。水利疏浚挖至底泥硬質(zhì)土層上0.5 m，疏浚深度約為0.98 m[12]。疏浚完成后挖開土壩，引進主河道河水，恢復正常水位。水利疏浚工藝流程見圖2。

圖2 水利疏浚工藝流程Fig.2 Engineering dredging process diagram

由于薛家浜城區(qū)段(近周新東路)河道水面寬度較窄，邊坡為淺灘，因此，在該河段進行環(huán)保疏浚試驗時，采用特制的小型生態(tài)清淤平臺進行作業(yè)，以減少對水體的擾動。根據(jù)底泥調(diào)查得到的污染物垂向濃度分布，確定疏浚深度為0.64 m[12]。疏浚泥漿通過振動篩的篩分有效清除垃圾、礫石和細沙等固體雜質(zhì)；剩余泥漿加藥后被泵送至濃縮箱進行強化混凝，同時在箱體內(nèi)澄清及濃縮；從濃縮裝置底部吸取淤泥進入泥漿調(diào)理箱，該箱內(nèi)伴有連續(xù)打碎裝置，可有效保持淤泥濃度恒定，調(diào)理后輸送至淤泥脫水裝置進行固液分離[13]。環(huán)保疏浚工藝流程見圖3。

圖3 環(huán)保疏浚工藝流程Fig.3 Environmental dredging process diagram

1.3 樣品采集

采用內(nèi)徑為84 mm的柱狀采樣器，分別于疏浚前、后采集底泥柱狀樣品，在水利疏浚區(qū)采集1#、2#、3#樣品，在環(huán)保疏浚區(qū)采集4#、5#、6#樣品。采集的柱狀樣上端保留水樣，兩端用橡皮塞塞緊后垂直放置，帶回實驗室，用于底泥-上覆水界面氮、磷靜態(tài)釋放試驗。分別于疏浚前、后取底泥表層樣品，測定底泥中總氮、總磷濃度。分別于疏浚前、后用采水器在每個采樣點距底泥表層20 cm處采集上覆水，用于氮、磷釋放試驗及水質(zhì)指標測定。

1.4 底泥-上覆水界面營養(yǎng)鹽靜態(tài)釋放模擬試驗

底泥柱狀樣運抵實驗室后，垂直放置在20 ℃恒溫水浴中避光培養(yǎng)。用虹吸法抽去柱狀樣的上覆水，將同步采集的上覆水過濾后用虹吸法沿內(nèi)壁緩緩加入至液面高度距底泥表層30 cm處停止，同時對高度進行標注。即刻取原水樣作為初始水樣，之后分別于第2、4、6、8天用移液管從液面下20 cm處取100 mL水樣，用于水質(zhì)指標測定，同時用原采樣點的過濾上覆水補充維持柱狀樣內(nèi)水位。試驗設(shè)置2個平行樣。

1.5 指標測定方法

水樣總氮濃度采用HJ 636—2012《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》測定，總磷濃度采用GB 11893—1989《水質(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》測定；底泥樣品總氮濃度采用HJ 717—2014《土壤質(zhì)量 全氮的測定 凱氏法》測定，總磷濃度采用HJ 632—2011《土壤 總磷的測定 堿熔-鉬銻抗分光光度法》測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種疏浚方式對底泥營養(yǎng)鹽去除效果

2種疏浚方式下疏浚前、后底泥中總氮、總磷濃度如圖4所示。

圖4 2種疏浚方式下疏浚前、后底泥中營養(yǎng)鹽濃度Fig.4 Nutrient content in sediments before and after dredging under two dredging methods

由圖4可知，2種疏浚方式下，相較疏浚前，疏浚后河道表層底泥營養(yǎng)鹽濃度均明顯下降。其中，水利疏?？偟骄鶟舛扔墒杩Ｇ暗? 898 mgkg降至1 736 mgkg，削減率達40.10%，總磷平均濃度由696.00 mgkg降至483.67 mgkg，削減率達30.51%；環(huán)保疏?？偟骄鶟舛扔? 117 mgkg降至1 667 mgkg，削減率達46.50%，總磷平均濃度由745.33 mgkg降至480.67 mgkg，削減率達35.51%?？梢?，2種疏浚方式均能有效去除底泥中營養(yǎng)鹽，減輕河道的內(nèi)源污染負荷，且環(huán)保疏浚對河道表層底泥總氮、總磷的削減率均略高于水利疏浚。這與毛志剛等[14-15]提出的疏浚后底泥中營養(yǎng)鹽及重金屬濃度比較低的結(jié)果相一致。2種疏浚方式下，雖然疏浚前表層底泥中總氮、總磷濃度有一定的差異，但疏浚后均相差不大，說明環(huán)保疏浚至0.64 m深度時，已較好地去除了河道的污染底泥層，疏浚后新生的表層底泥營養(yǎng)鹽濃度與水利疏浚至0.98 m新生的硬底層接近。則相較環(huán)保疏浚，水利疏浚多疏浚了0.34 m厚度的底泥，增大了疏浚工程量。

2.2 2種疏浚方式對上覆水體營養(yǎng)鹽濃度的影響

2種疏浚方式下靜態(tài)釋放模擬試驗上覆水中總氮、總磷濃度變化如圖5所示。由圖5(a)可知，水利疏浚前上覆水體總氮初始濃度為2.3 mgL，釋放第8天增至4.5 mgL；疏浚后總氮初始濃度為1.7 mgL，釋放第8天增至2.8 mgL。環(huán)保疏浚前上覆水體總氮初始濃度為2.7 mgL，釋放第8天增至5.2 mgL；疏浚后總氮初始濃度為2.2 mgL，釋放第8天增至3.5 mgL。由圖5(b)可知，水利疏浚前上覆水體總磷初始濃度為0.11 mgL，釋放第8天增至0.33 mgL，疏浚后總磷初始濃度為0.09 mgL，釋放第8天增至0.23 mgL。環(huán)保疏浚前上覆水體總磷初始濃度為0.13 mgL，釋放第8天增至0.33 mgL；疏浚后總磷初始濃度為0.11 mgL，釋放第8天增至0.22 mgL。

圖5 2種疏浚方式下疏浚前、后底泥釋放 至上覆水體營養(yǎng)鹽濃度的變化Fig.5 Nutrient content in the overlying water from sediment release before and after dredging under two dredging methods

可見，無論疏浚前還是疏浚后，2種疏浚方式下上覆水體總氮和總磷濃度均隨釋放的進行呈上升趨勢，說明正常情況下，底泥中氮、磷會釋放出來，影響上覆水體中氮、磷濃度。水利疏浚方式下，相較疏浚前，疏浚后上覆水體中總氮和總磷濃度分別下降了37.78%和30.30%；環(huán)保疏浚方式下，總氮和總磷濃度分別下降了32.69%和33.33%。表明在外源污染得到較好控制的前提下，疏浚在一定程度上可削減內(nèi)源釋放對水體的污染。鐘繼承等[16-17]研究也顯示，底泥疏?？勺鳛榭刂苾?nèi)源氮、磷釋放的可選措施之一。

2.3 2種疏浚方式下底泥中營養(yǎng)鹽靜態(tài)釋放通量對比

2種疏浚方式下底泥中營養(yǎng)鹽靜態(tài)釋放通量如表1所示。由表1可知，從氮釋放通量來看，水利疏浚前為141.70 mg(m2·d)，疏浚后降至83.62 mg(m2·d)，削減率達40.99%；環(huán)保疏浚前為168.42 mg(m2·d)，疏浚后降至89.39 mg(m2·d)，削減率達46.92%。從磷釋放通量來看，水利疏浚前為12.46 mg(m2·d)，疏浚后降至8.71mg(m2·d)，削

表1 2種疏浚方式疏浚前后底泥中營養(yǎng)鹽釋放通量對比

Table 1 Comparison of nutrients release flux in sediment before and after two dredging methods mg(m2·d)

表1 2種疏浚方式疏浚前后底泥中營養(yǎng)鹽釋放通量對比

疏浚方式采樣點氮釋放通量磷釋放通量疏浚前疏浚后疏浚前疏浚后水利疏浚1#128.152#154.643#142.30平均141.7092.1890.0168.6683.6210.0412.3215.0212.468.308.988.858.71環(huán)保疏浚4#185.015#154.446#165.81平均168.4296.8393.4577.9089.3911.7011.7611.4411.636.717.467.287.15

減率達30.09%；環(huán)保疏浚前為11.63 mg/(m2·d)，疏浚后降至7.15 mg/(m2·d)，削減率達38.53%。綜上，2種方式疏浚后底泥氮、磷釋放通量均較疏浚前明顯降低，其中環(huán)保疏浚后的氮釋放通量較水利疏浚后略高，而磷釋放通量則較水利疏浚后顯著降低，表明環(huán)保疏浚對底泥中總磷釋放起到了更好的削減效果。

3 討論

河道水利疏浚側(cè)重按工程目的要求設(shè)計疏浚的深度和底部標高[18]，并以土方量作為控制依據(jù)衡量疏浚效果；環(huán)保疏浚以將污染物移出水體，改善水生態(tài)系統(tǒng)為目標。環(huán)保疏浚的疏浚機械頭裝置密閉，抽吸能力強，分區(qū)封閉吸疏式施工能避免產(chǎn)生較大擾動，通過局部薄層疏浚，可減少對生態(tài)系統(tǒng)的破壞。環(huán)保疏浚可精確高效地將部分藻類活體、浮游動植物、死亡藻類和動植物殘骸等底泥-上覆水界面高營養(yǎng)鹽濃度和半懸浮狀的類膠體物質(zhì)清除，在盡可能減少工程量的前提下較為徹底地去除污染底泥，同時考慮保留生物多樣性，便于后期水生生物自我修復。本試驗中，環(huán)保疏浚后底泥的靜態(tài)釋放通量與疏浚前相比明顯降低，為后續(xù)水質(zhì)改善及水生態(tài)恢復創(chuàng)造了較好的條件[19]。王琦等[20]對環(huán)保疏浚后的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，湖泊水生態(tài)呈現(xiàn)逐年恢復趨勢。

環(huán)保疏浚后底泥中磷釋放通量明顯小于水利疏浚。這是由于水利疏浚采用挖機挖除底泥，對底泥-上覆水界面造成破壞，且疏挖施工有一定的不均勻性，易造成疏挖殘留。有研究表明，疏浚時擾動強度過大會增加底泥間隙水中磷向上覆水體的釋放，從而增加上覆水體中磷濃度[21]。而環(huán)保疏浚通過抽吸方式清除污染底泥，減少了疏浚后污染物的殘留，并提高了底泥-上覆水界面的溶解氧濃度，使底泥中磷釋放受到抑制[22]。

4 結(jié)論與建議

(1)環(huán)保疏浚和水利疏浚均能有效去除底泥中營養(yǎng)鹽，減輕河道的內(nèi)源污染。相較疏浚前，環(huán)保疏浚后底泥中總氮、總磷濃度分別削減了46.50%、35.51%，水利疏浚后分別削減了40.10%、30.51%，環(huán)保疏浚對總氮、總磷的削減率均略高于水利疏浚。但在達到同一疏浚效果時，相比于環(huán)保疏浚，水利疏浚會增加疏浚工程量。

(2)在外源污染得到較好控制的前提下，2種疏浚方式均能有效削減內(nèi)源釋放對水體的污染。水利疏浚后上覆水體中總氮、總磷濃度分別下降了37.78%和30.30%，環(huán)保疏浚后分別下降了32.69%和33.33%。相較疏浚前，水利疏浚后底泥中氮、磷靜態(tài)釋放通量削減率分別達40.99%和30.09%，環(huán)保疏浚后分別達46.92%和38.53%，環(huán)保疏?？墒沟啄嗔揍尫诺玫礁玫囊种啤?/p>

2種疏浚方式均能有效去除城市河道的內(nèi)源污染，從源頭阻斷內(nèi)源污染物進入水體，從而改善水體質(zhì)量。但由于很多城市河道施工場所有限，加之對生態(tài)水量的要求，大型機械設(shè)備及干河水利疏浚操作不便，同時干河疏浚方式會導致新生的表層底質(zhì)堅硬，水生植物較難存活，對疏浚后水生態(tài)系統(tǒng)的重構(gòu)十分不利。綜合考慮良好的社會、經(jīng)濟、生態(tài)效應以及操作可行性、安全性等問題，建議采取環(huán)保疏浚方式消除城市河道內(nèi)源污染。在環(huán)保疏浚工程實施過程中，應注意精確控制疏挖精度，防止產(chǎn)生二次污染，并做好疏浚后沿岸帶基底的恢復，為生態(tài)護岸工程創(chuàng)造條件。