底泥疏浚對(duì)溫州市牛橋底河底泥性質(zhì)的影響分析

童　敏，　李文超，　黃民生，　何　巖，　曹承進(jìn)

(1. 華東師范大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上?！?00062；

2. 上海寶鋼新型建材科技有限公司，上海　201900)

底泥疏浚對(duì)溫州市牛橋底河底泥性質(zhì)的影響分析

童敏1，2，李文超1，黃民生1，何巖1，曹承進(jìn)1

(1. 華東師范大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海200062；

2. 上海寶鋼新型建材科技有限公司，上海201900)

摘要：以溫州市牛橋底河為研究對(duì)象，對(duì)河道疏浚前、中、后底泥中理化指標(biāo)、重金屬含量進(jìn)行跟蹤分析，并應(yīng)用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)重金屬元素Cd、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni、Pb、Hg、As進(jìn)行污染評(píng)價(jià). 結(jié)果表明，牛橋底河底泥疏浚工程實(shí)施后，表層底泥的TP、TOC和重金屬含量呈現(xiàn)“先降低、后升高”的變化趨勢(shì)，疏浚后1到3個(gè)月內(nèi)底泥重金屬含量最低. 雖然疏浚工程可以暫時(shí)地顯著削減河道中污染物的總量，但其對(duì)河道水質(zhì)和底泥的改善效果僅能維持3～9個(gè)月. 兩種評(píng)價(jià)方法均表明疏浚工程的實(shí)施在一定程度上減輕了牛橋底河底泥的污染水平和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).

關(guān)鍵詞：疏浚；牛橋底河；底泥；重金屬；污染評(píng)價(jià)

上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人計(jì)劃資助項(xiàng)目(11XD1402100)，上海市科委重大項(xiàng)目(12231201900)

第一作者：童敏，女，博士研究生，研究方向?yàn)樗h(huán)境治理與修復(fù). E-mail: hqutm.123@163.com.

0 引言

在水生態(tài)系統(tǒng)中，底泥是營(yíng)養(yǎng)物、重金屬和持久性有機(jī)物(POPs)的源和匯. 底泥中的污染物對(duì)水生生物有著直接影響，同時(shí)可以通過(guò)食物鏈的傳遞進(jìn)一步危害到生態(tài)環(huán)境和人類健康. 底泥疏?？梢詫⑽廴疚飶乃w中永久性去除，是國(guó)內(nèi)外普遍使用的改善河流湖泊水質(zhì)的措施[1]，國(guó)內(nèi)很多受污染的河道和湖泊如上海市蘇州河、云南滇池草海[2]、南京玄武湖[3]以及太湖等都已對(duì)底泥進(jìn)行了疏浚. 然而，疏浚能否從根本上改善水質(zhì)仍存在很大爭(zhēng)議[4,5]，目前關(guān)于疏浚過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)性已經(jīng)在工程實(shí)際[6]、實(shí)驗(yàn)室[7,8]和模型[9]的方法中進(jìn)行過(guò)研究. 雖然也有研究對(duì)底泥疏浚效果進(jìn)行分析，但很少有研究對(duì)整個(gè)疏浚過(guò)程中即疏浚前、疏浚中及疏浚后底泥中的重金屬環(huán)境行為進(jìn)行有效的跟蹤分析.

溫瑞塘河是溫州市的“母親河”，但由于城市工業(yè)廢水和生活污水的排放，溫瑞塘河水環(huán)境近年來(lái)逐漸惡化，底泥淤積嚴(yán)重. 為了控制和治理河道污染，溫州市開(kāi)展了大規(guī)模底泥疏浚工程. 為了研究溫瑞塘河疏浚過(guò)程中底泥重金屬的環(huán)境行為，本文選取溫州市牛橋底河為代表進(jìn)行分析研究. 牛橋底河(27°58′N，120°39′E)是溫瑞塘河水系中心城區(qū)的一條河道,全長(zhǎng)2 300 m，平均河面寬度27 m，水域面積約0.06 km2. 河道周邊分布著炬光園工業(yè)區(qū)、溫州市化工市場(chǎng)、大理石加工廠、化工廠及機(jī)械廠. 由于截污和治污措施不完善，大量高濃度、多種類的工業(yè)廢水和工廠內(nèi)生活污水未經(jīng)處理直接排放到河道中，同時(shí)，河道的流動(dòng)性差、環(huán)境容量低，導(dǎo)致河水水質(zhì)惡化，水質(zhì)常年為劣Ⅴ類. 而且牛橋底河的河道淤積嚴(yán)重，底泥淤積厚度達(dá)1.45 m，淤積量約為7.87萬(wàn)m3. 為了改善牛橋底河污染現(xiàn)狀，2012年5月實(shí)施了底泥疏浚工程，并于2012年7月底結(jié)束. 整個(gè)疏浚過(guò)程的疏浚量為6萬(wàn)m3. 實(shí)施疏浚工程的主要采用絞吸式和鏈斗式兩種疏浚設(shè)備. 本文對(duì)疏浚前、疏浚中及疏浚后的牛橋底河底泥pH、氧化還原電位(Eh)、可揮發(fā)性硫化物、TOC、TP和重金屬元素含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，以期為溫瑞塘河底泥疏浚工程實(shí)施和污染治理提供理論依據(jù).

1材料與方法

1.1　樣品的采集

在牛橋底河布設(shè)4個(gè)采樣點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，1號(hào)采樣點(diǎn)(27°58′40.20"N，120°38′51.70"E)靠近溫州市化工市場(chǎng)，2號(hào)采樣點(diǎn)(27°58′44.80"N，120°38′59.30"E)靠近炬光工業(yè)園廠房，3號(hào)采樣點(diǎn)(27°58′50.30"N，120°39′4.00"E)靠近十里亭橋，4號(hào)采樣點(diǎn)(27°58′56.34"N，120°39′5.15"E)靠近牛山北路和溫州市水產(chǎn)供銷公司工廠. 分別在2012年3月、6月、7月、8月、10月和2013年4月每月采樣表層泥樣1次，共采樣6次.

1.2　樣品分析測(cè)試

測(cè)定指標(biāo)有粒徑、pH、氧化還原電位(Eh)、可揮發(fā)性硫化物、TOC、TP和重金屬元素. 底泥的pH和Eh采用氧化還原電位測(cè)定儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，采集后的新鮮底泥一部分用于可揮發(fā)性硫化物的測(cè)定，另一部分進(jìn)行冷凍干燥，干燥后的樣品剔除雜物后，用研缽研碎，過(guò)120目尼龍篩，混勻后進(jìn)行四分法取樣，干燥保存，用于測(cè)定粒徑、TOC、TP和重金屬元素.

圖1　牛橋底河采樣點(diǎn)分布

可揮發(fā)性硫化物采用氮載氣冷法酸溶硫化物分析技術(shù)，粒徑分析采用LS13320激光粒度儀，TOC采用重鉻酸鉀外加熱法[10]，TP采用H2SO4-HClO4消煮法[10]. 土壤中重金屬元素Cd、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni和Pb的含量測(cè)定采用HNO3-HClO4-HF消解定容后，使用700-ES型ICP-OES測(cè)定，Hg和As含量采用AFS-9230雙道原子熒光光度計(jì)測(cè)定. 在測(cè)定過(guò)程中進(jìn)行重復(fù)樣和標(biāo)樣分析，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性.

1.3　地累積指數(shù)評(píng)價(jià)法

德國(guó)科學(xué)家Muller于1969年提出的地累積指數(shù)(Igeo)是一種研究水環(huán)境沉積物中重金屬污染的定量指標(biāo)[11]. 被廣泛用于評(píng)價(jià)現(xiàn)代沉積物中重金屬的污染狀況. 其利用重金屬的總量與地球化學(xué)背景值的關(guān)系，直觀地反映外源重金屬在沉積物中的富集程度，計(jì)算公式為：

式中，Ci是沉積物重金屬元素i的實(shí)測(cè)值(mg/kg)；Bi為該重金屬元素的地球化學(xué)背景值，以浙江省溫瑞平原土壤元素背景值作為參考. 地累積指數(shù)共分7級(jí)，與沉積物中重金屬污染程度的關(guān)系見(jiàn)表1.

表1　地累積指數(shù)等級(jí)與污染程度

1.4　潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法

瑞典科學(xué)家Hakanson于1980年提出了潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法(potential ecological risk index，RI)[12]. 該評(píng)價(jià)方法將重金屬與生態(tài)危害、生物毒性有機(jī)結(jié)合，以重金屬含量、數(shù)量、毒性和評(píng)價(jià)區(qū)域?qū)χ亟饘俚拿舾行?個(gè)基本條件為原則. 不僅反映某一特定環(huán)境條件下底泥中各種重金屬對(duì)環(huán)境的影響，也反映了環(huán)境中多種重金屬的綜合效應(yīng)，而且定量地劃分出潛在生態(tài)危害程度. 該方法的計(jì)算方法如下：

和RI的污染等級(jí)

2結(jié)果與討論

2.1　疏浚對(duì)底泥理化性質(zhì)的影響

牛橋底河的河道表層底泥呈黑色，肉眼未見(jiàn)生物. 粒徑分析表明，牛橋底河底泥中粘粒占23.2%，粉粒占76.4%，主要以粉砂存在. 由圖2可知，疏浚前牛橋底河表層底泥pH呈弱酸性，疏浚過(guò)程中pH變化不大，開(kāi)始有小幅度下降，待疏浚完成后pH逐漸升高，恢復(fù)到之前的水平. 底泥在疏浚之前為還原環(huán)境，疏浚過(guò)程中由于攪動(dòng)作用，部分還原物質(zhì)被氧化，Eh增大到30.5 mV，疏浚結(jié)束后，Eh又重新下降到原來(lái)的水平. 底泥中可揮發(fā)性硫化物含量較高，疏浚前953.35 mg/kg， 疏浚過(guò)程中由于表層底泥被氧化， 含量大幅度下降至4.58 mg/kg，疏浚9個(gè)月后又重新恢復(fù)到894.78 mg/kg. 可揮發(fā)性硫化物與Eh的相關(guān)性分析表明兩者呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.959，p<0.01).

圖2　疏浚前、中、后底泥理化性質(zhì)的變化特征

2.2　疏浚對(duì)底泥TOC和TP的影響

牛橋底河底泥疏浚過(guò)程中，其表層底泥的總磷(TP)和TOC含量變化情況如圖3和4所示. 其中，2號(hào)采樣點(diǎn)底泥疏浚時(shí)間為7月初，其底泥中TP和TOC含量在5、6月份基本保持不變. 由圖3可知，疏浚對(duì)底泥中TP有一定的去除效果，疏浚后3個(gè)月總磷平均含量從1 483.96 mg/kg下降到694.12 mg/kg，平均降幅為53.2%，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，總磷含量有所上升，疏浚9個(gè)月后平均含量為792.93 mg/kg，這可能跟外源污染物的排入有關(guān). TOC有類似的變化規(guī)律，疏浚后1個(gè)月TOC的降幅達(dá)到最大，為41.0%~75.3%，平均降幅為58.8%，隨后TOC逐漸增大，疏浚9個(gè)月后平均含量為4.9%，降幅為36.7%.

圖3　溫州牛橋底河疏浚前、中、后底泥中TP含量的變化

圖4　溫州牛橋底河疏浚前、中、后底泥中TOC含量的變化

2.3　疏浚對(duì)底泥重金屬含量的影響

2.3.1疏浚不同階段底泥重金屬含量的變化

由表3可知，疏浚前，底泥中Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg和As的平均含量分別為678.03、244.19、1 256.65、1 163.41、181.98、2 348.92、14 997.45、5.89和50.23 mg/kg. 與浙江省溫瑞塘平原土壤重金屬背景值比較可知，底泥中重金屬元素含量均顯著高于背景值，尤其是Cd的含量高達(dá)背景值的3 000多倍. 由于牛橋底河位于工業(yè)區(qū)內(nèi)，長(zhǎng)期受到附近化工廠、電鍍機(jī)械廠等工業(yè)污染源排放污水的污染，使底泥重金屬污染嚴(yán)重.

在疏浚過(guò)程中底泥重金屬的含量都出現(xiàn)了顯著的波動(dòng). 疏浚后，底泥中Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg和As含量降低，降幅為Ni(57.9%)>Pb(51.4%)>Cu(44.9%)>Hg(44.2%)>Cd(41.2%)>Zn(39.4%)>As(38.8%)>Cr(28.2%)>Mn(14.5%). 雖然疏浚對(duì)部分重金屬有一定的去除作用，但疏浚后底泥重金屬的含量依然高于背景值. 底泥中重金屬含量在2012年8月份到2012年10月份即疏浚后1～3個(gè)月內(nèi)達(dá)到最低值，但疏浚9個(gè)月后，底泥重金屬含量又逐漸回升. 除了深部底泥暴露后的釋放作用，可能還跟外源污染物的輸入有關(guān). 由于溫州市截污控源工作滯后，河床淤積速度很快. 據(jù)測(cè)量，市區(qū)河道河床的年均淤積速度達(dá)到20 cm左右. 牛橋底河沿岸有較多化工生產(chǎn)及化學(xué)品經(jīng)營(yíng)企業(yè)，偷排漏排的現(xiàn)象非常嚴(yán)重，工業(yè)污水中重金屬含量高，進(jìn)入河道后吸附到顆粒物上沉積到底泥表層，加重了底泥污染. 同時(shí)，牛橋底河有部分自然土岸，暴雨期間大量的地表徑流輸入河道，其攜帶的重金屬可能在底泥中富集. 大氣沉降也是底泥中重金屬的污染源之一. 牛橋底河處于104國(guó)道公路橋邊，過(guò)往機(jī)動(dòng)車(特別是重型貨車)排放的尾氣和工廠加工產(chǎn)生的廢氣都會(huì)加重底泥重金屬的含量.

表3　疏浚前、中、后底泥中重金屬含量的變化

1號(hào)采樣點(diǎn)底泥重金屬含量在疏浚中波動(dòng)較大，這是由于6月份采樣時(shí)1號(hào)采樣點(diǎn)正處于疏浚中，所以重金屬含量下降，7月份采樣時(shí)，疏浚過(guò)程中形成的懸浮顆粒物重新沉淀下來(lái)，導(dǎo)致表層底泥重金屬含量上升，待8月份采樣時(shí)，疏浚已經(jīng)徹底完成，重金屬含量下降明顯. 疏浚9個(gè)月后，除Ni和Zn外，4號(hào)底泥中大部分重金屬含量都低于其他采樣點(diǎn)，這可能與4號(hào)所處位置有關(guān). 4號(hào)點(diǎn)離炬光工業(yè)園區(qū)較遠(yuǎn)，受炬光工業(yè)園污水影響小.

2.3.2地累積指數(shù)評(píng)價(jià)

由表4可知，疏浚前，各重金屬元素的地累積指數(shù)(Igeo)由高到底依次為Cd(11.29)>Zn(6.32)>Pb(5.25)>Cu(4.81)>Hg(4.76)>As(2.41)>Ni(1.75)>Cr(0.92)>Mn(0.03). 4個(gè)采樣點(diǎn)Cd、Zn和Pb的Igeo值均大于5，表現(xiàn)為嚴(yán)重污染，污染程度最高. Cu和Hg的Igeo值介于4~5之間，屬于重污染. As屬于中度污染. Ni偏中度污染，Cr為輕度污染，Mn呈現(xiàn)無(wú)污染和輕度污染狀態(tài). 與疏浚前相比，疏浚中和疏浚后底泥中各重金屬元素的Igeo均顯著下降(p<0.05). 疏浚實(shí)施后Cd和Zn的Igeo依然大于5，污染嚴(yán)重. Pb的Igeo降低到4~5，污染程度由嚴(yán)重污染降為重污染. Cu和Hg的Igeo值降低至3～4，從重污染轉(zhuǎn)為偏重污染. As由偏中度污染降低為輕度污染，Cr的Igeo值有所降低，依然為輕度污染，Mn表現(xiàn)為無(wú)污染狀態(tài)，說(shuō)明疏浚能在一定程度上減輕底泥重金屬污染水平. 各重金屬元素的Igeo值均在疏浚后1～3個(gè)月間達(dá)到最低值，疏浚3個(gè)月各元素Igeo值的大小順序?yàn)镃d(10.41)>Zn(5.34)>Pb(3.96)>Cu(3.72)>Hg(3.14)>As(1.22)>Ni(0.35)，Cr(0.35)>Mn(-0.38). 隨著疏浚后時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，由于外源污染的排放，底泥重金屬污染有所加重，疏浚9個(gè)月后各重金屬的Igeo值均有小幅度升高. 說(shuō)明疏浚完成后要加強(qiáng)外源截污，才能使污染得到有效控制.

表4　牛橋底河疏浚前、中、后底泥重金屬地累積指數(shù)

2.3.3潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)

綜合上述，牛橋底河底泥重金屬污染嚴(yán)重，最主要的污染元素是Cd和Zn，底泥存在極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要由Cd和Hg引起. 疏浚工程的實(shí)施使污染指數(shù)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)顯著下降，在一定程度上減輕底泥重金屬污染水平，疏浚后第3個(gè)月底泥重金屬污染水平和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最低，之后隨著外源污染的排放，底泥重金屬污染有所加重.

和RI值

3結(jié)論

(1) 疏浚短暫地提高了底泥Eh值，底泥中硫化物被氧化，疏浚后，底泥逐漸恢復(fù)到還原狀態(tài)，硫化物含量升高.

(2) 在疏浚不同階段，牛橋底河表層底泥的TP、TOC和重金屬含量呈現(xiàn)“先降低、后升高”的變化趨勢(shì)，疏浚后1～3個(gè)月內(nèi)底泥中污染物含量達(dá)到最低值，TP和TOC的最高降幅分別為53.2%、58.8%，重金屬降幅依次為Ni(57.9%)>Pb(51.4%)>Cu(44.9%)>Hg(44.2%)>Cd(41.2%)>Zn(39.4%)>As(38.8%)>Cr(28.2%)>Mn(14.5%). 疏浚9個(gè)月后，底泥中污染物含量有少量回升.

(3) 地累積指數(shù)評(píng)價(jià)表明，疏浚前牛橋底河底泥Cd、Zn和Pb嚴(yán)重污染，疏浚工程實(shí)施后底泥中各重金屬元素的Igeo均顯著下降. 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)表明，牛橋底河底泥底泥重金屬存在極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Cd和Hg是主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子. 兩種評(píng)價(jià)方法均表明疏浚能在一定程度上減輕底泥重金屬污染水平.

(4) 底泥疏浚是治理城市河道水環(huán)境污染的主要措施之一，其可以暫時(shí)顯著削減河道中污染物的總量，但要實(shí)現(xiàn)河道水環(huán)境的徹底治理，須把外源污染控制、內(nèi)源污染治理和水體原位修復(fù)三者結(jié)合起來(lái)實(shí)施.

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(責(zé)任編輯張晶)

Impact of dredging on sediment quality of Niuqiaodi River in Wenzhou

TONG Min1,2,LI Wen-chao1,HUANG Min-sheng1,HE Yan1,CAO Cheng-jin1

(1.SchoolofEcologicalandEnvironmentalSciences,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China;

2.ShanghaiBaosteelNewBuildingMaterialsTechnologyCo.Ltd,Shanghai201900,China)

Abstract:The physicochemical factors and heavy metals in sediment before, during and after dredging of Niuqiaodi River in Wenzhou were investigated. The result showed that after the sediment dredging of Niuqiaodi River, the contents of TP, TOC and heavy metal in sediment were firstly decreased and then increased. The heavy metal contents in sediment reached the lowest level in one to three months after dredging. The contents of the pollutants in the river were significantly reduced after sediment dredging, but the improvement of water quality and sediment only lasts three to nine months. The evaluation results of the geoaccumulation index (Igeo) and the potential ecological risk evaluation indicated the sediments of Niuqiaodi River were seriously polluted by heavy metals and the sediment dredging contributed to reduction of pollution levels of heavy metals in sediment.

Key words:dredging;Niuqiaodi River;sediment;heavy metals;pollution evaluation

通信作者：黃民生，男，教授，研究方向?yàn)樗h(huán)境治理與修復(fù). E-mail: mshuang@des.ecnu.edu.cn.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51278192、41101471、41001347)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金，

收稿日期：2014-07

中圖分類號(hào)：X522

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-5641.2015.02.008

文章編號(hào)：1000-5641(2015)02-0067-08