城市河道環(huán)保疏浚與水利疏浚效果研究
——以無錫市梁塘河薛家浜為例

郭赟，黃曉峰，李海妮，邱偉建

1.無錫城市發(fā)展集團(tuán)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(jì)高速發(fā)展，城市生活和工業(yè)生產(chǎn)密集化，導(dǎo)致高通量的污染負(fù)荷產(chǎn)生并進(jìn)入水體。許多地區(qū)對(duì)水污染問題高度重視，采取控源截污等手段阻斷污染物進(jìn)入水體。對(duì)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(huì)逐步向水體釋放，導(dǎo)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(dòng)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(duì)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(rèn)為，當(dāng)?shù)啄嘀形廴疚餄舛雀叱銎浔镜字?～3倍時(shí)，則存在對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的潛在危害，需考慮進(jìn)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(fù)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(yíng)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(biāo)高設(shè)計(jì)疏浚深度[9]，達(dá)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(cè)量疏挖土方量衡量疏浚效果，而較少考慮疏浚對(duì)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(duì)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(yùn)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(duì)無錫市太湖新城、太湖以及大運(yùn)河有重要影響。薛家浜位于周新東路以北，河道長(zhǎng)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(diǎn);4#～6#為環(huán)保疏浚采樣點(diǎn)圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Test area and sampling points distribution

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(duì)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(yàn)主要采用目前國(guó)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(shí)間內(nèi)能完成疏浚的小型河道，具有方便、靈活、適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)[11]。疏浚時(shí)，通過設(shè)置臨時(shí)土壩使河道斷流，用水泵將河水抽干，用機(jī)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(jìn)主河道河水，恢復(fù)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(jìn)行環(huán)保疏浚試驗(yàn)時(shí)，采用特制的小型生態(tài)清淤平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)，以減少對(duì)水體的擾動(dòng)。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(dòng)篩的篩分有效清除垃圾、礫石和細(xì)沙等固體雜質(zhì)；剩余泥漿加藥后被泵送至濃縮箱進(jìn)行強(qiáng)化混凝，同時(shí)在箱體內(nèi)澄清及濃縮；從濃縮裝置底部吸取淤泥進(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)室，用于底泥-上覆水界面氮、磷靜態(tài)釋放試驗(yàn)。分別于疏浚前、后取底泥表層樣品，測(cè)定底泥中總氮、總磷濃度。分別于疏浚前、后用采水器在每個(gè)采樣點(diǎn)距底泥表層20 cm處采集上覆水，用于氮、磷釋放試驗(yàn)及水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定。

1.4 底泥-上覆水界面營(yíng)養(yǎng)鹽靜態(tài)釋放模擬試驗(yàn)

底泥柱狀樣運(yùn)抵實(shí)驗(yàn)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(shí)對(duì)高度進(jìn)行標(biāo)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(biāo)測(cè)定，同時(shí)用原采樣點(diǎn)的過濾上覆水補(bǔ)充維持柱狀樣內(nèi)水位。試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)平行樣。

1.5 指標(biāo)測(cè)定方法

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

2 結(jié)果與分析

2.1 2種疏浚方式對(duì)底泥營(yíng)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(yíng)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(yíng)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(dá)40.10%，總磷平均濃度由696.00 mgkg降至483.67 mgkg，削減率達(dá)30.51%；環(huán)保疏?？偟骄鶟舛扔? 117 mgkg降至1 667 mgkg，削減率達(dá)46.50%，總磷平均濃度由745.33 mgkg降至480.67 mgkg，削減率達(dá)35.51%?？梢?，2種疏浚方式均能有效去除底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽，減輕河道的內(nèi)源污染負(fù)荷，且環(huán)保疏浚對(duì)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(yíng)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(shí)，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(yíng)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(duì)上覆水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的影響

2種疏浚方式下靜態(tài)釋放模擬試驗(yàn)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(yíng)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(jìn)行呈上升趨勢(shì)，說明正常情況下，底泥中氮、磷會(huì)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(duì)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(yíng)養(yǎng)鹽靜態(tài)釋放通量對(duì)比

2種疏浚方式下底泥中營(yíng)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(dá)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(dá)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(yíng)養(yǎng)鹽釋放通量對(duì)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(yíng)養(yǎng)鹽釋放通量對(duì)比

疏浚方式采樣點(diǎn)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(dá)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(dá)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(duì)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(jì)疏浚的深度和底部標(biāo)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(biāo)。環(huán)保疏浚的疏浚機(jī)械頭裝置密閉，抽吸能力強(qiáng)，分區(qū)封閉吸疏式施工能避免產(chǎn)生較大擾動(dòng)，通過局部薄層疏浚，可減少對(duì)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(dòng)植物、死亡藻類和動(dòng)植物殘骸等底泥-上覆水界面高營(yíng)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(shí)考慮保留生物多樣性，便于后期水生生物自我修復(fù)。本試驗(yàn)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(fù)創(chuàng)造了較好的條件[19]。王琦等[20]對(duì)環(huán)保疏浚后的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，湖泊水生態(tài)呈現(xiàn)逐年恢復(fù)趨勢(shì)。

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(jī)挖除底泥，對(duì)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(shí)擾動(dòng)強(qiáng)度過大會(huì)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(yíng)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(duì)總氮、總磷的削減率均略高于水利疏浚。但在達(dá)到同一疏浚效果時(shí)，相比于環(huán)保疏浚，水利疏浚會(huì)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(duì)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(dá)40.99%和30.09%，環(huán)保疏浚后分別達(dá)46.92%和38.53%，環(huán)保疏?？墒沟啄嗔揍尫诺玫礁玫囊种?。

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(jìn)入水體，從而改善水體質(zhì)量。但由于很多城市河道施工場(chǎng)所有限，加之對(duì)生態(tài)水量的要求，大型機(jī)械設(shè)備及干河水利疏浚操作不便，同時(shí)干河疏浚方式會(huì)導(dǎo)致新生的表層底質(zhì)堅(jiān)硬，水生植物較難存活，對(duì)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(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效應(yīng)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(shí)施過程中，應(yīng)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(fù)，為生態(tài)護(hù)岸工程創(chuàng)造條件。