湖泊污染底泥 治理修復(fù)實踐

范成新 陳開寧 張路 鐘繼承 古小治 劉成

太湖是無錫、蘇州和上海市的主要或備用飲用水源，在地區(qū)的生產(chǎn)和生活中具有舉足輕重的地位。近三四十年來，以水體氮、磷含量高企而形成的富營養(yǎng)化問題，成為太湖水污染最主要的特征。在春夏季，太湖一些濱岸還常出現(xiàn)一種被稱為“湖泛（black bloom）”的極端水污染現(xiàn)象，其本質(zhì)是藻類泛濫成災(zāi)。這些污染問題不僅會制約周邊流域的社會和國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，更嚴(yán)重的是對太湖水源地的供水安全構(gòu)成威脅。

太湖底泥污染及底質(zhì)退化狀況

湖泊的污染不外乎外源和內(nèi)源兩大來源。就太湖而言，外源污染主要來自工業(yè)點源、農(nóng)業(yè)面源、生活廢水、大氣沉降、養(yǎng)殖投餌及旅游航運等污染排放；內(nèi)源則主要來自湖泊底部的底泥。底泥又稱底質(zhì)或沉積物，在太湖底泥中蓄積著湖體約90%以上的污染物，其中含量偏高的是氮、磷等營養(yǎng)性污染物，主要來自入湖的外源污染，以及湖體內(nèi)藻類和水生植物等生物死亡殘體等。水體中懸浮態(tài)顆粒物對水體中污染物的包夾、物理化學(xué)吸附及絮凝等，通過沉降等作用，在湖底按時間順序形成具有不同環(huán)境（或污染）性質(zhì)的底泥層。當(dāng)外源采取控制措施，特別是底泥環(huán)境（如pH、氧化還原電位、溫度、微生物等）發(fā)生變化時，沉積的污染底泥將成為潛在污染源，表層底泥中的溶解態(tài)污染物（如氮、磷和有機(jī)碳）又會重新釋放出來，從而污染湖泊水體[1]。據(jù)研究，太湖全年因底泥釋放形成的氮、磷內(nèi)源負(fù)荷約占外源氮、磷入湖量的1/4，湖泛的易發(fā)湖區(qū)都與污染底泥的分布有關(guān)[2，3]，這些都表明底泥是太湖必須治理的內(nèi)源污染源。

太湖湖濱帶岸線總長405千米，其中以竺山湖、梅梁灣、貢湖和西部沿岸大堤型和山坡型沿岸帶最為多見。在這些湖區(qū)的濱岸，70%以上為水泥混凝土堤防。大堤外吹程長的波浪所形成的反射波和沿岸流會帶走湖底表面松散底泥，留下密實度較高的底泥；還有些區(qū)域是藻類聚積和外源性沉降量大、底泥有機(jī)質(zhì)含量高、氧化還原電位（或溶氧量）低的區(qū)域（其中北部和西部部分岸帶，春夏季還會發(fā)生湖泛現(xiàn)象）。另外，由于疏浚和取土等人為的機(jī)械活動也造成了湖底底質(zhì)新生表層（newborn surface）的密實度增加，不利于底棲生物和水生植物的著根生長[4]。據(jù)統(tǒng)計，受上述底泥惡化和退化影響的太湖濱岸帶總長度約200千米，寬度10～300米不等，主要集中在表層十到數(shù)十厘米泥層內(nèi)，污染底泥的這種集中性分布，一定程度也給水下薄層的底泥環(huán)保疏浚治理技術(shù)的應(yīng)用提供了可能。

底泥環(huán)保疏浚和適生性修復(fù)探索

環(huán)保疏浚是指以減少底泥內(nèi)源負(fù)荷和污染風(fēng)險為目標(biāo)，用機(jī)械方法，將富含污染物的指定量底泥進(jìn)行精確、有效和安全地清除的技術(shù)，并為受影響水生生物的恢復(fù)創(chuàng)造條件。該技術(shù)于1990年代末引入我國，已在滇池等污染湖泊得到廣泛應(yīng)用。但是，由于缺乏湖泊底泥污染的有效診斷、環(huán)保疏浚面積/深度的確定以及疏浚效果預(yù)測的方法和手段，在湖泊底泥是否疏浚、疏浚多少和能否疏浚等幾個關(guān)鍵問題上，存在很大的任意性[2]，導(dǎo)致一些湖泊治理效果不盡如人意。為此，我們從理論和技術(shù)原理著手，以底質(zhì)信息高精度分析—污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬—污泥原位治理—污泥疏浚去除—基質(zhì)生態(tài)修復(fù)為主體思路，在太湖開展理論和技術(shù)探索。

底泥污染和惡化退化問題診斷

太湖的主要問題是富營養(yǎng)化，氮、磷是其主要營養(yǎng)性污染物，因此精準(zhǔn)采集樣品，分析底泥營養(yǎng)物含量及在界面的釋放影響和對藻源性湖泛的形成作用是診斷底泥污染的關(guān)鍵。

湖泊底泥是受水充盈的似泥土質(zhì)固體，泥質(zhì)疏松有利于水生植物根系著生和底棲生物營穴，但底泥若過于疏松，曲撓程度小、堆積松散，則不利于其扎根和固穴。含水率、孔隙度、容重、溶解氧、氧化還原電位和pH等是底泥的主要固有物理屬性參數(shù)，其中孔隙度、容重、含水率有互換關(guān)系，且曲撓度與孔隙度有關(guān)。底泥溶解氧、氧化還原電位和pH是反映著生生物環(huán)境惡化與否的主要參數(shù)，雖然這些參數(shù)主要是受底泥中（污染）物質(zhì)含量和環(huán)境地球化學(xué)行為的影響，但研究反映，深度缺氧或厭氧的底泥環(huán)境不利于植物根系生長和底棲生物存活。國際上一直缺乏對底質(zhì)退化的診斷手段，我們以沉水植物菹草進(jìn)行試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)孔隙度在0.75左右時，成活率100%；孔隙度在0.70左右時，成活率降至約80%；孔隙度在0.65左右時，成活率下降到43%；當(dāng)孔隙度小于0.60時，水生植物營養(yǎng)體的根系幾乎不能自然進(jìn)入底泥中，成活率接近零。

底泥的密度和有機(jī)質(zhì)含量與水生植物生長大致有一個最佳值。對于苦草和馬來眼子菜而言，低于大約0.9克/厘米3的底泥密度和高于5%有機(jī)質(zhì)含量，都可能會抑制它們的生長。另外，不同植物（或生長期）生長和底棲生物活動都有適合的底泥層位，因此通過以上的分析和診斷，我們確定將孔隙度和氧穿透性深度作為太湖底質(zhì)適生性劣質(zhì)化主要參數(shù)。

底泥疏浚決策及疏浚效果評估

環(huán)保疏浚中需要解決的問題是“是否疏浚”“疏浚多少”“如何疏?！焙汀敖Y(jié)果如何”，其中前3個問題涉及疏浚決策，后一問題涉及疏浚效果的評估。我們對太湖原柱樣底泥在不同溫度、不同水動力條件下的氮、磷釋放過程，以及不同聚藻量、溫度和水動力下的湖泛形成過程進(jìn)行了批量模擬，經(jīng)多年的現(xiàn)場中試規(guī)模的研究，推薦以底泥氮磷釋放速率、表層底泥有機(jī)質(zhì)含量和藻源性湖泛模擬發(fā)生所需時間為太湖底泥環(huán)保疏浚決策參考[2]。

關(guān)于污染底泥疏浚后的環(huán)保效果和風(fēng)險評價，早期對湖泊疏浚效果的評價，是通過統(tǒng)計從湖體去除多少污染物的量，以及調(diào)查水質(zhì)改善（即水體污染物含量下降）情況來進(jìn)行的。但是疏浚從湖體取走的污染物總量是由疏浚底泥的方量決定的，水是流動的，上部水質(zhì)的變化不一定意味著來自疏浚區(qū)的影響。疏浚效果的評價實際是對疏浚決策的合理性、工程設(shè)計的科學(xué)性以及工程施工的精準(zhǔn)性的綜合評估。疏浚后底泥將產(chǎn)生新生表層，該表層主要是相對密實的歷史沉積層，其上將有因疏浚質(zhì)量影響而殘留或回淤的底泥，以及隨時間而累積的湖體沉降顆粒物[5]。歷史沉積層的性質(zhì)決定疏浚后效果的基線，殘留或回淤的底泥影響著疏浚初期效果，沉降顆粒物則影響疏浚后期或長期效果的走向。從管理層面要求的宏觀效果是水體特征、生態(tài)狀況和底泥質(zhì)量的改善情況，但實質(zhì)性評價則是疏浚前后，底泥污染性（如內(nèi)源釋放）和對環(huán)境災(zāi)害（如湖泛形成）等的改善效果。

污染底泥環(huán)保疏浚量確定

疏浚量的確定就是要確定疏浚范圍和疏浚深度的問題。環(huán)保疏浚范圍確定的核心問題，是建立底泥污染性質(zhì)和生態(tài)風(fēng)險等級的劃分方法及科學(xué)的空間整合體系。根據(jù)太湖特點，我們采用“網(wǎng)格層次法”，即以氮、磷靜態(tài)釋放，重金屬生態(tài)風(fēng)險指數(shù)等9個底泥物化屬性參數(shù)為主，先將擬疏浚的湖泊或湖區(qū)劃分成單元網(wǎng)格，把插值后的單元格中特征屬性數(shù)據(jù)，依據(jù)9級標(biāo)準(zhǔn)分級和無量綱化處理，通過層次分析法和專家支持系統(tǒng)計算出指標(biāo)權(quán)重，再用數(shù)學(xué)方法轉(zhuǎn)換成疏浚綜合評估值，然后分類和單元歸并，最后確定環(huán)保疏浚位置及面積。

在推薦的環(huán)保疏浚區(qū)，結(jié)合底泥污染風(fēng)險等級，按分層釋放法速率（或分層模擬湖泛發(fā)生時間）、重金屬生態(tài)危害風(fēng)險和有機(jī)質(zhì)含量垂向分布，結(jié)合拐點法確定環(huán)保疏浚深度。針對湖泊富營養(yǎng)化內(nèi)源污染控制，2006年推薦太湖環(huán)保疏浚面積78千米2。2007年5月太湖貢湖發(fā)生湖泛黑臭后，我們研究發(fā)現(xiàn)污染底泥與藻源性湖泛密切相關(guān)，依據(jù)太湖底泥湖泛發(fā)生風(fēng)險，為湖泛易發(fā)區(qū)應(yīng)急和規(guī)劃疏浚方案設(shè)計提供了疏浚深度建議，對太湖水源地和水環(huán)境的改善提供了重要決策支持。

惡化退化底質(zhì)適生性修復(fù)

針對污染湖泊特別是迎風(fēng)岸帶因底質(zhì)污染嚴(yán)重或/和植物立地生境差的問題，研究了當(dāng)?shù)赝寥佬再|(zhì)和不同厚度客土覆蓋對底質(zhì)污染釋放控制、植物根際物理微環(huán)境改善對植物生長的影響等，分析了客土控制底質(zhì)內(nèi)源和植物基底修復(fù)機(jī)制；研發(fā)出在近岸水域利用當(dāng)?shù)乜屯林亟ㄖ参镞m生基底并兼顧內(nèi)源污染控制的方法，為退化和污染等復(fù)合環(huán)境惡化底質(zhì)的原位修復(fù)提供了技術(shù)支撐；針對土源不足、浪蝕作用強(qiáng)的堤岸帶，設(shè)計了在堤岸與消浪帶間設(shè)立擋泥圍欄，通過含種子源的鄰近區(qū)域清潔底質(zhì)的吹填，使得基底抬高并固化形成具有生態(tài)堤岸的緩坡，從而達(dá)到利用本源客土覆蓋，使浪蝕強(qiáng)、底質(zhì)污染或硬底質(zhì)的堤岸帶，滿足多種生活型水生植物立地與生長的生境條件。

比如，太湖大堤型和山坡型湖濱岸底泥（主要為細(xì)粉砂和黏土）物理性退化較明顯，水質(zhì)長期惡化或富營養(yǎng)化區(qū)底泥污染性惡化則較為嚴(yán)重。選擇受風(fēng)浪侵蝕影響嚴(yán)重的貢湖直立型岸帶以及受內(nèi)源釋放污染嚴(yán)重影響的西五里湖（太湖北湖湖灣）退化和惡化底泥作為修復(fù)對象，開展試驗示范性研究。在貢湖北岸80米長無土壤底質(zhì)退化區(qū)，以排樁固土、底泥吹填堆土，在退化區(qū)岸邊營造淺灘和斜坡，栽種蘆葦?shù)戎参铮晒?gòu)建了太湖退化底質(zhì)生態(tài)修復(fù)示范區(qū)，控制了底泥內(nèi)源釋放[6]。對因污染而退化的太湖底泥，采用覆蓋30～60厘米清潔客土方式修復(fù)底質(zhì)，在西五里湖建立150畝（1畝≈666.67米2）示范區(qū)[4]，起到控制底泥內(nèi)源釋放污染的作用，修復(fù)了消失多年的本土沉水植被。

重污染底泥環(huán)保疏浚與生態(tài)修復(fù)集成創(chuàng)新

我國許多重污染湖庫水體都曾開展過以疏浚工程為主的治理，但不少效果并不十分明顯，關(guān)鍵問題在于缺少生態(tài)系統(tǒng)重建這一重要環(huán)節(jié)。由于被污染的底泥并不適合植物和底棲動物生長，因此需要環(huán)保疏浚等工程來控制底泥污染，并為生物的著生創(chuàng)造良好的底質(zhì)本底條件。但在已完成污染湖泊治理的示范工程研究中，環(huán)保疏浚和生態(tài)修復(fù)區(qū)兩者在空間位置上都不相重疊，在時間次序上多未銜接[1]。雖然兩者可能都在同一湖區(qū)展開，但實際是各行其道，缺乏真正意義上的集成。鑒于此，我們在太湖貢湖大溪港東側(cè)濱岸建立了一個225畝底泥環(huán)保疏浚和底質(zhì)生態(tài)修復(fù)綜合示范區(qū)，包括環(huán)保疏浚、環(huán)保疏浚+生態(tài)修復(fù)、生態(tài)修復(fù)3種治理類型示范區(qū)[6]。其中在環(huán)保疏浚+生態(tài)修復(fù)區(qū)，疏浚20厘米，內(nèi)源磷釋放速率削減率≥30%（35.7%～74.3%），至水生植物旺盛期，表層底泥好氧程度提高了11.3%～57.7%，表層底泥活性磷得到很大的削減。

我國雖已在太湖等一些富營養(yǎng)化湖泊就環(huán)保疏浚和生態(tài)修復(fù)方面開展了大量的示范性和推廣性研究工作，有的甚至達(dá)到國際先進(jìn)水平，但仍有一些方面還處于探索性研究中。比如，圍繞底泥的環(huán)保疏浚和生態(tài)修復(fù)，其成果的集成程度還不夠，技術(shù)間缺乏很好的銜接[1]。疏浚關(guān)注的僅是疏挖的精確性和施工的便利性，幾乎沒有考慮為疏浚后生態(tài)修復(fù)創(chuàng)造條件；生態(tài)修復(fù)著重于水生植物種植成活率、豐度和群落穩(wěn)定性及水體理化環(huán)境改善，很少去考慮是否能在疏浚底泥上進(jìn)行水生生物的恢復(fù)，更不會考慮對疏浚后底泥內(nèi)源污染指標(biāo)的控制問題。疏浚是一類不可視性的水下隱蔽工程，生態(tài)修復(fù)則是顯現(xiàn)工程，如何將這兩者的相關(guān)技術(shù)在時間和空間上科學(xué)銜接，將是我國今后污染退化底泥治理需要突破的方向之一。

[1]范成新， 張路. 太湖——沉積物污染與修復(fù)原理. 北京： 科學(xué)出版社， 2009.

[2]He W， Shang J， Lu X， et al. Effects of sludge dredging on the prevention and control of algae-caused black bloom in Taihu Lake. China. Journal of Environmental Sciences， 2013， 25（3）： 430-440.

[3]范成新， 鐘繼承， 張路， 等. 湖泊底泥環(huán)保疏浚決策研究進(jìn)展與展望. 湖泊科學(xué)， 2020， 32（5）：1254-1277.

[4]陳開寧， 包先明， 史龍新， 等. 太湖五里湖生態(tài)重建示范工程—大型圍隔試驗. 湖泊科學(xué)， 2006， 18（2）： 139-149.

[5]Fan Chengxin， Zhang Lu， Wang Jianjun， et al， Processes and mechanism of eff ects of sludge dredging on internal source release in lakes. Chinese Science Bulletin， 2004， 49（17）： 1853-1859

[6]Gu Xiaozhi， Chen Kaining， Zhang Lei， et al. Preliminary evidence of nutrients release from sediment in response to oxygen across benthic oxidation layer by a long-term field trial. Environmental Pollution， 2016， 219： 656-662.

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