黑臭水體底泥調(diào)查分析及達(dá)標(biāo)清淤量研究

路文典 龔 浩 徐 超

(中電建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518101)

底泥是黑臭水體的內(nèi)源污染源，當(dāng)上覆水體中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度高于底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度時(shí)，底泥就會(huì)擔(dān)當(dāng)“匯”的角色，吸納上覆水體中的的污染物。反之，當(dāng)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度低于底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度時(shí)，底泥就會(huì)擔(dān)當(dāng)“源”的角色，持續(xù)向水體釋放污染物，造成水質(zhì)惡化。同時(shí)，有機(jī)質(zhì)通過(guò)吸附、絡(luò)合沉積物中的重金屬，改變和影響這些污染物的生態(tài)毒性及環(huán)境遷移行為，加劇河流污染程度[1]。對(duì)于黑臭水體，為了保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)，對(duì)底泥進(jìn)行達(dá)標(biāo)清淤(是以吸附解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到上覆水為地表水質(zhì)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)平衡濃度對(duì)應(yīng)的底泥清淤深度)勢(shì)在必行。

清淤深度過(guò)小，不能去除污染較重的污染層，達(dá)不到清淤的目的；清淤深度過(guò)大，則可能對(duì)河道底部生態(tài)系統(tǒng)造成難以恢復(fù)的破壞，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的生存發(fā)展構(gòu)成威脅，并會(huì)削弱河道底泥對(duì)外源性污染物輸入后的緩沖作用，對(duì)后期的水體生態(tài)修復(fù)造成困難，且清淤深度的增加直接大幅增加了清淤成本。因此，確定合理的達(dá)標(biāo)清淤深度及清淤量意義重大。本文以茅洲河流域(寶安片區(qū))為例，介紹黑臭水體底泥調(diào)查勘測(cè)、分析及達(dá)標(biāo)清淤量確定思路，為類似工程提供借鑒。

1 茅洲河流域底泥清淤背景及范圍

茅洲河是深圳第一大河，流經(jīng)深圳的寶安區(qū)、光明區(qū)及東莞市的長(zhǎng)安鎮(zhèn)，出口匯入伶仃洋，總流域面積344.23km2，干流全長(zhǎng)30.69km，其中寶安區(qū)境內(nèi)干流河長(zhǎng)19.71km，流域面積157km2，共有干、支流19條，河道總長(zhǎng)度96.56km。茅洲河干流上游堤距寬約60m，中下游逐漸變寬，至入?？诘叹嘤?00m逐漸放寬至330m。20世紀(jì)90年代，茅洲河流域內(nèi)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化迅猛發(fā)展，工業(yè)、生活、第三產(chǎn)業(yè)污染急劇增加，而流域內(nèi)污水處理及配套排水設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后，大量污染物直排進(jìn)入茅洲河干支流，茅洲河全線成了“墨汁河”“臭河”，成為珠三角地區(qū)污染最嚴(yán)重的河流。而底泥污染是致其黑臭的關(guān)鍵因素之一，需要對(duì)污染底泥進(jìn)行清除。

茅洲河寶安段污染底泥清淤范圍包括17條干支流及4個(gè)排澇工程，17條河道分別為茅洲河、沙井河、羅田水、老虎坑水、龜嶺東水、塘下涌、沙浦西排洪渠、松崗河(含樓崗河)、東方七支渠、潭頭渠、潭頭河、新橋河、萬(wàn)豐河、石巖渠、道生圍涌、共和涌和衙邊涌；4個(gè)排澇工程分別為橋頭片區(qū)排澇工程、沙浦北片區(qū)排澇工程、燕羅片區(qū)排澇工程、衙邊涌片區(qū)內(nèi)澇整治工程。清淤主要工程量集中在茅洲河干流及其支流沙井河流域，約占總清淤量的89%，底泥清淤研究以此為重點(diǎn)。

2 底泥勘測(cè)評(píng)價(jià)分析路徑

2.1 技術(shù)路線

通過(guò)勘查取樣，對(duì)污染底泥進(jìn)行物理、化學(xué)指標(biāo)分析，查明底泥土層性質(zhì)、污染狀況，為確定底泥達(dá)標(biāo)清淤范圍、深度以及清淤量提供依據(jù)。污染分析技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

圖1 污染分析技術(shù)路線

2.2 勘察路徑

因工程區(qū)域涉及的空間跨度較大，平面定位采用手持GPS進(jìn)行，垂直定位是在岸邊設(shè)立高程控制點(diǎn)，采用水面高程傳遞法用全站儀測(cè)量控制。

勘測(cè)點(diǎn)位布設(shè)按照100～200m左右設(shè)置觀測(cè)斷面，300～400m左右設(shè)置勘測(cè)斷面，300～500m左右間隔設(shè)置控制斷面。河寬小于200m的斷面設(shè)置1～2個(gè)采樣點(diǎn)，河寬大于200m的斷面設(shè)置2～3個(gè)采樣點(diǎn)，局部地形變化較大處、入?？谔幓蛩廴据^重水域酌情加密布設(shè)勘探點(diǎn)位。

采用工程鉆機(jī)鉆取柱狀樣，柱狀樣采集打開(kāi)后，按20～50cm不等的間隔，人工采集不同深度的底泥樣品。根據(jù)污染程度對(duì)底泥進(jìn)行分層。

a.污染層：污染最為嚴(yán)重的一層。顏色為黑色至深黑色，呈稀漿狀或流塑狀，有臭味。該層為近年來(lái)人類活動(dòng)的產(chǎn)物。

b.污染過(guò)渡層：健康泥層到污染底泥層的漸變層，顏色多為灰黑色，軟塑-塑狀，較污染層密實(shí)。

c.健康層：未被污染的底泥層。其顏色保持未被污染的當(dāng)?shù)赝临|(zhì)正常顏色，一般無(wú)異味，質(zhì)地較密實(shí)。

2.3 達(dá)標(biāo)清淤深度確定路徑

底泥達(dá)標(biāo)清淤深度是污染底泥工程量計(jì)算的關(guān)鍵，也是清淤設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問(wèn)題。一是要用科學(xué)的方法評(píng)價(jià)不同污染類型的底泥，二是要合理地根據(jù)底泥垂向變化分析確定其污染變化的拐點(diǎn)。

根據(jù)底泥分層樣品測(cè)定的污染物含量數(shù)據(jù)，進(jìn)行底泥中物理指標(biāo)、營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬的污染程度分析，進(jìn)行水平及垂向變化分析。根據(jù)泥水界面營(yíng)養(yǎng)鹽釋放理論確定的底泥達(dá)標(biāo)清淤標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合污染底泥釋放風(fēng)險(xiǎn)對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)對(duì)重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合有毒有機(jī)物生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)，對(duì)不同類型污染底泥的污染程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，分析確定不同類型底泥的達(dá)標(biāo)清淤深度。

3 底泥污染現(xiàn)狀調(diào)查檢測(cè)

3.1 干流黑臭底泥厚度及分層調(diào)查

為初步判定茅洲河干流黑臭底泥的厚度，在干流上布置了五個(gè)典型斷面，每個(gè)斷面布置左中右3個(gè)典型鉆孔，每孔鉆深2～3m。根據(jù)取芯土樣，黑臭底泥與污染較輕的土樣之間有較為明顯的顏色分界線，黑臭底泥的厚度在0.4～1.8m之間，普遍在1m左右。在普查的5個(gè)斷面中，有3個(gè)斷面是中間薄、兩邊厚，有2個(gè)斷面是中間厚、兩邊薄，見(jiàn)圖2。

圖2 干流典型斷面底泥厚度分布

底泥多為浮泥—淤泥，呈流塑狀，顏色為黑色，腐臭味較重。

3.2 底泥污染指標(biāo)檢測(cè)

3.2.1 檢測(cè)點(diǎn)分布

為了檢測(cè)現(xiàn)狀底泥污染狀況，在干支流布置了46個(gè)檢測(cè)斷面，根據(jù)河面寬度每個(gè)斷面取1～4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，共布設(shè)86個(gè)點(diǎn)位，取樣深度0～3m，詳見(jiàn)圖3。分別在每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的0.5m、1.0m、1.5m取樣進(jìn)行檢測(cè)，個(gè)別點(diǎn)位在2.0m、2.5m取樣進(jìn)行檢測(cè)。為便于分析，檢測(cè)點(diǎn)布設(shè)共分為3個(gè)區(qū)，其中茅洲河干流以支流沙井河為界分為兩個(gè)區(qū)，上游為A區(qū)，下游為C區(qū)，支流沙井河為B區(qū)。

根據(jù)底泥淤積厚度和現(xiàn)場(chǎng)可辨的污染情況，將底泥按照污染情況分為污染層、污染過(guò)渡層、過(guò)渡層、健康層等層級(jí)進(jìn)行分析。

3.2.2 檢測(cè)項(xiàng)目及指標(biāo)

底泥檢測(cè)項(xiàng)目及指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖3 底泥勘測(cè)點(diǎn)位布設(shè)圖

4 底泥污染評(píng)價(jià)分析

根據(jù)取樣檢測(cè)數(shù)據(jù)，茅洲河流域底泥污染物主要為營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬和有機(jī)物污染。因此，本文采用3種不同類型的污染物評(píng)價(jià)方法對(duì)底泥污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.1 營(yíng)養(yǎng)鹽污染評(píng)價(jià)分析

采用底泥沉積物單因子污染指數(shù)法對(duì)底泥營(yíng)養(yǎng)鹽污染進(jìn)行評(píng)價(jià)[2]：

Si=Ci/Cs

(1)

式中：Si為底泥污染因子i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為底泥污染評(píng)價(jià)因子i的實(shí)測(cè)值；Cs為底泥污染因子i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，本研究TN評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值取550mg/kg，TP評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值取600mg/kg。

底泥營(yíng)養(yǎng)鹽污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

4.1.1 氮營(yíng)養(yǎng)鹽污染評(píng)價(jià)

A區(qū)底泥污染層的STN在0.36～6.72之間，平均值2.97，屬于重度污染；過(guò)渡層屬于中、輕度污染，健康層底泥STN<1.0，屬于清潔狀態(tài)。

B區(qū)底泥污染層的STN在0.01～7.07之間，平均值3.94，屬于重度污染；過(guò)渡層也屬于重度污染，健康層底泥屬于清潔狀態(tài)。

C區(qū)底泥污染層的STN在0.37～11.53之間，平均值3.35，屬于重度污染；過(guò)渡層也屬于中度污染，健康層底泥屬于清潔狀態(tài)。

從整體來(lái)看，STN均值為2.23，屬于重度污染。其中，最大值11.53，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。分區(qū)采樣點(diǎn)底泥氮營(yíng)養(yǎng)鹽標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)見(jiàn)圖4。

4.1.2 磷營(yíng)養(yǎng)鹽污染評(píng)價(jià)

A區(qū)底泥污染層的STP在0.24～9.06之間，平均值3.44，屬于重度污染；污染過(guò)渡層和過(guò)渡層屬于輕度污染，其它層底泥STP<0.5，屬于清潔層。

B區(qū)底泥污染層的STP在1.73～10.54之間，平均值5.75，屬于重度污染；污染過(guò)渡層和過(guò)渡層屬于輕度污染，健康層底泥屬于清潔狀態(tài)。

C區(qū)底泥污染層的STP在0.53～10.11之間，平均值4.25，屬于重度污染；其他層均屬于輕度污染。

整體來(lái)看，STP均值為1.92，屬于重度污染，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。分區(qū)采樣點(diǎn)底泥磷營(yíng)養(yǎng)鹽標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)見(jiàn)圖5。

圖5 分區(qū)采樣點(diǎn)底泥磷營(yíng)養(yǎng)鹽標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)圖

4.1.3 有機(jī)質(zhì)污染評(píng)價(jià)

B區(qū)有機(jī)質(zhì)含量最高，最大值高達(dá)211679.08mg/kg，均值39526.65mg/kg；C區(qū)平均含量27213.34mg/kg，A區(qū)平均含量24417.52mg/kg。污染集中在深度0～2m的位置，茅洲河有機(jī)質(zhì)污染嚴(yán)重。

4.2 重金屬污染評(píng)價(jià)分析

(2)

(3)

多金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)RI計(jì)算公式為

(4)

表3 重金屬背景值Cni和生物毒性響應(yīng)系數(shù)Tri

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等級(jí)劃分[5]

根據(jù)計(jì)算結(jié)果：

A區(qū)：0～1m深度，風(fēng)險(xiǎn)均值802，為很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；1～3m均值362，為強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；3～4m均值100，為輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。0～2m深度范圍Cd貢獻(xiàn)率均為最大，其次是Cu和Ni；但是2～3m范圍內(nèi)，Cu和Ni貢獻(xiàn)率明顯升高，Cd貢獻(xiàn)率僅為第三。

B區(qū)：0～1m深度，風(fēng)險(xiǎn)均值1972，為極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；1～2m均值1465，仍為極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；2～3m均值665，為強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；3～4m均值133，為輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。Cu對(duì)B區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率明顯增大。Cd貢獻(xiàn)率次之，其次是Ni。

C區(qū)：0～1m深度，風(fēng)險(xiǎn)均值819，為很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；1～2m均值1067，為極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；2～3m均值637，為強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；3～4m均值233，為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。各個(gè)深度Cd貢獻(xiàn)率均為最大，Cu和Ni次之。

從整體來(lái)看，污染層潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均值為1458，為極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；污染過(guò)渡層風(fēng)險(xiǎn)均值331，為強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；健康層120，屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

重金屬主要污染因子平均濃度分布見(jiàn)圖6。

圖6 重金屬平均濃度分布

5 底泥清淤必要性分析及清淤量確定

5.1 清淤必要性分析

根據(jù)勘察結(jié)果，茅洲河干支流底泥量大，富含有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽，重金屬含量高，成分復(fù)雜，污染嚴(yán)重，臭味明顯；氮、磷釋放通量大，且釋放時(shí)間長(zhǎng)。即使控制了外源污染物的輸入，如不對(duì)底泥進(jìn)行清淤，茅洲河水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)無(wú)法得以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，底泥淤積對(duì)河道行洪安全也帶來(lái)很大隱患。故此，對(duì)茅洲河干支流底泥進(jìn)行達(dá)標(biāo)清淤勢(shì)在必行。

5.2 清淤厚度及清淤量確定

根據(jù)研究結(jié)果，結(jié)合茅洲河水質(zhì)達(dá)標(biāo)要求，對(duì)不同的區(qū)域?qū)嵭胁煌倪_(dá)標(biāo)清淤深度，見(jiàn)圖7?？傮w清淤厚度在0.7～2.5m之間，一般在1.1～1.8m之間。

圖7 茅洲河干支流達(dá)標(biāo)清淤深度

實(shí)際清淤量包括凈挖量、超挖量及回淤量，并考慮河道天然縱坡要求。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算得到A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)的達(dá)標(biāo)清淤量分別為125萬(wàn)m3、111萬(wàn)m3、95萬(wàn)m3，合計(jì)331萬(wàn)m3。

6 清淤實(shí)施效果及評(píng)價(jià)

依據(jù)研究結(jié)果，制定了茅洲河底泥清淤及處理處置方案。為了盡量避免清淤過(guò)程中底泥污染物擴(kuò)散到水體中，清淤采用“環(huán)保絞吸式挖泥船+封閉式管道輸送”方案，配合GPS測(cè)量精確控制清淤厚度，底泥通過(guò)管道輸送到專門的底泥處理廠進(jìn)行脫水固化。

茅洲河17條干支流底泥清淤工程于2020年6月全部完成，實(shí)際完成底泥清淤322.44萬(wàn)m3，其中干流清淤231.77萬(wàn)m3，支流沙井河清淤59.5萬(wàn)m3，其他15條支流清淤31.17萬(wàn)m3。通過(guò)壓濾脫水后的泥餅含水率在40%左右，泥餅用于燒制陶粒，制成透水地磚用于工程中，底泥清淤做到了減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化、資源化。

通過(guò)清淤共消除Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、TN、TP、有機(jī)質(zhì)污染物分別為929t、775t、2580t、7t、162t、5482t、4291t、86385t。同時(shí)，底泥余水按照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)處理達(dá)標(biāo)后排放，共處理余水3140萬(wàn)m3，削減COD、NH3-N、TP分別為345t、534t、129t。通過(guò)岸上截污與底泥清淤雙管齊下，2020年7—10月(6月清淤完成)茅洲河國(guó)考共和村斷面的氨氮、總磷平均濃度分別為1.26mgL、0.25mgL，兩項(xiàng)的平均指標(biāo)已達(dá)到地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)[6]。2021年1—7月，共和村斷面平均水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，清淤效果顯著。

7 結(jié) 論

茅洲河流域底泥污染重，污染因子復(fù)雜，是影響水質(zhì)達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵因素之一。通過(guò)勘測(cè)采樣，分析了底泥中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬等污染物含量及其空間分布特征，并對(duì)污染物進(jìn)行了源解析。以水質(zhì)達(dá)標(biāo)為目標(biāo)，提出了清淤深度和清淤量，為茅洲河開(kāi)展底泥清淤工作提供了可靠的依據(jù)。通過(guò)清淤，結(jié)合岸上截污措施，茅洲河國(guó)考斷面水質(zhì)由劣Ⅴ類轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇硭纛悾f(shuō)明本研究清淤路線及據(jù)此確定的清淤深度是合適的，其研究路線、方法可為類似工程參考。