河道污染底泥清淤深度確定及工程示范應(yīng)用研究

肖詩(shī)瑤，劉金龍

（1.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

前 言

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，城市水體受到了不同程度的污染，隨著國(guó)務(wù)院《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（“水十條”）的頒布，近年污水管網(wǎng)不斷完善，外源污染得到了有效控制，而河湖底泥作為水體內(nèi)源污染的源頭，內(nèi)源治理也是水質(zhì)進(jìn)一步改善的必要措施。底泥治理主要包括原位處理和異位處理兩大類，但根據(jù)國(guó)內(nèi)外不少實(shí)施案例來(lái)看，原位處理反復(fù)概率大，本文研究側(cè)重于異位處理即底泥清淤。

近年來(lái)，我國(guó)陸續(xù)展開(kāi)了以江蘇太湖[1]、云南滇池[2]、武漢水果湖[3]等為代表的河湖環(huán)保清淤工程，環(huán)保清淤技術(shù)得到了一定發(fā)展，但仍存在底泥調(diào)查不足、疏挖精度有待提高等問(wèn)題[4]。關(guān)于如何確定底泥清淤深度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后開(kāi)展深入研究。如王雯雯等[5]利用氮、磷解吸試驗(yàn)推算太湖竺山灣污染底泥環(huán)保疏浚深度；吳永紅等[6]對(duì)滇池典型湖灣沉積物氮、磷化學(xué)特性及疏浚層進(jìn)行推算，采用趨勢(shì)和拐點(diǎn)法來(lái)確定疏浚深度；當(dāng)無(wú)具體的底泥監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，一般參照國(guó)內(nèi)外已實(shí)施的工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)取值,疏浚深度一般在（40～50）cm 為宜，存在一定的盲目性。

本文在回顧以往的底泥疏浚深度的研究成果基礎(chǔ)上，綜合考慮底泥的分層污染、底泥營(yíng)養(yǎng)鹽污染、污染物垂直分布特點(diǎn)，結(jié)合河道回淤風(fēng)險(xiǎn)、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)示范應(yīng)用于深圳河清淤工程中，旨在為城市河道污染底泥清淤深度確定提供借鑒意義。

1 污染底泥清淤深度確定方法

1.1 底泥指標(biāo)檢測(cè)

底泥現(xiàn)狀調(diào)研與分析是底泥清淤深度確定的基礎(chǔ)。對(duì)底泥的調(diào)查研究需結(jié)合工程目標(biāo)分析，主要調(diào)查指標(biāo)及內(nèi)容：①垂直分層特性，調(diào)查底泥分布范圍及分布量；②基本理化性質(zhì)，含水率、pH 及粒徑；③營(yíng)養(yǎng)鹽特性，有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷和氨氮等；④重金屬污染，包括銅、鋅、鎘、鉛、汞、砷、鉻、鎳、銀等。此外，如有條件開(kāi)展底泥對(duì)上覆水體污染物釋放率的測(cè)定。

目前，關(guān)于污染底泥的指標(biāo)調(diào)查還沒(méi)有相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，一般根據(jù)工程目標(biāo)來(lái)開(kāi)展相關(guān)工作。在以內(nèi)源污染控制為主的清淤工程中，以改善水質(zhì)目標(biāo)為重點(diǎn)，往往重視底泥污染成分全氮、總磷的監(jiān)測(cè)與分析，針對(duì)清淤后的底泥側(cè)重于底泥毒性污染分析，如重金屬、石油烴等指標(biāo)。

1.2 底泥污染特性評(píng)估

底泥污染評(píng)價(jià)是確定清淤深度的重要依據(jù)，同時(shí)對(duì)清淤后底泥的處理處置方案及資源化消納途徑的選擇至關(guān)重要。

總體來(lái)講，河湖底泥主要污染類型包括營(yíng)養(yǎng)鹽（氮、磷）污染、重金屬污染、有機(jī)污染等，其中營(yíng)養(yǎng)鹽污染和重金屬污染較為普遍，底泥中的營(yíng)養(yǎng)鹽釋放至上覆水體將影響水質(zhì)，重金屬污染決定了底泥的危害程度。因此，科學(xué)評(píng)估底泥的污染特性，可系統(tǒng)全面地揭示河底泥污染現(xiàn)狀，為水質(zhì)改善和底泥疏浚提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

目前，對(duì)于底泥的污染特性評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或參照。關(guān)于氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽污染的評(píng)價(jià)多采用單項(xiàng)因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法，根據(jù)污染程度分為1～4 級(jí)；關(guān)于重金屬污染的評(píng)價(jià)，由于缺乏相應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有工程一般可參考土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[如《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618-2018）]來(lái)進(jìn)行。主要評(píng)價(jià)方法包括：?jiǎn)雾?xiàng)指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法、地累積指數(shù)法等[7]，其中對(duì)于重金屬評(píng)價(jià)應(yīng)用較多的為Hakanson 潛在生態(tài)危害指數(shù)法。

1.3 底泥清淤深度的確定

清淤深度是應(yīng)綜合考慮水質(zhì)情況、底泥理化性質(zhì)、污染物分層情況、周邊生態(tài)環(huán)境來(lái)確定，疏浚深度是環(huán)保疏浚的主要施工參數(shù)，確定疏浚深度的常用方法主要有分層法、拐點(diǎn)法、背景值比較法及底泥吸附和解吸特征法：

1）分層法，該法通過(guò)觀察采集的泥柱樣品，根據(jù)泥柱的外觀（如色澤、顆粒的粗細(xì)、流態(tài)、臭味等）來(lái)進(jìn)行分層，然后再對(duì)分層樣品進(jìn)行目標(biāo)污染物的含量分析，比較各分層樣品中污染物含量的大小，從而來(lái)確定疏浚深度，該法主要依賴主觀判斷，缺乏科學(xué)性。

2）拐點(diǎn)法，該法是依據(jù)泥柱污染物垂直分布過(guò)程中出現(xiàn)明顯減小或者轉(zhuǎn)折的變化，將上部分泥層確定為污染層，下部分泥層確定為穩(wěn)定層或者歷史沉積層。疏浚深度為該轉(zhuǎn)折點(diǎn)到達(dá)底泥表面的距離。

3）背景值比較法，該法是將未受到污染的底泥作為參照，采用數(shù)學(xué)方法對(duì)某種污染物含量進(jìn)行比較，從而確定底泥受污染的深度。該方法最大的局限性，就是要尋找到未受到污染底泥的參照物。

4）基于底泥吸附和解吸特征推算法，該法通過(guò)比較需要重點(diǎn)關(guān)注的污染物平衡濃度（ECO）與設(shè)定水質(zhì)目標(biāo)之間的大小關(guān)系，判斷出底泥與上覆水體的吸附與解吸關(guān)系，從而幫助確定疏浚深度。

綜上所述，分層法可表觀判斷污染特征的情況，但不夠嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)，可作為輔助判斷依據(jù)；背景值比較法對(duì)于背景值選擇難度較大，也缺乏支撐依據(jù)，故在底泥清淤時(shí)應(yīng)充分調(diào)查底泥理化性質(zhì)，分析污染物垂直分布特性，尋找拐點(diǎn)，確定清淤深度。對(duì)于水質(zhì)改善的底泥清淤工程，有條件開(kāi)展底泥污染物對(duì)上覆水體的吸附及解吸特征研究，尋找底泥污染物含量的平衡濃度，作為深度清淤控制值；對(duì)于有機(jī)質(zhì)及重金屬污染的底泥，可采用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，評(píng)估污染風(fēng)險(xiǎn)確定清淤控制值。此外，在清淤深度確定上，還應(yīng)綜合考慮底棲生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)風(fēng)險(xiǎn)、河道回淤風(fēng)險(xiǎn)及底泥擾動(dòng)后的二次污染風(fēng)險(xiǎn)，合理確定清淤范圍和深度。

2 深圳河底泥清淤示范工程應(yīng)用

2.1 基本情況

深圳河作為深港界河，其河口斷面為國(guó)家河道水質(zhì)達(dá)標(biāo)考核的國(guó)控?cái)嗝妫S著近年水環(huán)境治理工程的實(shí)施，深圳河干流排放口旱季污水截流工程已全部完成，考核斷面已基本消除黑臭，但距水質(zhì)達(dá)到V 類水標(biāo)準(zhǔn)仍有一定的差距。水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的主要原因有兩方面：一方面，深方陸域的污水還未完全得到分流收集和高標(biāo)準(zhǔn)處理排放；另一方面，河道本身多年積存下來(lái)的污染底泥釋放造成了內(nèi)源污染。

由于深圳河底泥淤積及污染嚴(yán)重，如不實(shí)施內(nèi)源削減工程，很難實(shí)現(xiàn)水質(zhì)目標(biāo)，深圳河清淤工程旨在對(duì)污染最嚴(yán)重河段的污染底泥進(jìn)行清淤，消除污染底泥對(duì)水質(zhì)的不良影響。

2.2 底泥理化性質(zhì)

2.2.1 底泥采樣及檢測(cè)指標(biāo)

清華大學(xué)深圳研究生院于2017 年7 月在深圳河上布設(shè)了11 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，包括支流匯入口、口岸重要節(jié)點(diǎn)、考核斷面等具有代表性的點(diǎn)位，每個(gè)斷面設(shè)一個(gè)采樣孔，采集底泥深度基本可達(dá)各斷面平均淤積深度，對(duì)其理化性質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè)。

2.2.2 底泥采樣情況

根據(jù)泥柱現(xiàn)場(chǎng)可辨的污染情況，可將深圳河底泥劃分為：黑色污染層、健康過(guò)渡層、健康層。黑色污染層主要為黑色污泥，含有泥沙，可塑性不強(qiáng)，臭味明顯；健康過(guò)渡層較上面的污染層顏色變淺，泥柱顏色為淺黑色或青色，黏度較大，具有一定的可塑性，臭味減輕；健康層為淺黃色或者灰黃色，含有沙礫和貝殼，硬度變大，基本沒(méi)有臭味。在此基礎(chǔ)上對(duì)泥柱進(jìn)行了分層，分層的原則如下：泥柱從表面開(kāi)始往下0.5 m，每10 cm一層；（0.5～1）m 之間，分兩層，每25 cm 一層；1 m 以下按每50 cm 分層。見(jiàn)圖1。

圖1 深圳河底泥采樣情況及平均淤積深度情況圖

2.2.3 底泥主要污染物特征

由清華大學(xué)深圳研究生院底泥污染物檢測(cè)數(shù)據(jù)[8]可知，底泥中污染物以總氮、總磷以及Cu、Zn、Ni 等重金屬為主。

1）營(yíng)養(yǎng)鹽污染物。

總氮：沿河流方向，D1、D2、D10、D11 斷面的總氮含量均較低，D3～D5 斷面總氮含量相對(duì)較高；從D1 到D5 斷面，不同深度的底泥中總氮含量均逐漸上升，從D6 斷面開(kāi)始又逐漸下降。垂向上，除D5 斷面外總氮含量隨深度增加波動(dòng)較大，無(wú)明顯規(guī)律；D5 斷面在（0～200）cm 以內(nèi)隨深度增加而呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，（200～300）cm 呈下降趨勢(shì)，見(jiàn)圖2。

圖2 泥層總氮沿程分布圖

總磷：沿河流方向，D1～D5 斷面的總磷平均含量相對(duì)較高，D10、D11 斷面總磷含量明顯低于其他斷面。D3 斷面表層和中間層底泥中總磷含量最高，D10、D11 斷面表層和中間層底泥中總磷含量較低，其他斷面表層和中間層底泥中總磷含量居中且差別較小；D1、D4 斷面底層底泥中總磷含量最高，D2、D3、D5 斷面底層底泥中總磷含量較高，其他斷面底層底泥中總磷含量較低。各斷面垂直向上的總磷分布規(guī)律不甚明顯，但多數(shù)斷面表層總磷含量較高，往下往往呈現(xiàn)先下降、后上升、接近河底又下降的趨勢(shì)，見(jiàn)圖3。

圖3 泥層總磷沿程分布圖

2）重金屬污染物。超標(biāo)較多的重金屬主要是Cu、Zn、Ni 三種，超標(biāo)現(xiàn)象主要見(jiàn)于D3～D9 斷面。各斷面Cu、Zn、Ni 含量隨底泥深度增加基本呈現(xiàn)先上升、后下降的趨勢(shì)，但具體各層含量有一定的波動(dòng)；D4 斷面在深度300 cm 處仍為黑色污染層，Cu、Zn、Ni 含量在300 cm 以內(nèi)隨深度增加而波動(dòng)上升，未見(jiàn)下降趨勢(shì)，重金屬沿程分布以銅為例，見(jiàn)圖4。

圖4 泥層銅沿程分布圖

2.2.4 清淤深度確定

根據(jù)底泥理化性質(zhì)與污染特征分析，目前底泥污染最為嚴(yán)重的為D3、D4、D5 斷面，本次示范工程擬優(yōu)先對(duì)該河段進(jìn)行清淤，即羅湖口岸～濱河污水處理廠河段。

清淤深度主要通過(guò)水質(zhì)超標(biāo)的污染物來(lái)確定，本次清淤旨在改善水質(zhì)，清淤深度擬根據(jù)底泥分層特性，主要污染物的風(fēng)險(xiǎn)值，分布特征，并結(jié)合河段各斷面的淤積深度來(lái)綜合確定。

1）基于底泥分層情況確定。深圳河大部分底泥存在明顯分層，污染層特征為淤泥發(fā)黑油亮、密度小、顆粒構(gòu)成細(xì)、含水率很高、帶有臭味，屬于重度污染部分；污染層往下，淤泥較上面的污染層顏色變淺，泥柱顏色為淺黑色或青色，黏度較大，具有一定的可塑性、臭味減輕，為健康過(guò)渡層，屬于輕度污染部分；再往下層往往出現(xiàn)淺黃色或者灰黃色泥層，其泥質(zhì)緊密而細(xì)膩并夾雜著生物殼，為健康層，屬于清潔部分。宜將重度污染層清除，輕度污染部分酌情清除，但不宜影響到清潔部分，根據(jù)《疏浚與吹填技術(shù)規(guī)范》環(huán)保疏浚斷面頂高程應(yīng)不高于過(guò)渡層頂高程，疏浚厚度宜小于污染層和過(guò)渡層總厚度，所以基于底泥分層特性，最小清淤深度按污染層深度控制。

2）基于底泥營(yíng)養(yǎng)鹽污染風(fēng)險(xiǎn)分析。根據(jù)清華大學(xué)《深圳河底泥取樣調(diào)查報(bào)告》，對(duì)深圳河氮營(yíng)養(yǎng)鹽污染風(fēng)險(xiǎn)采用單項(xiàng)因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，單一污染因子i 的一般標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)如關(guān)系式：Si=Ci/Cs。深圳河總氮的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為800 mg/kg，總磷的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為600 mg/kg，其中Si＜1.0 為清潔，1.0≤Si≤1.5 為輕度污染，1.5＜Si≤2.0 為中度污染，Si＞2.0 為重度污染。本次清淤考慮將重度污染層清除掉，最小清淤深度按風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)2.0 控制。

3）基于底泥主要污染物分布的拐點(diǎn)特征確定。結(jié)合總氮、總磷和氨氮三類污染物在泥柱上的分布情況，本次選取污染物明顯降低的點(diǎn)位作為分界點(diǎn)，該點(diǎn)位以上的厚度作為疏浚厚度；針對(duì)泥柱中氮磷污染物在底泥厚度方向上垂直分布沒(méi)有明顯的拐點(diǎn)，或者拐點(diǎn)的氮磷污染物含量比表層的氮磷污染物含量更高的情況，則建議采樣深度為最低疏浚深度。

綜合上述分析，根據(jù)各斷面的污染物特征從底泥分層、底泥中主要污染物污染指標(biāo)及底泥主要污染物拐點(diǎn)分布特征確定的最小清淤深度中取高值，但不得超過(guò)現(xiàn)有的淤積深度，綜合來(lái)確定各斷面清淤積深度，D3～D6 各斷面清淤深度見(jiàn)表1。

表1 清淤河段各斷面最小清淤深度表 cm

3 結(jié) 論

1）底泥理化性質(zhì)及污染特性是確定底泥清淤的關(guān)鍵因素，對(duì)底泥的調(diào)查研究需結(jié)合工程目標(biāo)分析，確定清淤深度。

2）清淤深度的確定需根據(jù)底泥分層情況、污染物風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，結(jié)合污染物垂向分布尋找拐點(diǎn)綜合確定，有條件的情況下開(kāi)展底泥對(duì)上覆水體的污染釋放研究，以尋找到平衡濃度。

3）污染底泥尤其是重金屬污染底泥需進(jìn)行無(wú)害化處理，達(dá)到相應(yīng)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)后方可資源化利用。