流域綜合治理工程中河道底泥清淤深度的確定

阮超超

（福建省水利水電工程局有限公司，福建 泉州 362000）

0 引 言

隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的不斷增強(qiáng)，地方政府所主導(dǎo)的流域治理工程數(shù)量持續(xù)增多，根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，清淤深度是影響河道清淤效果的主要參數(shù)之一。疏浚深度過小，則無法起到底泥污染物去除及河道有效治理的效果；疏浚深度過大，則會增大河道底部生態(tài)修復(fù)的難度，甚至影響岸坡穩(wěn)定。學(xué)術(shù)界對河道底泥清淤深度也展開大量研究，但是國內(nèi)外仍缺乏環(huán)保疏浚深度方面的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)流行較為廣泛的觀點(diǎn)是，應(yīng)當(dāng)通過河道疏浚擬要控制的目標(biāo)污染物隨底泥深度的剖面變化特征及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，確定底泥清淤深度。為此，文章依托具體的河道治理工程，分析河道底泥中重金屬總量及有效態(tài)含量在垂直向的分布特征，通過累計(jì)指數(shù)法評估不同深度底泥中重金屬累積性特征，并最終確定出河道底泥清淤深度。

1 工程區(qū)概況

海鹽縣古蕩河流域（城東片區(qū)）三期綜合治理工程位于海鹽縣武原街道城東片區(qū)內(nèi)，主要工程量為6 條河道整治，整治段總長度7.60km，河道清淤5.355km，水系連通2.245km，建設(shè)生態(tài)堤岸15.20km 等。城東片區(qū)是整個(gè)流域水質(zhì)污染最為嚴(yán)重、水質(zhì)惡化速率最快的區(qū)域之一，底泥污染嚴(yán)重，是流域綜合治理的重點(diǎn)難點(diǎn)。古蕩河流域地處海鹽縣內(nèi)，位于太湖流域南部地帶，北亞熱帶南緣，屬于典型的東亞季風(fēng)氣候，溫和濕潤，四季分明，日照充足，熱量豐富，降水充沛，有霜期短。

2 底泥性質(zhì)檢測

2.1 樣品采集

2021 年3 月對流域綜合治理工程城東片區(qū)河道表層底泥展開采樣，并對底泥中重金屬含量展開檢測分析，結(jié)合重金屬水平分布特征，確定出片區(qū)內(nèi)底泥重金屬污染的典型區(qū)域；針對該區(qū)域展開密集采樣，具體使用內(nèi)外徑分別為61.8cm 和65cm 的內(nèi)嵌管薄壁取樣器采集底泥樣品，并進(jìn)行河道重金屬污染底泥清淤深度計(jì)算。

借鑒相應(yīng)研究成果及《疏浚巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，根據(jù)河道疏浚底泥的顏色、氣味、含水量、性狀等特征，可將其由上至下分成氧化層、污染層、過渡上層和過渡下層、湖泥層。海鹽縣古蕩河流域（城東片區(qū)）三期綜合治理河道底泥分層特征詳見表1。將采集到的底泥樣品現(xiàn)場分割后裝入聚乙烯封口袋內(nèi)密封冷凍保存，達(dá)到干燥度要求過100 目 篩后保存?zhèn)溆谩?/p>

表1 河道底泥分層特征匯總

2.2 試驗(yàn)方法

稱取試樣0.4g 加入聚四氟乙烯坩堝，并通過HCl-HNO3-HF-HclO4電熱板加熱法消解樣品，為保證試樣性能穩(wěn)定，應(yīng)控制消解溫度及時(shí)間，若溫度過高或消解時(shí)間較短，則試樣更容易蒸干，水分散失較快，測定結(jié)果偏低；反之則反是[1]。再將消解液移放置50mL 聚乙烯容量瓶內(nèi)冷卻并定容后，靜置在冷藏箱內(nèi)備用。依次通過石墨爐原子吸收分光光度計(jì)和火焰原子吸收分光光度法展開河道底泥試樣重金屬總量測定。

為更加準(zhǔn)確反映河道清淤底泥重金屬對水體二次污染的生物有效性，還必須通過TCLP 浸出試驗(yàn)進(jìn)行底泥中重金屬有效態(tài)含量測定[2]。

采用BCR三步連續(xù)提取技術(shù)展開河道清淤底泥中重金屬形態(tài)分析。具體步驟如下：①稱取試樣1.0g加入100mL離心管內(nèi)，再加入40mL的濃度0.1mol/L醋酸，并在(22±5)℃的恒溫狀態(tài)下不間斷振蕩16h，按照3000r/min的轉(zhuǎn)速持續(xù)離心20min。將離心管內(nèi)表層上清液取至50mL比色管內(nèi)，再將10mL純水加入剩余殘?jiān)?，充分混合后按?000r/min的轉(zhuǎn)速持續(xù)離心20min，將提前分離出去的上清液再次加入離心管中，并搖勻。②在以上過程中得到的殘?jiān)鼉?nèi)摻加40mL的濃度為0.5mol/L的HN2OH·HCl，在22℃±5℃的恒溫狀態(tài)下不間斷振蕩16h，按照3000r/min的轉(zhuǎn)速持續(xù)離心20min。將離心管內(nèi)表層上清液取至50mL比色管內(nèi)，再將10mL純水加入剩余殘?jiān)?，充分混合后按?000r/min的轉(zhuǎn)速持續(xù)離心20min，將提前分離出去的上清液再次加入離心管中，加水至刻度后搖勻。③在上一步所得到的殘?jiān)鼉?nèi)摻加10mL的H2O2，拌勻后在常溫下靜置60min，再加熱至90℃后摻入10mL的H2O2，按照同樣要求拌勻、靜置、加熱后摻入40mL的濃度為1.0mol/L的醋酸銨，持續(xù)振蕩后按照相同頻率離心，將上清液轉(zhuǎn)移至50mL比色管內(nèi)，加水稀釋后搖勻。

通過Agilent ICP-MS 7500 測定河道底泥試樣重金屬總量和不同形態(tài)含量，該儀器工作參數(shù)詳見表2。在使用儀器測樣前必須通過調(diào)諧液和內(nèi)標(biāo)溶液調(diào)諧儀器，確保信號穩(wěn)定性及儀器靈敏度；還應(yīng)對試樣內(nèi)待測重金屬展開加標(biāo)回收試驗(yàn)，以檢測數(shù)據(jù)有效性，將加標(biāo)回收率控制在94~110%范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)處理通過SPSS22.0 和Excel 軟件，圖形則通過Origin8.0 和ArcGIS10.8 繪制。

表2 Agilent ICP-MS 7500 工作參數(shù)

2.3 底泥重金屬分布

通過以上試驗(yàn)對該治理河道清淤底泥試樣中主要重金屬含量展開測定，根據(jù)重金屬具體分布情況，該河道內(nèi)表層底泥重金屬分布呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域特征，其中Zn、Cu、Ni、Cr 等重金屬主要分布在河道南側(cè)緊鄰杭州灣處河道，Pb 則集中分布在西側(cè)靠近鹽平塘的入河口處，Cd 及Hg 則集中分布在河道海塘支線側(cè)。根據(jù)含量及水平空間分布范圍，該河道表層底泥內(nèi)Cd 為主要污染重金屬，故將Cd含量較高的區(qū)域確定為海鹽縣古蕩河流域（城東片區(qū)）三期綜合治理河道代表性研究區(qū)域。

2.3.1 重金屬總量垂直分布

通過分析河道治理工程清淤底泥重金屬總量，可以為河道水環(huán)境污染程度評價(jià)提供指導(dǎo)，也能披露河道底泥重金屬富集及底泥重金屬污染程度信息。對海鹽縣古蕩河流域（城東片區(qū)）三期綜合治理河道受重金屬污染的典型區(qū)域1~7 號采樣點(diǎn)柱狀底泥內(nèi)幾種主要重金屬總量垂直分布展開分析，分析結(jié)果，河道內(nèi)底泥中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb 等重金屬總量隨取樣深度的垂直變化取值基本一致，均整體下降。其中以上重金屬總量在底泥氧化層、污染層、過渡層內(nèi)波動較大，并均隨取樣深度的增大而呈減小趨勢；而在湖泥層，重金屬含量基本穩(wěn)定，隨取樣深度的增大變化較??；該治理河道清淤底泥中Zn、Pb、Cr、Ni、Cu、As、Cd、Hg 等幾種主要重金屬含量依次為35.10~125.29mg/kg、45.12~91.74 mg/kg、32.14~76.88mg/kg、21.59~42.38mg/kg、16.23~42.67mg/kg、6.34~13.24mg/kg、0.18~0.96 mg/kg、0.02~0.19mg/kg。該河道清淤底泥中污染最為嚴(yán)重的兩個(gè)分層是氧化層和污染層，其重金屬含量均高出處其余分層，例如，氧化層和污染層內(nèi)Zn 含量是湖泥層的3.0 倍和2.4 倍；氧化層和污染層內(nèi)Pb 含量是湖泥層1.6 倍和1.8 倍，氧化層中的Cr、Ni、Cu、As、Cd、Hg 重金屬含量依次為湖泥層的4.0 倍、1.5 倍、2.0 倍、1.8 倍、2.1倍和8.4 倍，污染層中的Cr、Ni、Cu、As、Cd、Hg重金屬含量依次為湖泥層的1.8倍、1.4倍、2.0倍、1.2 倍、3.5 倍和2.9 倍。

此外，通過對該河道底泥內(nèi)所集中的主要重金屬總量垂直分布的分析還看出，河道底泥內(nèi)重金屬存在累積效應(yīng)，特別是氧化層和污染層內(nèi)重金屬含量均高于其余分層，累積效應(yīng)更為突出。通過分析原因發(fā)現(xiàn)，河岸邊遭受重金屬污染的土壤在雨水沖刷下流入河道，人類活動所排放的高重金屬含量污染物未經(jīng)處理直接進(jìn)入水體，在經(jīng)過復(fù)雜的物化反映后最終沉積于河道底泥，加劇河道底泥重金屬污染。

2.3.2 生物可利用重金屬垂直分布

通過分析重金屬形態(tài)，可以對該清淤河道底泥中重金屬潛在的遷移特征、生態(tài)毒性及生物有效性展開深入研究。河道底泥內(nèi)鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)質(zhì)與硫化物結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)等均屬于可提取態(tài)，具備生物可利用屬性[3]。因河道底泥試樣內(nèi)Hg 含量低出儀器檢測限，故只測定其余主要重金屬離子的鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)質(zhì)與硫化物結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)，并根據(jù)三種形態(tài)測定結(jié)果分析該屬性隨取樣深度的垂直變化情況。

根據(jù)分析結(jié)果，該河道底泥生物可利用重金屬垂直分布趨勢與重金屬總量垂直分布基本一致。其中，生物可利用Cd 和Zn 重金屬含量隨取樣深度增大而變幅較大，氧化層和污染層內(nèi)生物可利用Cd含量依次為0.95mg/kg 和0.79mg/kg，為湖泥層生物可利用Cd 含量的14.21 倍和11.34 倍；氧化層和污染層內(nèi)生物可利用Zn 含量依次為118.98mg/kg 和93.52mg/kg，為湖泥層生物可利用Zn 含量的18.64倍和12.68 倍；氧化層和污染層內(nèi)其余幾種生物可利用典型重金屬含量均高出湖泥層。

3 底泥清淤深度確定

結(jié)合對該河道7 處采樣點(diǎn)底泥內(nèi)典型重金屬含量垂直分布情況的分析，隨著取樣深度的增大，重金屬總量呈降低趨勢；而采樣點(diǎn)1~7 在水下1.0~1.5m 深度時(shí)底泥中重金屬含量基本穩(wěn)定，故應(yīng)將該河道底泥清淤深度確定在1.0~1.5m。

文章基于河道底泥中重金屬累積指數(shù)評價(jià)結(jié)果，應(yīng)用臨界累積深度測算公式[4]，進(jìn)行河道環(huán)保清淤深度確定，公式如下：

式中：hmax為河道底泥清淤深度，cm；為第i種重金屬累積深度臨界值，cm；n為重金屬種數(shù)；(h)為河道底泥深度為h時(shí)的第i種重金屬累積指數(shù)；C0為累積控制等級。

依據(jù)該河道斷面測繪資料及所在流域運(yùn)行水位，通過HEC-RAS 水面線計(jì)算程序推求20a 一遇洪峰流量水面線，結(jié)合河道底部的水利疏浚深度以及式（1）推求不同樁號段河道底泥清淤深度，結(jié)果具體見表3。通過以上對重金屬總量垂直分布及生物可利用重金屬垂直分布結(jié)果，并結(jié)合河道水面線及清淤疏浚深度的分析，在外界條件適宜的情況下，該河道氧化層、污染層、過渡層內(nèi)重金屬釋放的可能性較大，清淤時(shí)必須重點(diǎn)考慮。

表3 河道水面線及清淤疏浚深度

4 結(jié) 論

綜上所述，海鹽縣古蕩河流域（城東片區(qū)）三期綜合治理河道底泥內(nèi)重金屬污染較為嚴(yán)重，表層底泥中Zn、Pb、Cr、Ni、Cu、As、Cd、Hg 等幾種主要重金屬含量較高，根據(jù)對重金屬總量垂直分布情況的分析，重金屬總量隨底泥深度的增大而整體呈下降趨勢?；诤拥赖啄嘀兄亟饘倮鄯e程度評價(jià)結(jié)果構(gòu)建起河道環(huán)保清淤底泥開挖深度計(jì)算公式，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，河道內(nèi)重金屬污染底泥清淤深度推薦值為-0.02~-0.95m。文章的分析可作為河道治理工程底泥清淤深度確定的一般性工作流程，即在勘察檢測基礎(chǔ)上確定出清淤范圍及大致深度，通過取樣明確河道底泥重金屬污染程度以及清淤深度，指導(dǎo)河道底泥清淤施工。