洋河水庫(kù)底泥污染釋放對(duì)水庫(kù)水質(zhì)影響的研究

□謝 琳 李東艷 王浙帆

底泥釋放是水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因，一旦上覆水環(huán)境發(fā)生變化，底泥就會(huì)成為新的污染源向水體釋放氮、磷,加速水體的富營(yíng)養(yǎng)化。近年的中國(guó)環(huán)境狀況公告顯示，氮元素和磷元素是中國(guó)湖泊主要污染指標(biāo)之一，氮、磷元素的積累會(huì)導(dǎo)致湖水出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化，使水體環(huán)境、水質(zhì)等逐漸惡化,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類生活環(huán)境造成威脅。湖泊中磷元素的來(lái)源分為外源輸入和底泥釋放兩種。近年來(lái)，湖泊治理力度逐漸加大,外源營(yíng)養(yǎng)鹽輸入得到一定控制,沉積物的底泥釋放成為影響湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽累積的重點(diǎn)。目前，針對(duì)洋河水庫(kù)底泥污染釋放的研究較少，隨著流域點(diǎn)源和面源污染治理的不斷深入，洋河水庫(kù)庫(kù)區(qū)底泥污染的分析和治理受到更多關(guān)注。

1.研究背景

洋河水庫(kù)位于秦皇島市撫寧區(qū)，1961 年8 月建成并投入使用，總庫(kù)容3.86 億m3，是一座以防洪為主，兼顧城市供水、灌溉及發(fā)電等綜合利用的大型水利樞紐工程，被列入全國(guó)重要飲用水水源地名錄。

20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，洋河水庫(kù)水體的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題越來(lái)越突出，藻類頻繁爆發(fā)。盡管隨著環(huán)保監(jiān)管力度的加大，水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，但近些年水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題仍時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致水質(zhì)無(wú)法達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

該問(wèn)題已經(jīng)引起諸多專家學(xué)者的關(guān)注,早在2013 年孫耀恒等就開展了AGP 實(shí)驗(yàn),探尋水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化成因，2014 年馮建社等針對(duì)污染現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并提出了防治對(duì)策，此后李鳳彬等把重點(diǎn)放在了上游污染源調(diào)查分析上，陳平、李大鳴等運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了上游面源污染負(fù)荷的空間分布特征，上述研究成果為水質(zhì)治理提供了重要參考。近日，專家學(xué)者對(duì)流域點(diǎn)源和面源污染的研究和相關(guān)治理不斷深入，但有關(guān)洋河水庫(kù)底泥污染釋放的研究較少，本文將針對(duì)洋河水庫(kù)底泥污染釋放對(duì)水庫(kù)水質(zhì)影響展開研究，為該水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境治理提供資料支持。

2.研究方法

本文通過(guò)對(duì)洋河水庫(kù)底泥厚度分布與賦存狀態(tài)的分析，揭示底泥中污染物的存在及風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)底泥分層監(jiān)測(cè)，掌握洋河水庫(kù)底泥污染狀況；通過(guò)開展底泥釋放試驗(yàn)，核算底泥污染負(fù)荷量，論證底泥污染對(duì)洋河水質(zhì)污染的影響。此次研究主要通過(guò)在樣點(diǎn)采集底泥，對(duì)底泥進(jìn)行調(diào)查評(píng)價(jià)、污染物分析，并依照《湖泊河流環(huán)保疏浚工程技術(shù)指南》中高氮、磷污染底泥環(huán)保疏浚控制值確定的方法進(jìn)行底泥釋放試驗(yàn)。

2.1 樣點(diǎn)布設(shè)

西洋河從西側(cè)河口匯入水庫(kù)，東洋河從東南側(cè)河口匯入水庫(kù)，水庫(kù)從南側(cè)流出。按照《地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ91.2—2022）、《農(nóng)用地土壤污染狀況詳查點(diǎn)位布設(shè)技術(shù)規(guī)定》（環(huán)辦土壤函〔2017〕1021 號(hào)）規(guī)定的密度和點(diǎn)位，結(jié)合洋河水庫(kù)實(shí)際情況，布點(diǎn)將洋河水庫(kù)劃分為中心庫(kù)區(qū)和東、西、南3 個(gè)河口區(qū)域，對(duì)中心庫(kù)區(qū)以1000m×1000m 網(wǎng)格/個(gè)進(jìn)行點(diǎn)位布設(shè)，河口區(qū)域考慮底泥可能受擾動(dòng)影響較大，進(jìn)行點(diǎn)位加密，以500m×500m 網(wǎng)格/個(gè)進(jìn)行點(diǎn)位布設(shè)，共布設(shè)底泥厚度調(diào)查勘測(cè)點(diǎn)位35個(gè)，分別采集底泥樣品，點(diǎn)位位置如圖1所示。

圖1 底泥厚度調(diào)查勘測(cè)點(diǎn)位和底泥釋放實(shí)驗(yàn)采樣點(diǎn)位布置

2.2 底泥檢測(cè)項(xiàng)確定及評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

底泥的檢測(cè)項(xiàng)目參考水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目，結(jié)合洋河水庫(kù)歷史水質(zhì)情況以及流域主要污染源情況，確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)為17 項(xiàng)，分別為：pH、氨氮、總磷（TP）、總氮（TN）、揮發(fā)酚、氰化物、汞、銅、鋅、鉛、鉻、鎘、砷、硒、鐵、錳、硫酸鹽。

與本文有關(guān)的氮、磷元素參照中國(guó)水科院2008 年《全國(guó)河流湖泊水庫(kù)底泥污染狀況調(diào)查評(píng)價(jià)》進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。

3.結(jié)果和分析

3.1 重點(diǎn)污染物綜合分析

將底泥柱狀取出，分層（表、中、深）檢測(cè)，主要超標(biāo)污染物均為總磷、總氮、鎘（本次暫不分析），其他重金屬元素（汞，銅，鋅，鉛，鉻，硒，鐵，錳，砷）有檢出但未超標(biāo)。

3.1.1 表層底泥

總磷：在檢測(cè)的35 個(gè)點(diǎn)位中有4 個(gè)點(diǎn)位為二級(jí)斷面，分別為位于西側(cè)的西洋河入河口區(qū)域的6 號(hào)（817mg/kg）、9 號(hào)（787mg/kg），南側(cè)緊靠大壩的17 號(hào)（953mg/kg）、19 號(hào)（941mg/kg），其余點(diǎn)位均為一級(jí)斷面。

總氮：在檢測(cè)的35 個(gè)點(diǎn)位中有17 個(gè)點(diǎn)位超標(biāo)，超標(biāo)率接近50%。位于水庫(kù)南側(cè)靠近大壩區(qū)域的點(diǎn)位有3 個(gè)為四級(jí)斷面；位于西洋河口處的點(diǎn)位6、9，東洋河河口的點(diǎn)位32，以及南側(cè)靠近大壩區(qū)域的5 個(gè)點(diǎn)位，共8 個(gè)點(diǎn)位為三級(jí)斷面。由此可見，表層底泥中的總氮含量由北向南呈遞增趨勢(shì)，南側(cè)水壩處污染數(shù)值較大。

3.1.2 中層底泥

總磷：在檢測(cè)的35 個(gè)點(diǎn)位的中層底泥中，有4 個(gè)點(diǎn)位為二級(jí)斷面，與表層底泥檢測(cè)結(jié)果相似，總磷的超標(biāo)點(diǎn)位仍位于西洋河河口處及緊鄰水壩區(qū)域，與表層底泥相比，超標(biāo)點(diǎn)位的總磷含量有所下降，其它點(diǎn)位為一級(jí)斷面。

總氮：在檢測(cè)的35 個(gè)點(diǎn)位中有17 個(gè)點(diǎn)位超標(biāo)，超標(biāo)率接近50%。其中位于水庫(kù)南側(cè)靠近大壩的區(qū)域的點(diǎn)位12、23 氮含量較高，總氮含量均達(dá)到了2140mg/kg，為四級(jí)斷面。其余分布特征與表層底泥類似，但與表層底泥中的總氮分布對(duì)比，超標(biāo)點(diǎn)位的總氮含量均有所下降。

3.1.3 深層底泥

洋河水庫(kù)深層底泥的污染情況與表層底泥和中層底泥的污染情況相比較輕，其中總磷點(diǎn)位共有2 個(gè)超標(biāo)斷面，總氮共有14 個(gè)超標(biāo)斷面。

3.1.4 綜合分析

通過(guò)以上對(duì)洋河水庫(kù)各層底泥的總磷、總氮含量分析，可以發(fā)現(xiàn)總磷的重點(diǎn)污染區(qū)域在西洋河河口，總氮的重點(diǎn)污染區(qū)域?yàn)橹心喜克畨翁?、東洋河河口及西洋河河口部分點(diǎn)位。從不同深度底泥的縱向分析來(lái)看，隨著泥深加深，總磷、總氮污染區(qū)域均趨于減小、污染物濃度有一定程度的降低。

3.2 底泥釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

用磷酸二氫鉀和氯化銨配制了9 組不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液。稱取13 個(gè)底泥樣點(diǎn)的上、中、下泥樣各10g，溶解在上述系列標(biāo)準(zhǔn)溶液中，充分混合，通過(guò)測(cè)定上覆水中總氮、總磷的含量來(lái)確認(rèn)庫(kù)區(qū)底泥的吸附—解吸平衡點(diǎn)。

3.2.1 總磷吸附—解吸平衡分析

取同一點(diǎn)位的表層底泥（1#）、中層底泥（2#）、深層底泥（3#），分別在系列濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液中振蕩48h 后，得到上清液的總磷濃度，繪制曲線如圖2 所示。虛線為空白對(duì)照，即無(wú)底泥時(shí)進(jìn)行吸附—解吸作用，溶液中總磷濃度無(wú)變化。虛線與曲線的高低對(duì)比，代表是否釋放總磷。

以上底泥釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

一是大部分點(diǎn)位的泥樣在總磷濃度0.1mg/L~0.2mg/L 時(shí)，達(dá)到吸附-解吸平衡；部分點(diǎn)位的泥樣對(duì)總磷的吸附效果較好，可達(dá)到平衡狀態(tài)。

二是溶液中的總磷濃度為地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值（0.05mg/L）時(shí)，只有部分點(diǎn)位的底泥可達(dá)到吸附—解吸平衡狀態(tài)或吸附狀態(tài)，即底泥具有凈化水體中總磷的作用。其他樣點(diǎn)均為解吸狀態(tài)，即底泥對(duì)水質(zhì)中的總磷含量有負(fù)面影響，具有污染風(fēng)險(xiǎn)。

三是從同一位點(diǎn)分層泥樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，絕大部分點(diǎn)位底泥的吸附效果為深層>中層>表層，即表層泥樣向水體中釋放的總磷量較多，污染風(fēng)險(xiǎn)較大。

3.2.2 總氮的吸附—解吸平衡分析

取同一點(diǎn)位的表層底泥（1#）、中層底泥（2#）、深層底泥（3#），分別在系列濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液中振蕩2h，充分混勻后，得到上清液的總磷濃度，繪制曲線得到圖3。虛線為空白對(duì)照，即無(wú)底泥時(shí)進(jìn)行吸附—解吸作用，溶液中總氮濃度無(wú)變化。虛線與曲線的高低對(duì)比，代表是否釋放總氮。

以上底泥釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

一是大部分點(diǎn)位的泥樣在總磷濃度2mg/L~4mg/L 時(shí)，可達(dá)到總氮的吸附—解吸平衡。

二是溶液中的總氮濃度為地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值（1mg/L）時(shí)，只有點(diǎn)位14、29 的底泥可達(dá)到吸附—解吸平衡狀態(tài)或吸附狀態(tài)，其他樣點(diǎn)均為解吸狀態(tài)，底泥中總氮的污染風(fēng)險(xiǎn)較高。

三是從同一點(diǎn)位分層泥樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，大部分點(diǎn)位底層泥的吸附效果較強(qiáng)，即底層泥樣向水體中釋放的總氮量較少，污染風(fēng)險(xiǎn)較小。

3.2.3 底泥污染風(fēng)險(xiǎn)分布

為了更加直觀地展示，水庫(kù)內(nèi)水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不同深度底泥對(duì)水體中總磷、總氮濃度的影響，選取總磷濃度0.05mg/L、總氮濃度1mg/L 的標(biāo)準(zhǔn)溶液，對(duì)表、中、深層底泥的吸附—解吸狀態(tài)繪制分布圖。

圖4 為洋河水庫(kù)表、中、深層底泥總磷的吸附—解吸分布圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在假設(shè)水庫(kù)水質(zhì)為地表水Ⅲ類的條件下，水庫(kù)南側(cè)接近水壩區(qū)域、西洋河和河口區(qū)域的底泥中總磷的解吸速率顯著大于吸附速率，有較大的污染風(fēng)險(xiǎn)。水庫(kù)中部及東部大部分區(qū)域底泥中總磷處于吸附—解吸平衡或解吸速率小于吸附速率的狀態(tài)，底泥具有凈化水體中總磷的作用。從不同深度底泥的吸附—解吸平衡態(tài)分析，淺層底泥處于解吸狀態(tài)的面積較大，其中點(diǎn)位9、12、16、17 的污染風(fēng)險(xiǎn)最大，隨著泥深加深，處于吸附狀態(tài)的底泥面積增大。

圖5 為洋河水庫(kù)表層、中層、深層底泥總氮的吸附—解吸分布圖，結(jié)果顯示，在假設(shè)水庫(kù)水質(zhì)為地表水Ⅲ類的條件下，處于西洋河河口的點(diǎn)位9、水庫(kù)中南部的點(diǎn)位23 以及東洋河河口的點(diǎn)位32，總氮的解吸速率顯著大于吸附速率，底泥對(duì)水庫(kù)水質(zhì)有嚴(yán)重污染風(fēng)險(xiǎn)。隨著底泥的加深，西洋河河口的點(diǎn)位9 解吸速率降低，逐漸達(dá)到吸附—解吸平衡，點(diǎn)位23、32依然存在較大的污染風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 洋河水庫(kù)表層、中層、深層底泥總氮的吸附—解吸分布

4.結(jié)論

一是洋河水庫(kù)底泥主要存在總磷、總氮、鎘（本次暫不分析）的污染，其中總氮的污染較嚴(yán)重，且污染面積廣（超過(guò)水庫(kù)總面積的1/3），污染風(fēng)險(xiǎn)程度南側(cè)水壩>西洋河河口>東洋河河口。

二是水庫(kù)底泥中總氮超標(biāo)嚴(yán)重，而氨氮濃度較低，因此推測(cè)底泥中的氮主要以硝態(tài)氮和有機(jī)氮為主。

三是總磷的底泥釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大部分點(diǎn)位的泥樣在總磷濃度0.1mg/L~0.2mg/L 時(shí)達(dá)到吸附—解吸平衡；部分點(diǎn)位的泥樣對(duì)總磷的吸附效果較好，可達(dá)到平衡狀態(tài)。

總氮的底泥釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大部分點(diǎn)位的泥樣濃度較高時(shí)，可達(dá)到總氮的吸附—解吸平衡，底泥總氮的污染程度較為嚴(yán)重，對(duì)水庫(kù)水體的污染風(fēng)險(xiǎn)較大。

絕大部分點(diǎn)位底泥的吸附效果為深層>中層>表層，即表層泥樣向水體中釋放的氮、磷量較多，污染風(fēng)險(xiǎn)較大。

5.防范底泥污染釋放的建議和措施

應(yīng)加強(qiáng)污染源排放監(jiān)管，鼓勵(lì)采用除磷脫氮的處理工藝，嚴(yán)控入河排污，強(qiáng)化上游養(yǎng)殖業(yè)的廢水處理；控制面源污染，加強(qiáng)對(duì)洋河水系河流上游地區(qū)家禽養(yǎng)殖業(yè)的綜合管理，提倡家禽類排泄物的資源化綜合利用，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)；研究制定并逐步推廣限制氮、磷的有關(guān)政策，加強(qiáng)對(duì)上游種植業(yè)的化肥使用管理；不同行政區(qū)域的水體統(tǒng)一管理，統(tǒng)一治理，強(qiáng)化流域統(tǒng)一管理。

底泥作為水庫(kù)的內(nèi)源污染，疏浚是當(dāng)下控制底泥釋放污染物的一種常見做法。針對(duì)底泥有機(jī)質(zhì)豐富的河段，經(jīng)過(guò)充分論證后，部分地區(qū)應(yīng)進(jìn)行疏浚工作，并將底泥資源化利用，如用于農(nóng)田利用、填方材料、建筑材料等，通過(guò)物理、化學(xué)、生物方法，疏浚底泥，使其變廢為寶，成為可再利用的資源?！?/p>