武漢市東湖底泥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及精細(xì)化清淤研究

張楓 桂梓玲

收稿日期：2023-11-13；接受日期：2024-01-26

基金項(xiàng)目：湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“湖北典型城市湖泊水生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究及示范”（2020BCA073）；中國工程院戰(zhàn)略研究與咨詢項(xiàng)目（2023-DFZD-44）；湖北省科技創(chuàng)新人才計(jì)劃科技人才服務(wù)企業(yè)項(xiàng)目（2023DJC137）

作者簡介：張? 楓，女，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水環(huán)境綜合治理相關(guān)設(shè)計(jì)研究工作。E-mail：zhangfeng3@cjwsjy.com.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號(hào)：1001-4179（2024） 06-0045-08

引用本文：張楓，桂梓玲.

武漢市東湖底泥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及精細(xì)化清淤研究

［J］.人民長江，2024，55（6）：45-52.

摘要：城市淺水湖泊泥-水界面營養(yǎng)物質(zhì)交換強(qiáng)烈且頻繁，底泥污染釋放對(duì)上覆水體影響顯著，是淺水湖泊污染的主要途徑之一。以武漢市東湖為例，采用氮磷綜合污染指數(shù)法和靜態(tài)釋放試驗(yàn)方法，評(píng)估底泥污染風(fēng)險(xiǎn)，并綜合考慮清淤工藝及水生植物分布等因素，精確確定清淤范圍及厚度。結(jié)果表明：東湖底泥總氮和有機(jī)質(zhì)含量分布具有較高的協(xié)同性，總磷與有機(jī)質(zhì)含量之間呈弱相關(guān)；東湖上、中、下層底泥氮磷綜合污染指數(shù)分別為0.85～11.39，0.52～7.40和0.49～6.33，大部分區(qū)域處于輕度污染—重度污染范圍；東湖清淤深度以29.04～110 cm為宜。研究成果可為東湖水環(huán)境綜合治理及類似城市淺水湖泊治理提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

關(guān)? 鍵? 詞：淺水湖泊； 內(nèi)源污染； 底泥污染物； 釋放速率； 清淤； 綜合污染指數(shù)法； 靜態(tài)釋放試驗(yàn)； 東湖； 武漢市

中圖法分類號(hào)： X524

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.007

0? 引 言

湖泊底泥是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，外源污染物入湖后沉淀、蓄積到底泥中，轉(zhuǎn)化成巨大的內(nèi)源潛力，直接并長期影響湖泊營養(yǎng)化程度［1-4］。對(duì)于淺水湖泊，單位水體具有更大的泥-水接觸面積，泥-水界面能夠進(jìn)行強(qiáng)烈和頻繁的營養(yǎng)物質(zhì)交換，底泥污染釋放對(duì)上覆水體影響更為顯著，是淺水湖泊污染的主要途徑之一［5-8］。目前，相關(guān)學(xué)者對(duì)大型淡水湖泊的底泥污染特性及釋放機(jī)理進(jìn)行了大量研究，如袁旭音［9］、侯豪［10］、胡開明［11］、Yin［12］等研究了太湖底泥富營養(yǎng)化特征及污染釋放量；汪家權(quán)［13］、張沐［14］、孫亞敏［15］、王永華［16］、錢貞兵［17］等研究了巢湖底泥污染物釋放情況。但是，對(duì)于城市中小型淺水湖泊的底泥污染及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究較少，尤其是缺少理論研究成果與工程實(shí)踐的有效銜接。

東湖位于武漢市東南部，是武漢市第二大市內(nèi)湖，地理位置介于東經(jīng)114°19′～114°31′，北緯30°28′～30°37′之間，南北最大縱距17 km，東西最大橫距18 km，流域總面積為128.74 km2，水域面積約 33 km2，平均水深2.4 m，為中型城市淺水湖泊。相關(guān)研究表明，東湖底泥污染物釋放對(duì)NH3-N、TN和TP入湖污染物負(fù)荷的貢獻(xiàn)比例分別為35.1%，32.2%及26.3%［18］。底泥污染已成為影響東湖不容忽視的重要污染源之一，嚴(yán)重制約著東湖水質(zhì)的進(jìn)一步提升。本文以東湖為例，采用氮磷綜合污染指數(shù)法和靜態(tài)釋放試驗(yàn)兩種方法，進(jìn)行底泥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上制定精細(xì)化清淤方案，為東湖水環(huán)境綜合治理及類似城市淺水湖泊治理提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1? 材料和方法

1.1? 底泥沉積物采樣及檢測(cè)方法

依據(jù)《湖泊河流環(huán)保疏浚工程技術(shù)指南（試行）》［19］要求，按500 m×500 m的網(wǎng)格進(jìn)行布點(diǎn)，局部排水口或疑似污染區(qū)進(jìn)行了加密，共設(shè)344個(gè)底泥沉積物采樣點(diǎn)（圖1）。采樣時(shí)間為2019年8～9月，使用開啟式柱狀底泥采樣器分層采集底泥樣品，底泥質(zhì)厚度測(cè)量與采樣同時(shí)進(jìn)行，根據(jù)各點(diǎn)采樣管底泥深度、表觀性狀以及HJ/T 166-2004《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》［20］的要求，將柱狀樣底泥自上而下分為若干層，從中選取3層有代表性的底泥進(jìn)行封裝和低溫避光保存。

底泥沉積物樣品中含水率、有機(jī)質(zhì)、總磷、總氮含量分別采用CJ/T 221-2005《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》［21］中重量法、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和氫氧化鈉熔融后鉬銻抗分光光度法檢測(cè)。

1.2? 底泥靜態(tài)釋放試驗(yàn)采樣及檢測(cè)方法

為了模擬靜水條件下湖泊底泥氮磷釋放過程，采集38個(gè)柱狀樣進(jìn)行靜態(tài)釋放試驗(yàn)，采樣時(shí)間為2019年12月，采樣點(diǎn)分布見圖1。

每個(gè)采樣點(diǎn)分為上、中、下3組，分別對(duì)應(yīng)污染層、過渡層、安全層，保證底泥樣品在原狀土狀態(tài)放入試驗(yàn)裝置內(nèi)，在不擾動(dòng)底泥的情況下沿著裝置邊壁緩慢加入試驗(yàn)水體。本次試驗(yàn)水體溫度為20 ℃，底泥靜態(tài)釋放試驗(yàn)溫度條件穩(wěn)定。

由于靜態(tài)試驗(yàn)中沉積物-水的物質(zhì)交換速率較低，每個(gè)試驗(yàn)組試驗(yàn)時(shí)間為3.5 d（96 h）。每個(gè)試驗(yàn)組的水樣需采集10次，即分別在試驗(yàn)開始后0，4，8，12，24，36，48，60，72，96 h取距底泥樣品5～8 cm處水體作為水樣，采用鉬酸銨分光光度法和堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法分別檢測(cè)水樣的總磷和氨氮。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 底泥污染物的理化性質(zhì)及分布特征

2.1.1? 底泥厚度

東湖底泥厚度分布狀況見圖2，底泥總厚度36～246 cm，平均厚度113.7 cm。

根據(jù)污染程度，將東湖底泥劃分為上、中、下3層分析其分布特征。上層為污染層，顏色深黑—灰黑色，略有臭味，厚度20～80 cm，平均厚36 cm;中層為污染過渡層，呈深灰色，帶腥味，見草葉和植物根系等，厚度20～70 cm，平均厚39 cm；下層為正常湖泥層，呈土黃色，帶腥味，呈塊狀，厚度20～50 cm，平均厚32 cm。

2.1.2? 底泥含水率

東湖底泥各層含水率平面分布詳見圖3。上層底泥中含水量范圍為26.29%～85.29%，平均值為59.92%；中層底泥中含水量范圍為25.22% ～76.04%，平均值為52.06%；下層底泥中含水量范圍為23.73%～73.99%，平均值為43.40%。隨深度的增加，底泥壓實(shí)程度逐漸增強(qiáng)，孔隙率逐漸減小，呈現(xiàn)含水率隨著深度增加而逐漸減小的趨勢(shì)。

2.1.3? 底泥污染物分布特征

東湖底泥各層有機(jī)質(zhì)、總氮和總磷含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見表1。由表1可知，底泥有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷含量均隨著深度增加逐漸降低，上層污染物富集程度明顯高于中下層；上層到中層污染物含量降低速度較快，中層到下層變化不大。

東湖底泥各層有機(jī)質(zhì)、總氮和總磷含量平面分布詳見圖3。由圖3可知：

（1） 上、中、下層底泥有機(jī)質(zhì)含量分別為0.86%～7.21%、0.42%～6.70%和0.17%～6.78%，上層有機(jī)質(zhì)含量均值空間分布差異性較為顯著，中、下層底泥有機(jī)質(zhì)含量均值變化不大。團(tuán)湖、天鵝湖和郭鄭湖有機(jī)質(zhì)含量較高，各子湖有機(jī)質(zhì)含量均值由高到低依次為：團(tuán)湖＞天鵝湖＞郭鄭湖＞筲箕湖＞湯菱湖＞后湖＞喻家湖＞菱角湖＞廟湖＞小潭湖。相關(guān)研究表明，底泥有機(jī)質(zhì)一般來源于城市生活污水和水生植物死亡殘骸長期累積［19］，郭鄭湖、天鵝湖沿線居民點(diǎn)密集，團(tuán)湖水生植物覆蓋率相對(duì)較高，與研究結(jié)論吻合。

（2） 上、中、下層底泥總氮含量分別為431～4 060，278～3 806 mg/kg和164～3 180 mg/kg，上層空間分布差異性較大，中、下層空間分布差異較小。各子湖總氮含量均值由高到低依次為：后湖＞天鵝湖＞郭鄭湖＞喻家湖＞菱角湖＞筲箕湖＞湯菱湖＞團(tuán)湖＞廟湖＞小潭湖。有機(jī)質(zhì)在底泥中的富集是總氮的主要來源，總氮和有機(jī)質(zhì)的沉積具有較高的協(xié)同性［22］，因此，有機(jī)質(zhì)含量較高的郭鄭湖、天鵝湖總氮含量也較高。

（3） 上、中、下層底泥總磷含量分別為201～7 337 mg/kg、68～4 682 mg/kg和192～4 159 mg/kg，空間分布差異性較大。各子湖總磷含量均值由高到低依次為：菱角湖＞廟湖＞喻家湖＞團(tuán)湖＞郭鄭湖＞湯菱湖＞筲箕湖＞小潭湖＞天鵝湖＞后湖。總磷與有機(jī)質(zhì)之間呈弱相關(guān)［22］，外源輸入是磷的重要來源，廟湖周邊分布有武漢大學(xué)、華中師范大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)、武漢體育學(xué)院等多個(gè)高校，菱角湖沿線有磨山村以及西頭村等多個(gè)景中村，生活污染入湖量較大；喻家湖有支流湖溪河匯入，湖溪河上游分布有華中科技大學(xué)、關(guān)東工業(yè)園等，生活和工業(yè)污染顯著，因此，菱角湖、廟湖和喻家湖總磷含量較高。

2.2? 底泥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

目前，城市河湖底泥污染狀況評(píng)價(jià)的方法主要包括單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、有機(jī)污染指數(shù)法、有機(jī)污染綜合污染指數(shù)法等［23-24］，本文采用氮磷綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)東湖底泥污染狀況。

2.2.1? 評(píng)價(jià)方法

綜合污染指數(shù)法根據(jù)公式（1）計(jì)算出總氮、總磷的單項(xiàng)污染指數(shù)STN、STP，再依據(jù)公式（2）計(jì)算綜合污染指數(shù)FF，根據(jù)計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)底泥中氮磷污染程度。

計(jì)算公式如下：Sj=CjCs

（1）

FF=（F2+F2max）/2

（2）

式中：FF為綜合污染指數(shù)；Sj為單項(xiàng)評(píng)價(jià)指數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)；Cj為評(píng)價(jià)因子j的實(shí)測(cè)值；Cs為評(píng)價(jià)因子j的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值；F為STN 和 STP 平均值，F(xiàn)max為最大單項(xiàng)污染指數(shù)（STN和STP中最大者）。

東湖作為自然湖泊，下層底泥是自然沉積形成，可代表湖泊原始狀態(tài)下底泥的氮、磷含量情況。本文采用下層底泥的氮、磷平均含量（總氮平均值為1 374 mg/kg，總磷平均值為754 mg/kg）作為底泥氮磷污染評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)值。參照類似項(xiàng)目評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［22］進(jìn)行底泥污染程度分級(jí)劃分，劃分標(biāo)準(zhǔn)詳見表2。

2.2.2? 計(jì)算結(jié)果

東湖底泥各層氮磷綜合污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果詳見圖4，上、中、下層底泥綜合污染指數(shù)分別為0.85～11.39、0.52～7.40和0.49～6.33，大部分區(qū)域處于輕度污染—重度污染范圍，其中菱角湖、喻家湖、郭鄭湖和團(tuán)湖污染程度較高。

根據(jù)綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果確定清淤的范圍及深度詳見圖5。由圖5可知，根據(jù)綜合污染指數(shù)法確定的東湖清淤深度為0～203 cm，其中，菱角湖、團(tuán)湖和郭鄭湖清淤深度較深。

2.3? 靜態(tài)釋放速率試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1? 總磷和氨氮的釋放速率

（1） 總磷釋放速率。以采樣點(diǎn) DH-24（郭鄭湖茶港湖叉）為例分析總磷釋放速率隨時(shí)間變化過程。0～8 h釋放速率較大，其主要原因是上覆水體

與底泥的總磷存在較大的負(fù)向濃度差，另外水體覆蓋底泥過程中擾動(dòng)作用會(huì)使部分底泥顆粒再懸浮而將磷元素瞬間釋放至水體。8～12 h上覆水總磷迅速下降，這是由于水體中懸浮底泥顆粒沉降會(huì)將水體中磷元素挾帶至底泥中。12 h之后上覆水體中總磷的濃度均呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，其原因?yàn)樵撨^程中底泥總磷濃度超出平衡濃度，故會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)將部分磷元素釋放進(jìn)入水體。當(dāng)靜態(tài)釋放試驗(yàn) 48 h 之后，各層底泥上覆水體中總磷的濃度基本保持小幅度波動(dòng)，維持在0.037～0.040 mg/L（圖6）。

（2） 氨氮釋放速率。以DH-05（后湖湖叉）為例分析氨氮濃度變化過程。0～4 h三層試驗(yàn)底泥均向上覆水體中貢獻(xiàn)較多的氨氮，其主要原因在于上覆水體與底泥的氨氮存在較大的負(fù)向濃度差，另外水體覆蓋底泥過程中擾動(dòng)作用會(huì)使部分底泥顆粒再懸浮而將氮元素瞬間釋放至水體。8～12 h各層上覆水氨氮迅速下降，這是因?yàn)樗w中懸浮底泥顆粒沉降會(huì)將水體中氮元素挾帶至底泥中；隨后各層底泥上覆水體中氨氮的濃度基本保持小幅度波動(dòng)，最終維持在0.301～0.472 mg/L（圖7）。

2.3.2? 底泥污染物累積釋放速率

污染物累積釋放速率表示污染物在單位時(shí)間內(nèi)的累積綜合釋放量，計(jì)算公式如下［20-21］：R=MT=ΔmS×T

（3）

Δm=Ci×V-Ci-1×V+Ci-1×Vs

（4）

式中：R為累積釋放速率，mg/（m2·d）；M為釋放強(qiáng)度，mg/m2；T為試驗(yàn)時(shí)刻，d；S為底泥樣品與上覆水的接觸面積，m2；Δm為相鄰兩個(gè)時(shí)間段污染物釋放量，mg；Ci、Ci-1為i時(shí)、i-1時(shí)試驗(yàn)柱上覆水中污染物的濃度，mg/L；V為試驗(yàn)柱中水體體積，L；VS為采集水樣的體積，L。

38個(gè)采樣點(diǎn)氨氮、總磷累積釋放速率分層試驗(yàn)結(jié)果詳見圖8～9（剔除數(shù)據(jù)異常點(diǎn)位），結(jié)果表明：（1） 現(xiàn)狀水質(zhì)條件下，上、中、下層底泥氨氮平均釋放速率分別為61.85，36.73，6.54 mg/（m2·d）。各層氨氮釋放速率均為正值，即底泥向上覆水體釋放，且釋放速率隨深度增加降低。

（2） 現(xiàn)狀水質(zhì)條件下，上、中、下層底泥總磷釋放速率分別為1.08，-2.19，-3.64 mg/（m2·d）。僅上層底泥總磷釋放速率為正值，即上層底泥總磷向上覆水體釋放；中、下層底泥總磷含量較上覆水體低，釋放速率呈現(xiàn)負(fù)值。

（3） 氨氮釋放速率較高的區(qū)域位于采樣點(diǎn)11～15號(hào)附近，即湯菱湖北部和廟湖東南部；總磷釋放速率較高的區(qū)域位于采樣點(diǎn)36號(hào)附近，即團(tuán)湖中東部。

2.3.3? 評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)污染物釋放速率高于該層平均釋放速率的區(qū)域進(jìn)行清淤，自上而下分層判別是否需要清淤，最終確定東湖清淤厚度為0～90 cm，小潭湖、團(tuán)湖、菱角湖和喻家湖湖叉等區(qū)域污染層厚度較大，郭鄭湖湖心區(qū)域厚度較小。通過38個(gè)采樣點(diǎn)差值確定的清淤深度結(jié)果詳見圖10。

3? 精細(xì)化清淤方案制定

精細(xì)化清淤方案確定步驟如下：（1） 將氮磷綜合污染指數(shù)法和靜態(tài)釋放試驗(yàn)結(jié)果判別出的清淤深度數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格疊加，以兩種方法計(jì)算結(jié)果重合區(qū)域作為本次清淤范圍。

（2） 根據(jù)清淤工藝限制，取消污染區(qū)厚度小于30 cm區(qū)域的清淤，重點(diǎn)對(duì)污染層大于30 cm區(qū)域清淤。

（3） 保留前期調(diào)查的現(xiàn)狀水生植物生長區(qū)，同時(shí)在沿湖岸周邊擬進(jìn)行水生植物種植區(qū)域，適當(dāng)加大清

淤厚度，為水生植物創(chuàng)造良好的生存條件。

綜上，東湖清淤深度29.04～110 cm，清淤面積392.42 hm2，清淤總量216.6萬m3，清淤范圍及深度如圖11及表3所示。

4? 結(jié) 論

本文采用氮磷綜合污染指數(shù)法和靜態(tài)釋放試驗(yàn)兩種方法，評(píng)估武漢市東湖底泥污染風(fēng)險(xiǎn)，提出東湖底泥精細(xì)化清淤范圍和深度建議，為東湖水環(huán)境綜合治理及類似城市淺水湖泊治理提供理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)支撐。主要結(jié)論如下：（1） 東湖上、中、下層底泥有機(jī)質(zhì)含量平均值分別為4.22%，3.41%和2.69%，上、中、下層底泥總氮含量平均值分別為1 762，1 398，1 374 mg/kg，上、中、下層底泥總磷含量平均值分別為959，851，754 mg/kg?？偟陀袡C(jī)質(zhì)含量分布具有較高的協(xié)同性，總磷與有機(jī)質(zhì)含量之間呈弱相關(guān)。

（2） 以下層底泥的氮、磷平均含量（總磷平均值

為754 mg/kg，總氮平均值為1 374 mg/kg）作為底泥氮磷污染評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算東湖上、中、下層底泥氮磷綜合污染指數(shù)分別為0.85～11.39，0.52～7.40和0.49～6.33，大部分區(qū)域處于輕度污染—重度污染范圍。

（3） 靜態(tài)模擬試驗(yàn)中，底泥污染物的釋放在第48 h之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)靜態(tài)釋放速率試驗(yàn)結(jié)果，東湖污染層厚度為0～90 cm，小潭湖、團(tuán)湖、菱角湖和喻家湖湖叉等區(qū)域污染層厚度較大，郭鄭湖湖心區(qū)域厚度較小。

（4） 根據(jù)氮磷綜合污染指數(shù)法和靜態(tài)釋放試驗(yàn)兩種方法分別確定污染層厚度，以兩種方法計(jì)算結(jié)果重合區(qū)域作為本次清淤范圍，并綜合考慮清淤工藝及水生植物分布等因素，確定東湖清淤深度29.04～110 cm，清淤面積392.42 hm2，清淤總量216.6萬m3。

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（編輯：劉 媛）

Study on sediment pollution risk assessment and fine desilting in East Lake，Wuhan City

ZHANG Feng1，2，GUI Ziling1，2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China;

2.Hubei Provincial Engineering Research Center for Comprehensive Water Environment Treatment in the Yangtze River Basin，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Nutrient exchange at the sediment-water interface is intense and frequent in urban shallow lakes，and the release of sediment pollution has a significant impact on the overlying water，which is one of the main sources of pollution in shallow lakes.Taking East Lake in Wuhan City as an example，two methods including the nitrogen and phosphorus comprehensive pollution index method and static release test were used to assess the sediment pollution risk.Then，the sediment desilting range and thickness were accurately determined taking into account factors such as the desilting process and distribution of aquatic plants.The results show that there is a high synergism between the distribution of total nitrogen and organic matter in the sediment of East Lake，while the correlation between total phosphorus and organic matter is weak; the comprehensive pollution indexes of nitrogen and phosphorus in the upper，middle and lower sediment layers of East Lake are 0.85～11.39，0.52～7.40 and 0.49～6.33，respectively，and most of the areas are in the range of light pollution to heavy pollution; the dredging depth of 29.04～110 cm is recommended in East Lake.The research results can provide a theoretical basis and technical support for the comprehensive treatment of the water environment in East Lake and other similar urban shallow lakes.

Key words：

shallow lake; internal source pollution; sediment pollutant; release rate; desilting; comprehensive pollution index method; static release test; East Lake