底泥疏浚对温州市牛桥底河底泥性质的影响分析

童　敏，　李文超，　黄民生，　何　岩，　曹承进

(1. 华东师范大学 生态与环境科学学院，上海　200062；

2. 上海宝钢新型建材科技有限公司，上海　201900)

底泥疏浚对温州市牛桥底河底泥性质的影响分析

童敏1，2，李文超1，黄民生1，何岩1，曹承进1

(1. 华东师范大学 生态与环境科学学院，上海200062；

2. 上海宝钢新型建材科技有限公司，上海201900)

摘要：以温州市牛桥底河为研究对象，对河道疏浚前、中、后底泥中理化指标、重金属含量进行跟踪分析，并应用地累积指数法和潜在生态风险指数法对重金属元素Cd、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni、Pb、Hg、As进行污染评价. 结果表明，牛桥底河底泥疏浚工程实施后，表层底泥的TP、TOC和重金属含量呈现“先降低、后升高”的变化趋势，疏浚后1到3个月内底泥重金属含量最低. 虽然疏浚工程可以暂时地显著削减河道中污染物的总量，但其对河道水质和底泥的改善效果仅能维持3～9个月. 两种评价方法均表明疏浚工程的实施在一定程度上减轻了牛桥底河底泥的污染水平和生态风险.

关键词：疏浚；牛桥底河；底泥；重金属；污染评价

上海市优秀学科带头人计划资助项目(11XD1402100)，上海市科委重大项目(12231201900)

第一作者：童敏，女，博士研究生，研究方向为水环境治理与修复. E-mail: hqutm.123@163.com.

0 引言

在水生态系统中，底泥是营养物、重金属和持久性有机物(POPs)的源和汇. 底泥中的污染物对水生生物有着直接影响，同时可以通过食物链的传递进一步危害到生态环境和人类健康. 底泥疏浚可以将污染物从水体中永久性去除，是国内外普遍使用的改善河流湖泊水质的措施[1]，国内很多受污染的河道和湖泊如上海市苏州河、云南滇池草海[2]、南京玄武湖[3]以及太湖等都已对底泥进行了疏浚. 然而，疏浚能否从根本上改善水质仍存在很大争议[4,5]，目前关于疏浚过程的风险性已经在工程实际[6]、实验室[7,8]和模型[9]的方法中进行过研究. 虽然也有研究对底泥疏浚效果进行分析，但很少有研究对整个疏浚过程中即疏浚前、疏浚中及疏浚后底泥中的重金属环境行为进行有效的跟踪分析.

温瑞塘河是温州市的“母亲河”，但由于城市工业废水和生活污水的排放，温瑞塘河水环境近年来逐渐恶化，底泥淤积严重. 为了控制和治理河道污染，温州市开展了大规模底泥疏浚工程. 为了研究温瑞塘河疏浚过程中底泥重金属的环境行为，本文选取温州市牛桥底河为代表进行分析研究. 牛桥底河(27°58′N，120°39′E)是温瑞塘河水系中心城区的一条河道,全长2 300 m，平均河面宽度27 m，水域面积约0.06 km2. 河道周边分布着炬光园工业区、温州市化工市场、大理石加工厂、化工厂及机械厂. 由于截污和治污措施不完善，大量高浓度、多种类的工业废水和工厂内生活污水未经处理直接排放到河道中，同时，河道的流动性差、环境容量低，导致河水水质恶化，水质常年为劣Ⅴ类. 而且牛桥底河的河道淤积严重，底泥淤积厚度达1.45 m，淤积量约为7.87万m3. 为了改善牛桥底河污染现状，2012年5月实施了底泥疏浚工程，并于2012年7月底结束. 整个疏浚过程的疏浚量为6万m3. 实施疏浚工程的主要采用绞吸式和链斗式两种疏浚设备. 本文对疏浚前、疏浚中及疏浚后的牛桥底河底泥pH、氧化还原电位(Eh)、可挥发性硫化物、TOC、TP和重金属元素含量进行监测分析，以期为温瑞塘河底泥疏浚工程实施和污染治理提供理论依据.

1材料与方法

1.1　样品的采集

在牛桥底河布设4个采样点(见图1)，1号采样点(27°58′40.20"N，120°38′51.70"E)靠近温州市化工市场，2号采样点(27°58′44.80"N，120°38′59.30"E)靠近炬光工业园厂房，3号采样点(27°58′50.30"N，120°39′4.00"E)靠近十里亭桥，4号采样点(27°58′56.34"N，120°39′5.15"E)靠近牛山北路和温州市水产供销公司工厂. 分别在2012年3月、6月、7月、8月、10月和2013年4月每月采样表层泥样1次，共采样6次.

1.2　样品分析测试

测定指标有粒径、pH、氧化还原电位(Eh)、可挥发性硫化物、TOC、TP和重金属元素. 底泥的pH和Eh采用氧化还原电位测定仪现场测定，采集后的新鲜底泥一部分用于可挥发性硫化物的测定，另一部分进行冷冻干燥，干燥后的样品剔除杂物后，用研钵研碎，过120目尼龙筛，混匀后进行四分法取样，干燥保存，用于测定粒径、TOC、TP和重金属元素.

图1　牛桥底河采样点分布

可挥发性硫化物采用氮载气冷法酸溶硫化物分析技术，粒径分析采用LS13320激光粒度仪，TOC采用重铬酸钾外加热法[10]，TP采用H2SO4-HClO4消煮法[10]. 土壤中重金属元素Cd、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni和Pb的含量测定采用HNO3-HClO4-HF消解定容后，使用700-ES型ICP-OES测定，Hg和As含量采用AFS-9230双道原子荧光光度计测定. 在测定过程中进行重复样和标样分析，保证实验数据可靠性.

1.3　地累积指数评价法

德国科学家Muller于1969年提出的地累积指数(Igeo)是一种研究水环境沉积物中重金属污染的定量指标[11]. 被广泛用于评价现代沉积物中重金属的污染状况. 其利用重金属的总量与地球化学背景值的关系，直观地反映外源重金属在沉积物中的富集程度，计算公式为：

式中，Ci是沉积物重金属元素i的实测值(mg/kg)；Bi为该重金属元素的地球化学背景值，以浙江省温瑞平原土壤元素背景值作为参考. 地累积指数共分7级，与沉积物中重金属污染程度的关系见表1.

表1　地累积指数等级与污染程度

1.4　潜在生态风险评价法

瑞典科学家Hakanson于1980年提出了潜在生态风险指数评价法(potential ecological risk index，RI)[12]. 该评价方法将重金属与生态危害、生物毒性有机结合，以重金属含量、数量、毒性和评价区域对重金属的敏感性4个基本条件为原则. 不仅反映某一特定环境条件下底泥中各种重金属对环境的影响，也反映了环境中多种重金属的综合效应，而且定量地划分出潜在生态危害程度. 该方法的计算方法如下：

和RI的污染等级

2结果与讨论

2.1　疏浚对底泥理化性质的影响

牛桥底河的河道表层底泥呈黑色，肉眼未见生物. 粒径分析表明，牛桥底河底泥中粘粒占23.2%，粉粒占76.4%，主要以粉砂存在. 由图2可知，疏浚前牛桥底河表层底泥pH呈弱酸性，疏浚过程中pH变化不大，开始有小幅度下降，待疏浚完成后pH逐渐升高，恢复到之前的水平. 底泥在疏浚之前为还原环境，疏浚过程中由于搅动作用，部分还原物质被氧化，Eh增大到30.5 mV，疏浚结束后，Eh又重新下降到原来的水平. 底泥中可挥发性硫化物含量较高，疏浚前953.35 mg/kg， 疏浚过程中由于表层底泥被氧化， 含量大幅度下降至4.58 mg/kg，疏浚9个月后又重新恢复到894.78 mg/kg. 可挥发性硫化物与Eh的相关性分析表明两者呈极显著负相关(r=-0.959，p<0.01).

图2　疏浚前、中、后底泥理化性质的变化特征

2.2　疏浚对底泥TOC和TP的影响

牛桥底河底泥疏浚过程中，其表层底泥的总磷(TP)和TOC含量变化情况如图3和4所示. 其中，2号采样点底泥疏浚时间为7月初，其底泥中TP和TOC含量在5、6月份基本保持不变. 由图3可知，疏浚对底泥中TP有一定的去除效果，疏浚后3个月总磷平均含量从1 483.96 mg/kg下降到694.12 mg/kg，平均降幅为53.2%，但随着时间的延长，总磷含量有所上升，疏浚9个月后平均含量为792.93 mg/kg，这可能跟外源污染物的排入有关. TOC有类似的变化规律，疏浚后1个月TOC的降幅达到最大，为41.0%~75.3%，平均降幅为58.8%，随后TOC逐渐增大，疏浚9个月后平均含量为4.9%，降幅为36.7%.

图3　温州牛桥底河疏浚前、中、后底泥中TP含量的变化

图4　温州牛桥底河疏浚前、中、后底泥中TOC含量的变化

2.3　疏浚对底泥重金属含量的影响

2.3.1疏浚不同阶段底泥重金属含量的变化

由表3可知，疏浚前，底泥中Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg和As的平均含量分别为678.03、244.19、1 256.65、1 163.41、181.98、2 348.92、14 997.45、5.89和50.23 mg/kg. 与浙江省温瑞塘平原土壤重金属背景值比较可知，底泥中重金属元素含量均显著高于背景值，尤其是Cd的含量高达背景值的3 000多倍. 由于牛桥底河位于工业区内，长期受到附近化工厂、电镀机械厂等工业污染源排放污水的污染，使底泥重金属污染严重.

在疏浚过程中底泥重金属的含量都出现了显著的波动. 疏浚后，底泥中Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg和As含量降低，降幅为Ni(57.9%)>Pb(51.4%)>Cu(44.9%)>Hg(44.2%)>Cd(41.2%)>Zn(39.4%)>As(38.8%)>Cr(28.2%)>Mn(14.5%). 虽然疏浚对部分重金属有一定的去除作用，但疏浚后底泥重金属的含量依然高于背景值. 底泥中重金属含量在2012年8月份到2012年10月份即疏浚后1～3个月内达到最低值，但疏浚9个月后，底泥重金属含量又逐渐回升. 除了深部底泥暴露后的释放作用，可能还跟外源污染物的输入有关. 由于温州市截污控源工作滞后，河床淤积速度很快. 据测量，市区河道河床的年均淤积速度达到20 cm左右. 牛桥底河沿岸有较多化工生产及化学品经营企业，偷排漏排的现象非常严重，工业污水中重金属含量高，进入河道后吸附到颗粒物上沉积到底泥表层，加重了底泥污染. 同时，牛桥底河有部分自然土岸，暴雨期间大量的地表径流输入河道，其携带的重金属可能在底泥中富集. 大气沉降也是底泥中重金属的污染源之一. 牛桥底河处于104国道公路桥边，过往机动车(特别是重型货车)排放的尾气和工厂加工产生的废气都会加重底泥重金属的含量.

表3　疏浚前、中、后底泥中重金属含量的变化

1号采样点底泥重金属含量在疏浚中波动较大，这是由于6月份采样时1号采样点正处于疏浚中，所以重金属含量下降，7月份采样时，疏浚过程中形成的悬浮颗粒物重新沉淀下来，导致表层底泥重金属含量上升，待8月份采样时，疏浚已经彻底完成，重金属含量下降明显. 疏浚9个月后，除Ni和Zn外，4号底泥中大部分重金属含量都低于其他采样点，这可能与4号所处位置有关. 4号点离炬光工业园区较远，受炬光工业园污水影响小.

2.3.2地累积指数评价

由表4可知，疏浚前，各重金属元素的地累积指数(Igeo)由高到底依次为Cd(11.29)>Zn(6.32)>Pb(5.25)>Cu(4.81)>Hg(4.76)>As(2.41)>Ni(1.75)>Cr(0.92)>Mn(0.03). 4个采样点Cd、Zn和Pb的Igeo值均大于5，表现为严重污染，污染程度最高. Cu和Hg的Igeo值介于4~5之间，属于重污染. As属于中度污染. Ni偏中度污染，Cr为轻度污染，Mn呈现无污染和轻度污染状态. 与疏浚前相比，疏浚中和疏浚后底泥中各重金属元素的Igeo均显著下降(p<0.05). 疏浚实施后Cd和Zn的Igeo依然大于5，污染严重. Pb的Igeo降低到4~5，污染程度由严重污染降为重污染. Cu和Hg的Igeo值降低至3～4，从重污染转为偏重污染. As由偏中度污染降低为轻度污染，Cr的Igeo值有所降低，依然为轻度污染，Mn表现为无污染状态，说明疏浚能在一定程度上减轻底泥重金属污染水平. 各重金属元素的Igeo值均在疏浚后1～3个月间达到最低值，疏浚3个月各元素Igeo值的大小顺序为Cd(10.41)>Zn(5.34)>Pb(3.96)>Cu(3.72)>Hg(3.14)>As(1.22)>Ni(0.35)，Cr(0.35)>Mn(-0.38). 随着疏浚后时间的进一步延长，由于外源污染的排放，底泥重金属污染有所加重，疏浚9个月后各重金属的Igeo值均有小幅度升高. 说明疏浚完成后要加强外源截污，才能使污染得到有效控制.

表4　牛桥底河疏浚前、中、后底泥重金属地累积指数

2.3.3潜在生态风险指数评价

综合上述，牛桥底河底泥重金属污染严重，最主要的污染元素是Cd和Zn，底泥存在极强生态风险，潜在生态风险主要由Cd和Hg引起. 疏浚工程的实施使污染指数和生态风险指数显著下降，在一定程度上减轻底泥重金属污染水平，疏浚后第3个月底泥重金属污染水平和生态风险最低，之后随着外源污染的排放，底泥重金属污染有所加重.

和RI值

3结论

(1) 疏浚短暂地提高了底泥Eh值，底泥中硫化物被氧化，疏浚后，底泥逐渐恢复到还原状态，硫化物含量升高.

(2) 在疏浚不同阶段，牛桥底河表层底泥的TP、TOC和重金属含量呈现“先降低、后升高”的变化趋势，疏浚后1～3个月内底泥中污染物含量达到最低值，TP和TOC的最高降幅分别为53.2%、58.8%，重金属降幅依次为Ni(57.9%)>Pb(51.4%)>Cu(44.9%)>Hg(44.2%)>Cd(41.2%)>Zn(39.4%)>As(38.8%)>Cr(28.2%)>Mn(14.5%). 疏浚9个月后，底泥中污染物含量有少量回升.

(3) 地累积指数评价表明，疏浚前牛桥底河底泥Cd、Zn和Pb严重污染，疏浚工程实施后底泥中各重金属元素的Igeo均显著下降. 潜在生态风险指数评价表明，牛桥底河底泥底泥重金属存在极强生态风险，Cd和Hg是主要的生态风险因子. 两种评价方法均表明疏浚能在一定程度上减轻底泥重金属污染水平.

(4) 底泥疏浚是治理城市河道水环境污染的主要措施之一，其可以暂时显著削减河道中污染物的总量，但要实现河道水环境的彻底治理，须把外源污染控制、内源污染治理和水体原位修复三者结合起来实施.

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(责任编辑张晶)

Impact of dredging on sediment quality of Niuqiaodi River in Wenzhou

TONG Min1,2,LI Wen-chao1,HUANG Min-sheng1,HE Yan1,CAO Cheng-jin1

(1.SchoolofEcologicalandEnvironmentalSciences,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China;

2.ShanghaiBaosteelNewBuildingMaterialsTechnologyCo.Ltd,Shanghai201900,China)

Abstract:The physicochemical factors and heavy metals in sediment before, during and after dredging of Niuqiaodi River in Wenzhou were investigated. The result showed that after the sediment dredging of Niuqiaodi River, the contents of TP, TOC and heavy metal in sediment were firstly decreased and then increased. The heavy metal contents in sediment reached the lowest level in one to three months after dredging. The contents of the pollutants in the river were significantly reduced after sediment dredging, but the improvement of water quality and sediment only lasts three to nine months. The evaluation results of the geoaccumulation index (Igeo) and the potential ecological risk evaluation indicated the sediments of Niuqiaodi River were seriously polluted by heavy metals and the sediment dredging contributed to reduction of pollution levels of heavy metals in sediment.

Key words:dredging;Niuqiaodi River;sediment;heavy metals;pollution evaluation

通信作者：黄民生，男，教授，研究方向为水环境治理与修复. E-mail: mshuang@des.ecnu.edu.cn.

基金项目：国家自然科学基金(51278192、41101471、41001347)，中央高校基本科研业务费专项资金，

收稿日期：2014-07

中图分类号：X522

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-5641.2015.02.008

文章编号：1000-5641(2015)02-0067-08