底泥疏浚对温州市牛桥底河水环境质量的影响

童 敏，杨 乐，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）

0 引 言

近年来，由于大量污染物质如营养盐、重金属等通过工业废水、生活污水、城市垃圾和大气沉降等排放到水体中，全国80%以上的城市河道受到了污染［1，2］．因此，对城市污染河道开展治理和修复已迫在眉睫．通常河道污染治理包括外源污染阻断和内源污染控制，其中底泥疏浚是内源污染治理的主要措施之一．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［3］、南京玄武湖［4］以及太湖等对底泥进行了疏浚，以削减底泥中的污染物对上覆水体的影响．底泥疏浚能移出部分污染物质，但其能否从根本上使水质改善以及疏浚过程对水体产生的影响仍存在很大争议［5，6］．疏浚过程对水体影响主要包括疏浚过程中底泥的再悬浮、再悬浮污染物的释放以及疏浚后残留底泥污染物的释放等．目前关于疏浚过程的风险性已经在工程实际［7］、实验室［8，9］和模型［10］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、疏浚中及疏浚后水环境质量的变化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．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水环境质量的变化情况，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）属于温瑞塘河水系中心城区的河道，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水质理化因子包括DO、TP和TN等及重金属含量进行监测分析，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月每月采集水样1次，共采样6次．

1．2 水质测定

测定指标有透明度、溶解氧（DO）、CODCr、NH3－N、TP、TN和重金属．DO采用溶解氧自动测定仪；CODCr采用COD测定仪测定；NH3－N采用纳式试剂分光光度法；TP采用钼酸铵分光光度法；TN采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法；Cd、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni和Pb 7种重金属采用ICP－OES测定．具体分析方法参照文献［7］．每项指标平行测定3次，平均值作为本实验测试结果．

图1 牛桥底河采样点分布Fig．1 Sampling sites in Niuqiaodi River

1．3 生物毒性实验

发光细菌毒性试验中所用的发光细菌为青海弧菌Q67（Vibrio qinghaiensis）菌株冻干粉．测试仪器为BHP9511型水质毒性分析仪．取2 mL3%的NaCl溶液于平底玻璃管中，加入20μL复苏菌液，测定其发光强度值，在适宜范围内即可用作实验测定菌液．以2 mL 3%NaCl溶液作为空白对照，向样品管中加入2 mL水样，依次加入20μL菌液，充分摇匀后，待反应15 min后用毒性分析仪依次测定空白管和样品管的发光度，样品毒性即相关发光度以样品管的发光度占空白管发光度的比例计算．

热带爪蟾胚胎毒性试验中挑选实验室养殖的性成熟的热带爪蟾6对，人工注射HCG诱导产卵．每对爪蟾各注射2次HCG（初次注射20个单位，36 h后注射100个单位），待爪蟾抱对产卵后收集胚胎，从产卵较好的3对爪蟾的胚胎中，挑选出达到NF10—11阶段且正常发育的胚胎进行实验．采用24孔板的培养皿进行胚胎暴露实验，以系统水作为对照．样品各设4个平行，每个平行样选取10个胚胎进行实验．暴露于水样中的胚胎置于培养箱中25℃下培养，24 h后将未孵化的胚胎挑选出，记录胚胎孵化数，更换一次暴露液，接着培养24 h后统计孵化后胚胎的存活数与死亡数．在解剖镜下观察胚胎的生长发育状况，并对畸形胚胎进行拍照．

2 结果与讨论

2．1 疏浚对水质理化指标的影响

DO是水体黑臭的主要控制指标，温瑞塘河DO含量普遍较低［11］．由表1可知，底泥疏浚前，牛桥底河DO平均含量仅为0．92 mg／L，疏浚过程使DO显著增加（p＜0．05），一方面可能是由于疏浚加速了水体搅动所致，另一方面由于水中有机物含量减少，降低了微生物分解的耗氧速率，疏浚9个月后DO含量增加到2．16 mg／L．这与Lewis M．A．等［12］的研究结果有所不同，其结果显示河口疏浚对水体表层的溶解氧影响十分有限．这可能跟不同水体污染类型及程度不同有关．疏浚前河水透明度为0．39 m，疏浚过程中下降至0．26 m，这可能是由于河水透明度与悬浮物量有关，疏浚过程中颗粒物的再悬浮造成透明度下降，疏浚后随着悬浮颗粒物的沉降水体透明度显著增加．同疏浚前相比，疏浚9个月后透明度达到最大0．50 m，增加了28．2%．

疏浚实施后水中的CODCr的含量显著下降（p＜0．05），疏浚后3个月时水体CODCr达到最低7．65 mg／L．污染严重的底泥通过疏浚被去除，减少了底泥中CODCr的释放．但疏浚9个月后CODCr的含量开始回升，但与疏浚前相比，还是下降了31．3%．CODCr的含量升高可能与沿岸外源污染物的排放有关．

表1 疏浚前、中、后水质理化性质变化特征Tab．1 Physicochemical properties in water sample before，during and after dredging

2．2 疏浚对水样中的营养盐含量的影响

疏浚能引起颗粒物再悬浮的同时也伴随着氮磷的释放，使水体中的营养盐含量升高［13］．疏浚后新生底泥表层的水土界面会发生扩散、吸附和解吸等瞬时过程，此类过程对氮磷元素在水相和固相的分配起着重要作用．

由表2可知，底泥疏浚前水中的NH＋4－N含量为3．92 mg／L，疏浚过程中水中的NH＋4－N含量均显著高于疏浚之前（p＜0．05）．疏浚结束后，水中的NH＋4－N含量开始下降，疏浚九个月后水中NH＋4－N含量达到最低值3．27 mg／L．疏浚工程实施过程中水样中TN含量达到最大值15．62 mg／L，疏浚结束后水中TN含量下降，虽然有少量回升，疏浚9个月后水中TN含量仍显著低于疏浚前（p＜0．05）．河水中TP含量变化趋势与TN类似，疏浚后1个月含量为下降24．5%达到最低值，随后水中TP含量有少许回升，但依然与疏浚前存在显著差异（p＜0．05），这与太湖五里湖疏浚后磷含量变化一致．Kleeberg等［14］采用模拟疏浚实验研究疏浚对水体中磷含量的影响，实验发现新生表层容易释放溶解态磷，疏浚后一年内磷含量都有所增加，并作出预测在外源污染没有得到较好的控制情况下，污染状况只是暂时得到改善，会缓慢恢复到疏浚前的状态．

表2 疏浚前、中、后水样营养盐浓度变化特征Tab．2 Nutrient concentration in water sample before，during and after dredging

2．3 疏浚对水样重金属含量的影响

图2 疏浚前、中、后水样中重金属含量变化Fig．2 Contents of heavy metals in water sample before，during and after dredging

疏浚前，水样中各重金属元素Cd、Cr、Mn、Ni、Pb、Zn和As的浓度分别为0．16、0．021、2．74、0．019、0．076、3．60和0．044 mg／L（见图2），疏浚工程实施后各元素平均值的变化范围（mg／L）为Cd（0．19～0．32）、Cr（0．024～0．046）、Mn（4．14～6．65）、Ni（0．026～0．066）、Pb（0．087～0．099）、Zn（6．59～36．11）、As（0．054～0．096）．疏浚中除Cd外各元素浓度显著增加（p＜0．05），Cd含量增加但不显著（p＞0．05）．各个元素浓度均在疏浚后3个月达到最大值，随后有所下降，但均高于疏浚前．疏浚前Cr和As的浓度低于《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）Ⅰ类标准（0．01 mg／L和0．05 mg／L），疏浚后As的浓度高于地表水Ⅲ类标准（0．05 mg／L），而Cr受疏浚影响较小．Pb在整个疏浚过程中均高于Ⅳ标准（0．05 mg／L）．Cd和Zn的污染最为严重，浓度均高于Ⅴ类标准（0．01 mg／L和2 mg／L）．尤其是Cd，疏浚后浓度为Ⅴ类标准的21倍，表明Cd是牛桥底水体中污染最为严重的元素．

疏浚过程的扰动使吸附在颗粒物中的重金属解吸出来，所以在疏浚中水体中重金属含量升高，太湖五里湖疏浚过程中也出现重金属含量增大的现象［15］．而戚仁海等［16］通过围隔实验来研究底泥疏浚的环境效应，结果显示水体中重金属浓度基本处于稳定．这可能与不同河道底泥重金属含量、氧化还原条件及疏浚方法等不同有关．除此之外，牛桥底疏浚后水中重金属的含量在2012年10月骤然增大，其后又明显降低，还可能跟外源污染的排放有关．炬光工业园区的工业废水中可能含有大量重金属，尤其是Cd和Zn，这些新排入河道的污水，首先使得河道水中重金属含量显著升高；其后，吸附到水中的悬浮颗粒物表面，随着颗粒物的沉积作用最终进入河道底泥中，导致底泥中重金属含量逐渐增加．因此，要实现河道水环境的显著且持续的改善，必须同时实施外源和内源污染控制措施．

2．4 疏浚对水样生物毒性的影响

2．4．1 发光细菌生物毒性分析

由图3可知，疏浚前水样的相对发光强度为76．2%，具有中等毒性．疏浚工程实施后，水样相对发光强度先降低后升高．7月份疏浚中水样的相对发光强度达到最低值48．1%，具有较大毒性．表明疏浚工程具有导致水样毒性增加的风险．疏浚结束后，水样相对发光强度逐渐升高，2013年4月份相对发光强度升高到86．2%，水样毒性降低为轻微毒性．总体而言，疏浚有助于减少水样生物毒性，使其更适合水生生物生长．这与戚仁海等［16］利用发光细菌研究疏浚对苏州河河水及底泥生物毒性得到的结果一致．疏浚过程中水样的毒性产生波动，可能与水中污染物质随疏浚而变化有关．

2．4．2 热带爪蟾生物毒性分析

由图4可知，2012年3月到2013年4月间水样的胚胎孵化率均高于90%，与对照组相比没有显著性变化（p＞0．05）．而水样的胚胎存活率先降低后升高，疏浚中两个月的存活率与对照相比差异最明显（p＜0．001），2012年7月份胚胎存活率降到最低值17．5%，待疏浚结束后，胚胎存活率逐渐升高，疏浚后3个月后，存活率高达95%，之后有少许降低．水样的胚胎畸形率呈现先升高后降低的变化趋势，疏浚前胚胎畸形率为24．3%，显著高于对照组（p＜0．001），7月份畸形率升高到最大值62．3%，之后胚胎畸形率大幅度降低，疏浚后3个月仅为13．4%．水样胚胎的体长与对照组相比均有显著差异（p＜0．05），胚胎体长在整个疏浚过程中也呈现先降低后升高的趋势．7月份胚胎体长降到最低值2．94 mm，疏浚结束后胚胎体长均大于4 mm．

通过对水样胚胎孵化率、存活率、畸形率及体长分析可知，疏浚工程的实施使水样对胚胎的生物毒性先增强后逐渐减弱，总体而言，疏浚有助于减轻牛桥底河水样的生物毒性，这与发光细菌监测的结果一致．

图3 疏浚前、中、后水样对发光细菌的毒性效应Fig．3 Toxic effects of water sample before，during and after dredging on luminous bacteria

图4 疏浚前、中、后水样对热带爪蟾胚胎的毒性效应Fig．4 Toxic effects of water sample before，during and after dredging on Xenopus tropicalis embryos

热带爪蟾胚胎的致畸现象反映污染物对胚胎器官发育毒性，本研究水样能导致胚胎的头部、腹部和尾部畸形，主要畸形表型如图5所示，包括心包水肿、色素沉着、背鳍变窄、色素减少、腹鳍变窄、眼睛异常和泄殖腔肿大等．

图5 疏浚前、中、后水样对热带爪蟾胚胎的典型畸形效应Fig．5 Typical teratogenic effects of water sample before，during and after dredging on Xenopus tropicalis embryos

2．5 水质理化性质与生物毒性相关性特征

为了进一步了解影响水样生物毒性的因素，将水样生物毒性的各项指标和水质理化指标进行相关性分析，结果如表3所示．NH＋4－N与发光细菌的相对发光强度、胚胎存活率呈显著负相关（r＝－0．872、－0．840，p＜0．05），与胚胎畸形率呈显著正相关（r＝0．850，p＜0．05），TN与相对发光强度呈极显著负相关（r＝－0．933，p＜0．01），与胚胎畸形率呈极显著正相关（r＝0．941，p＜0．01），与胚胎存活率、体长呈显著负相关（r＝－0．830、－0．832，p＜0．05）．TP与胚胎存活率和体长呈显著负相关（r＝－0．820、－0．873，p＜0．05），与畸形率呈显著正相关（r＝0．852，p＜0．05）．CODCr、DO和重金属总量与生物毒性相关性不显著．由上述讨论可知，TN对水样的生物毒性贡献最大，其次是NH＋4－N和TP．施华宏等［17］利用沸石去除底泥浸出液中的氨氮，处理后浸出液胚胎的存活率和体长均显著提高，畸形率显著降低，表明氨氮是温州山下河产生毒性的重要原因之一，这与本文所得结论基本一致．重金属与水样的生物毒性相关性较差，可能与水中重金属含量较低有关．

表3 疏浚前、中、后水样生物毒性与水质理化指标相关性分析Tab．3 Correlation analysis between toxicity and physiochemical properties of water sample before，during and after dredging

3 结 论

（1）牛桥底河底泥疏浚显著降低水中CODCr浓度，提高水体中DO含量和透明度；疏浚中由于颗粒再悬浮及工业废水排放入河，水体中NH＋4－N、TN、TP及重金属含量呈现“先升高，后降低”的变化趋势．

（2）发光细菌毒性检测结果表明，底泥疏浚前牛桥底河的河水具有中等毒性，发光细菌和热带爪蟾胚胎毒性检测实验均表明，疏浚工程实施后，牛桥底河的河水生物毒性先增强后减弱．总体而言，疏浚有助于减轻牛桥底河河水的生物毒性．

（3）相关性分析表明TN对水样的生物毒性贡献最大，其次是NH＋4－N和TP．重金属与水样生物毒性相关性较差，可能与水样中重金属含量较低有关．

（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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