黄石市青山湖3#湖环保疏浚效果初步分析

艾新成,王　振，肖宇伦

(1湖北理工学院 环境科学与工程学院,湖北 黄石 435003;2湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室,湖北 黄石 435003;3武汉理工大学 资源与环境工程学院,湖北 武汉 430070)



黄石市青山湖3#湖环保疏浚效果初步分析

艾新成1,2,3,王振1,2*，肖宇伦1,2

(1湖北理工学院 环境科学与工程学院,湖北 黄石 435003;2湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室,湖北 黄石 435003;3武汉理工大学 资源与环境工程学院,湖北 武汉 430070)

摘要：随着黄石市青山湖3#湖清淤工程的结束，针对清淤及3#湖自身特点，分别考察了清淤前后水体中COD、TP、TN和重金属含量的变化，以及湖区表层底泥和湖南侧、湖北侧、湖沿岸沉积柱中重金属空间分布及垂向层序特征。结果表明，清淤后除COD和Zn明显升高外，TN、TP、Cu、Cd、Pb、Cr平均去除率分别达到52%，68.5%，86.87%，9.21%，10.56%，42.11%。通过地质累积指数法与潜在生态危害指数法评价表明，除Cd的生态危害属于极强级别外，Cu、Zn、Pb、Ni均属于轻微生态危害级别。整体而言，清淤后湖泊底泥表层重金属含量比清淤前明显降低，并在过渡层中随深度增加而降低，但变化趋势不大。因此，3#湖1期清淤工程已经清除了3#湖底泥中的污染层，平均清淤深度为80 cm相对合理，取得了预期的效果。

关键词：青山湖；底泥清淤；清淤深度；重金属

0引言

湖泊是重要的地表水资源，具有水产养殖、渔业捕捞、农田灌溉、景观美化、环境旅游等多种功能，是不可或缺的调节气候、维持生态平衡的生态系统。青山湖位于湖北省黄石市磁湖北部，由4个子湖组成，湖区自西向东依次分为1#、2#、3#、4#湖，汇水面积为6.2 km2，水域面积为0.52 km2，湖水通过4#湖青山湖排涝泵站与长江相连，具有城市防洪和生态调节的重要作用。随着黄石市工业化进程的加快，湖周边的排污加剧，湖水水质逐渐恶化为Ⅴ类或劣Ⅴ类，前期研究对湖泊底泥表层(0～20 cm)和深层(20～40 cm)中的重金属含量进行风险评价，分析表明湖泊底泥整体处于中度污染状态[1]。因此根据实际污染物浓度分布范围和污染程度进行底泥治理和清淤是很有必要的。目前青山湖清淤工程已列入利用亚洲开发银行贷款项目，3#湖清淤工程亦于2015年6月实施完成。本次研究分析了3#湖清淤前后水质、底泥质中污染物含量的变化，以期评价环保疏浚后的短期效果，为后续4#湖清淤工程及磁湖、青山湖、青港湖三湖连通工程提供科学依据。

1实验材料和方法

青山湖3#湖区西北至西南长度约369 m，西南至东北宽约220 m，湖岸岸坡多采用浆砌石挡墙砌筑，高约3.5m，西南侧湖岸为浆砌石护坡，局部设有亲水踏步。根据现场勘测和分析，本次清淤范围可以划分为3个区域考虑：①湖区中央及其岸边附属区域，此类淤泥污染较轻，仅需对其含水量进行处理就可加以资源利用，清淤深度以14.7 m高程为控制高程，清淤至湖区硬质层；②湖岸沿线区域，该区域大都为硬质黄土层，清淤控制边线以岸坡脚槽或现有浆砌石挡墙前趾埋深50 cm为控制点，采用1∶4边坡与湖区中央附属区域平顺衔接；③湖岸沿黄石大道侧，该区域为块石抛填区，深约0.5～1.0 m，拟对其进行清除，清淤深度以14.7 m高程为控制性高程，清淤至湖区硬质层，局部位置根据具体情况酌情调整。本次工程总清淤量为28 427 m3，湖岸碎石疏挖2 974 m3。

将3#湖划分为南侧(点1，2)、湖中(点3)、北侧(点4，5)3个区域进行采样分析。采用手持式GPS定位仪(Qregon 450)布设4个水质采样点，以W表示；5个底泥采样点，以S表示。分别于2015年5月1日、9月21日采集3#湖疏浚前后水样并带回实验室分析其COD、TN、TP、重金属含量。10月27日现场采用抓斗式底泥采样器采集3#湖5个底泥采样点表层(0～5 cm)底泥，初步评价清淤效果；采用重力采样器采集湖南侧、湖北侧、湖沿岸的柱状岩芯，初步分析湖底沉积物的空间分布及垂向层序特征。勘察路线布设沿E-W纬线方向，侧线间距10 m，测控范围基本覆盖全湖。由于3#湖已完成1期清淤，所以淤泥层距黄褐色硬质土层不算深，选取的5个采样点沉积层从上往下，采用0～100 cm沉积柱以5 cm间距分割，各子样品装入聚乙烯塑料袋密封并低温保存，于实验室内测定重金属含量，用以岩性对比以及地层层序确定。分析测试方法见表1，水质、表层底泥以及沉积柱采样点见图1。

表1　分析测试方法

图1　青山湖3#湖水质、底泥质采样点图

2实验结果分析

2.1水质动态变化分析

2.1.13#湖清淤前后TN、TP、COD的变化

清淤前后TN、TP、COD的变化分别见图2、图3、图4。由图2～4可知，清淤前后TN含量变化不明显，清淤之前TN的范围为6.06～11.8 mg/L，清淤之后为3.2～4.17 mg/L，仍大于地表水V类标准的2.0 mg/L，清淤后TN的最大去除率为71.6%，平均去除率达到52%，清淤之后TN含量趋于稳定。清淤之前3#湖中TP的范围为0.65 ～0.98 mg/L，清淤之后总磷含量为0.17～0.34 mg/L，清淤后TP最大去除率为81.7%，平均去除率达到68.5%，清淤后TP平均总磷含量为0.25 mg/L，磷含量仍超过地表水质量标准Ⅲ类标准。清淤前COD含量为35.1～65.4 mg/L，清淤后COD含量为80～256 mg/L，超过地表水环境质量标准V类标准。虽然TN、TP含量在清淤过程中有所下降，但是清淤过程中不可避免会造成底泥扰动。有研究表明湖底硬质层会释放出大量的营养物质，特别是 N、P的释放，使其水体水质在一定时期内发生恶化，有的很容易快速发生水华现象[2]。此外，清淤后COD含量明显高于清淤前，尤其是W1，W2采样点。造成水体中COD升高的原因很多，一方面是因为清淤过程中使底泥中各种有机污染物通过与上覆水体间的物理、化学、生物交换作用，重新进入水体中造成二次污染；另一方面是因为3#湖靠近居民生活区，生活污水的排放、周围支流的汇入以及岸边大量的生活垃圾渗滤液流入湖中，严重影响水质。因此，清淤后对于水质的治理依然任重而道远。

图2　清淤前后TN的变化

图3　清淤前后TP的变化

图4　清淤前后COD的变化

2.1.23#湖清淤前后水质重金属含量变化

3#湖清淤前后水中重金属含量的变化见表2。由表2可知，清淤前Cu含量为148.40～153.66 μg/L、清淤后Cu含量为12.30～23.98 μg/L，平均去除率达到86.87%；清淤前Pb含量为235.95～330.79 μg/L，清淤后Pb含量为228.30～302.17 μg/L，平均去除率达到10.56%；清淤前Cd含量 25.98～29.79 μg/L，清淤后Cd含量21.15～32.56 μg/L，平均去除率达到9.21%；清淤前Zn含量11.63～43.31 μg/L，清淤后Zn含量539.76～800.71 μg/L；清淤前Cr含量76.60～81.64 μg/L，清淤后Cr含量17.43～113.74 μg/L，去除率平均值为42.11%。3#湖重金属中Cu、Pb、Cd、Cr含量较施工期间除个别采样点位有所升高外，整体上呈现下降趋势，但Zn含量的上升趋势最为突出，均超过清淤前的污染水平。清淤后水中Cu、Pb、Zn、Cr平均含量为19.78 μg/L，256.58 μg/L，26.02 μg/L，649.16 μg/L，45.44 μg/L，重金属离子中Cu、Zn、Cr含量小于地表水Ⅲ类水污染限值，Pb、Cd含量大于地表水V类水限值。这主要是因为清淤过程会造成湖底底泥的扰动，原本在底泥中处于稳定状态的重金属会随着底泥的扰动发生改变，致使原有的平衡被打破，污染物与底泥的络合作用及吸附作用也会减弱，当表层沉积物被清除后，下层重金属含量高的沉积物就会暴露出来，为了达到新的平衡，底泥中重金属会被重新释放到水体之中，形成二次污染[3]。从整体上看，本次清淤结束后水体中重金属含量达标，很好地控制了重金属污染风险。

表23#湖清淤前后水中重金属含量μg/L

采样点Cu清淤前清淤后Pb清淤前清淤后Cd清淤前清淤后Zn清淤前清淤后Cr清淤前清淤后std3-1148.4022.03235.95302.1729.2121.1513.86539.7678.6132.21std3-2148.6223.98274.42240.7529.6826.4318.02574.0476.6017.43std3-3152.0512.30306.33255.1125.9823.9443.31800.7181.6418.39std3-4153.6620.82330.79228.3029.7932.5611.63682.1477.12113.74均值150.6819.78286.87256.5828.6626.0221.71649.1678.4945.44Ⅲ类水污染限值≤1000≤50≤5≤1000≤50

2.2青山湖3#湖环保疏浚后清淤效果评价

2.2.1沉积物中重金属污染评价分析

由于我国尚未专门为底泥制定环境质量标准，底泥重金属的污染状况采用1990年版《中国土壤元素背景值》中的湖北省土壤重金属背景值作为参照依据。土壤重金属污染采用地质累积指数法(Index of Geoaccumulation，Igeo)、潜在生态危害指数法(Potential Ecological Risk Index，RI)进行评价。

地质累积指数法[4]常用于对单一重金属进行污染评价，计算公式如下：

Igeo=log2[Ci/(kBi)]

(1)

式(1)中，Igeo为地质累积指数；Ci为测试物质含量；Bi为土壤背景值；k为考虑当地岩石差异可能引起的背景值的变动而取的系数，研究中沿用1990年发布的《中国土壤元素背景值》中湖北省土壤背景值[5]，因此此处取值为1.5。

潜在生态危害指数法[6]常用于整体重金属污染风险评价，计算公式如下：

RI=∑Ei=∑Tifi=∑(TiCi/Bi)

(2)

式(2)中，RI为潜在生态危害指数；Ei为单个重金属生态危害指数；Ti为重金属毒性相应系数；fi为单一重金属的污染系数；Ti为各金属的毒性响应系数，被用来反映金属的毒性水平与水体对金属污染的敏感程度，这里Cu、Cd、Pb、Zn、Ni的取值相应为5,30,5,1,2。

青山湖3#湖重金属总量分析、地质累积指数值、地质累积指数与污染程度分级、潜在生态污染指数、潜在生态污染系数(Ei)、指数(RI)与危害程度关系分别见表3、表4、表5、表6、表7。

由表3～7可知，Cd的Igeo值为2.58～3.42,污染程度属于强污染，Cu、Pb、Zn、Ni的地质累积指数皆小于1，污染强度属于无污染至中度污染,其中Cu、Pb地质累积指数出现负值，Ni全部为负值，即无污染。

3#湖单个重金属生态危害指数中Cu、Pb、Zn、Ni的Ei均小于40，属于轻微污染，Cd生态危害指数大于320，生态危害程度属于极强。生态污染从大到小分别为Cd>Pb>Cu>Zn>Ni。对比青山湖3#湖底泥前期研究[7]，清淤工程有效去除了表层底泥重金属污染物质，清淤后除Cd外，重金属含量均已基本满足土壤环境2级标准。本次清淤工程较青山湖1#湖清淤效果更优，其主要原因在于本次施工选择方法更为合理，即采用原位固化的施工方式，先在选定区域内将湖水抽干，然后在淤泥中添加固化剂脱水，在施工时采用焖埋法，尽量减少对周围环境的影响，并针对不同湖泊区域制定严格施工程序，控制清淤深度，减少湖泊底泥的扰动。

表3青山湖3#湖重金属总量分析mg/kg

采样点CuPbCdZnNiS152.5238.332.10163.8239.69S245.0057.742.10140.3736.82S366.1170.371.93206.3334.52S462.9668.111.52159.9841.75S562.7983.252.72232.0733.98土壤背景值30.7026.700.1783.6037.30

表4　青山湖3#湖地质累积指数值

表5　地质累积指数与污染程度分级

表6　青山湖3#湖潜在生态污染指数

表7　潜在生态污染系数(Ei)、指数(RI)与危害程度关系

2.2.2底泥重金属垂直分布

湖泊底泥可分为3层：污染层、污染过渡层与正常湖底泥。3#湖属于浅水湖泊，清淤工程的目的是清除污染层与部分污染过渡层，尽量保护污染过渡层与正常湖底泥层。1期清淤完成后，即使外源污染得到完全控制，沉积物中蓄积的大量污染物质也会随风浪波动而释放。清淤工程实施过程中要尽量减少疏浚过程中对底泥的搅动，以防止疏浚区域泥沙悬浮并扩散，对周围水体造成二次污染。因此，了解底泥的特性和垂直分布情况十分必要，以便更精确地确定底泥疏浚深度，最大限度地避免超挖、欠挖及漏挖。

3#湖兼具观光旅游、调水蓄水、调节气候、水产养殖等多种经济和生态服务功能。1期清污主要清除污染层，综合考虑后平均清淤深度暂定为80 cm，清淤结束后应属于过渡层采样。因此，采样深度以过渡层开始标记为0 cm，采集3#湖南侧、北侧及沿岸沉积柱，每5 cm取1个样，清淤后3#湖重金属垂直分布图见图5。

图5　清淤后3#湖重金属垂直分布图

在现场探测地层时，污染层、污染过渡层可细致分为灰黑色淤泥层和淤泥质粘土层(湖底层为硬质黄土层)，其中灰黑色淤泥层即与上覆水体直接接触，生物地球化学过程复杂，为营养盐等污染物沉降及内源释放的主要蓄积体，在1期工程中主要对其进行清除。淤泥质粘土层主要污染物是由重金属富集而成，该地层在湖区厚度不一，其中沿岸边厚度为0～20 cm；湖南、北两侧相对湖中淤泥厚度较深，大约为0～50 cm；湖中厚度大约为0～30 cm。

由图5可知，湖沿岸过渡层垂直方向(0～20 cm)Pb含量较稳定，为38～44 mg/kg，其中主要重金属污染物Cu、Zn、Ni含量范围分别为41～52，69～163，21～39 mg/kg。结果表明，三者含量均随深度增加而降低，但变化趋势不明显。湖南侧与北侧过渡层(0～40 cm)底泥中重金属含量随深度变化趋势不明显，相对比较稳定。从整体上看，湖北侧不同深度的重金属含量均小于湖南侧，清淤效果较好。其中Cu、Pb、Zn、Ni的最高值为73.6，61.5，164.3，38.5 mg/kg，最低值为39.2，31.7，69.01，21.39 mg/kg， Cu、Pb、Zn分别超过土壤背景值2.37，2.3，1.96倍，但远远低于土壤2级标准(Cu=100 mg/kg，Pb=300 mg/kg，Zn=250 mg/kg，Ni=50 mg/kg)。与2014年8月清淤前底泥重金属检测报告[7]相比，此次清淤工程后湖泊底泥表层各金属元素含量明显降低，与五里湖清淤得到的结果相同[8]。

由表4、表6可知，Cd的地质累积指数与生态风险指数较高，可见清污工程已有效地去除了表层底泥重金属污染物质，清淤后除Cd外，其余重金属含量已基本满足土壤质量2级标准。已有的研究表明，在污染层中重金属含量会随深度增加而降低，这也与此次研究结果相符。综上所述，3#湖1期清污工程已经清除了3#湖底泥中的污染层，平均清淤深度为80 cm相对合理，取得了预期的效果。

3结论

1)3#湖清淤后虽然湖水中TN、TP平均去除率达到52%,68.5%，但COD含量却有明显升高趋势，水体中TN、TP和COD三者的含量仍然超过地表水环境质量标准的V类标准。水体中重金属Cu、Cd、Pb、Cr的平均去除率分别达到86.87%,9.21%,10.56%,42.11%，其中Cu、Cd、Cr含量较施工期间除个别采样点位有所升高外，整体上呈现下降趋势，但Zn含量的上升趋势最为突出，均超过清淤前的污染水平。湖水中，重金属Cu、Zn、Cr小于地表水Ⅲ类水污染限值，从整体上看，本次清淤结束后水体中重金属含量达标，很好地控制了重金属污染风险。

2)地质累积指数法评价表明，青山湖3#湖表层沉积物Cd污染最为严重，Cu、Zn和Pb的污染程度为无—中，其中Cu、Pb地质累积指数出现负值，Ni全部为负值，即无污染。3#湖重金属污染程度的顺序为：Cd>Pb>Cu>Zn>Ni。而潜在生态危害法评价结果显示，Cd的生态危害属于极强级别，Cu、Zn、Pb、Ni均属于轻微生态危害级别。因此，对于重金属Cd的监控仍然是后续工作中的重点。

3)清淤后湖泊底泥表层重金属含量比清淤前明显降低，在过渡层中随深度增加而降低，变化趋势不大。从整体上看，湖北侧不同深度的重金属含量均小于湖南侧，清淤效果较好。3#湖1期清污工程已经清除了3#湖底泥中的污染层，平均清淤深度为80 cm相对合理，取得了预期的效果。

参 考 文 献

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(责任编辑高嵩)

收稿日期：2016-03-16

基金项目：湖北省科技支撑计划项目(项目编号：2014BHE0030)。

作者简介：艾新成，硕士生。

*通讯作者：王振，助教，硕士。

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2016.03.004

中图分类号：X82

文献标识码：A

文章编号：2095-4565(2016)03-0016-06

Study on Environmental Dredging Effect of Qingshan No.3 Lake in Huangshi

Ai Xincheng1,2,3,Wang Zhen1,2*,Xiao Yulun1,2

(1School of Environmental Science and Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2Hubei Key Laboratory of Mine Environmental Pollution Control and Remediation,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003；3College of Resources and Environmental Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan Hubei 430070)

Abstract：After Qingshan NO.3 Lake dredging project was completed,the content variation of COD,TN,TP and heavy metals in water before and after dredging was studied,and spatial distribution of heavy metals and vertical sequence characteristics in sedimentary columns were investigated,according to the characteristics of Qingshan NO.3 Lake.The results showed that,except obvious increase of COD and Zn,the average removal rate of TN,TP,Cu,Cd,Pb,Cr were respectively 52%，68.5%，86.87%，9.21%，10.56%，42.11% after dredging.According to the geo-accumulation and potential ecological risk index,the results indicated that,except Cd with extremely strong ecological harm,Cu,Zn,Pb,Ni all had slight ecological hazard.On the whole,the concentration of heavy metals after dredging decreased more significantly than before,and reduced with depth in the transition layer,but the reduce trend was not obvious.In all,the pollution layer of lake had been eliminated in this dredging project,and it was relatively reasonable that the dredging depth reached to 80 cm,thus the expected results had been achieved.

Key words：Qingshan lake;sediment dredging;dredging depth;heavy metals