水库沉积物资源化利用基础研究<br/>——以碧流河水库大堡库区为例

水库沉积物资源化利用基础研究
——以碧流河水库大堡库区为例

2018-09-27余慧娟许士国

农业环境科学学报 2018年9期

余慧娟，许士国，朱林

（大连理工大学水利工程学院，大连 116024）

我国大坝建设高峰期主要集中于1958—1966年和1981—1997年两个时期[1]。前期由于缺乏水库运行管理经验致使水库淤积严重，据统计，截止到1981年底全国水库总淤积量达115×108m3，占统计水库总库容的14.2%，水库年平均淤积率达2.3%，高于世界各国[2]。对此我国学者经过30余年的努力，在淤积实测资料[3-4]，泥沙处理技术[5]，防淤、减淤措施[6]，泥沙运行规律[7]等方面均取得一定成果，使得入库泥沙减少很多。然而汛期大量有机体入库是现今水库面临的普遍性问题，使得水库淤积物由泥沙为主转变为泥沙与有机质共存的局面[8]，并存在引发水质危机潜能[9]。东北地区水土流失严重，雨水主要集中于汛期，且多暴雨，水库易于淤积，由于全年雨水量少，水库常年缺水，底部少有放水情况，使得水库沉积物一直处于蓄积状态[10]；加之过去的二三十年我国处于经济发展高峰期，工农业、畜牧养殖业、居民生活等产生的废弃物、污染物增多，且随径流直接或间接流入水库，短期内难以被完全降解的物质逐渐蓄积于库底[11]，日积月累的蓄积量使得沉积物“源”角色逐渐凸显，污染物再次威胁上覆水体，沉积物成为内源污染[12]。目前距大坝第二建设高峰期已有20余年，水库面临程度不一的内源污染和淤积问题。枯水期清淤是解决水库内源污染与淤积的有效措施，但沉积物处理不当会引起二次污染并造成资源浪费。

目前疏浚淤泥的处理已从堆放、吹填、海洋抛弃和焚烧等传统处理方式，逐渐发展为土地利用、建筑材料、填方材料、污水处理材料以及能源回收等资源化处理方式[13]。传统处理方式存在对环境再污染问题，资源化利用将是未来发展的趋势，但部分资源化方式如污水处理材料、能源回收等具有用量少、对处理对象选择性高等问题，无法满足大批量淤泥处理问题。土地利用、建筑材料等更适应我国现状。目前该方面研究主要集中于河流湖泊，对水库沉积物资源化处理研究较少。本文以典型东北水库碧流河水库为研究对象，结合水库淤积特点，基于水库淤积现状，对水库进行沉积物样品采集及分析，研究水库淤积物土地利用可行性，填补碧流河水库沉积物资源化利用空白，并为后续水库清淤、沉积物资源化处理等工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

碧流河水库位于辽宁省普兰店市、庄河市和盖州市的交界处，有碧流河、蛤蜊河和八家河三个入库河流，305国道南北贯穿库区，水质总体在Ⅱ类左右。该水库目前已运行30余年，在水库运行过程中，由于入库水多为大流量的洪水输入，而放水过程多以满足供水需要的小流量均匀地从上层取出[10]，使得水库沉积物一直处于蓄积状态。汛期库区淹没范围较大，入库口处水流由急变缓，水体承载运输泥沙能力降低，使得入库口易于淤积。本文对碧流河水库三个主要入库口——大堡、桂云花和钟岭分别进行淤积现场调查，发现这些区域部分点位沉积物均存在明显分层现象。不同典型年份入库流量不同，流水所携带黏土、泥沙、动植物残骸等比例也不相同，从而形成了沉积物分层现象，反映出碧流河水库的淤积状况。大堡库区位于水库干流——碧流河入库口处，相对于两个支流入库口——桂云花和钟岭库区，在非汛期裸露面积较大，且部分区域常被附近居民私自耕种占用，大堡被占用种植区范围见图1。农田土质疏松易流失特性使得大堡库区更易淤积，也赋予了该区沉积物农用土再利用的潜能，因此本文选择大堡库区为研究对象。

1.2 样品采集

本文采用均匀布点法进行采样，采样点分布如图1所示，河道右岸代表采样点为1～5号，主洪区代表采样点6～11号，河道左岸代表采样点12～21号，其中12、13、14、16、17采样点位于种植区范围。样品采集于库区裸露期，用铁锹挖出剖面，不锈钢铲子去除与铁锹接触层的垂直表面，再分层截取样品。采样深度为60 cm，0～20 cm沉积物每2 cm取一次样，20～50 cm沉积物每5 cm取一次样，50～60 cm沉积物每10 cm取一次样。分别选取4～6、14～16、25～30、50～60 cm样品对不同深度沉积物进行代表性分析研究。

1.3 实验分析方法

将现场采集样品经常温自然风干后，用研钵进行粗研磨，过10目筛（2 mm）去除石子和动植物残屑等异物，分别取过10目筛后的适量样品用于pH、粒径和有机质测定；再将第一步研磨后的沉积物样品（＜2 mm）进行第二次细研磨，过200目筛（0.075 mm），取适量小于0.075 mm的沉积物样品进行重金属检测。pH测定采用德国WTW公司Multi 3430水质分析仪，检测沉积物和水（体积比1∶5）的悬浊液完成[14]；粒径分析选用英国马尔文仪器公司Mastersizer 2000激光粒度仪[15]完成；有机质分析选用操作简易、方便，测定的烧失量和有机质含量比较接近且结果较为稳定的550℃烧失法[16-18]；重金属的检测指标包括Fe、Mn、Cu、Cd、Pb和Zn，具体检测步骤为：取0.500 0 g沉积物利用硝酸、氢氟酸和高氯酸（5∶5∶3，体积比），在200℃电热板上消解至近干，1%稀硝酸转移定容后于4℃贮存待测，用火焰原子吸收分光光度计（普析，TAS-990）检测；每组消解样品包含不少于10%的平行样，以及2个以上的标准物质（GSD-7a），平行样的相对平均偏差小于5%，标准物质的回收率分别为92.77%（Fe）、94.20%（Mn）、120.50%（Cu）、118.07%（Cd）、80.08%（Pb）和94.88%（Zn）。

图1 碧流河水库大堡库区采样点分布图Figure 1 The distribution of sampling sites in Dapu area of the Biliuhe reservoir

1.4 重金属评价方法

潜在生态危害指数法引入毒理学，能同时反映重金属的单因素污染和综合污染状况，用来评价大堡沉积物土地利用的风险性，具有指导性意义。表达式见式（1）和式（2）。

2 结果与讨论

2.1 壤质适宜性

土壤pH值综合反映土壤的化学性质，对土壤的生态环境有深刻的影响，对于大多数植物，最适宜的土壤pH范围为弱酸性到中性（6.0～7.5）[22]。分析碧流河水库大堡库区各层沉积物pH值可知，大堡沉积物pH值主要以酸性（＜6.0）、弱酸性（6.0～6.5）和中性（6.5～7.5）为主。在4～6、14～16、25～30、50～60 cm沉积物样品中，pH值介于弱酸性到中性（6.0～7.5）的样品比例分别为76.2%、76.2%、71.4%和66.7%，而其余样品则主要以酸性土壤为主，只有极少部分属于碱性土壤（7.5＜pH＜8.5）。参照国际制土壤质地分级标准[23]对大堡沉积物进行粒径分布分析，结果如图2：大堡库区沉积物粒径组成分布于壤土和砂土区域，以壤土为主，其中4～6、14～16、25～30、50～60 cm壤土占比分别为95.2%、81.0%、76.2%和84.2%。导致土壤养分不同的最主要内在原因是土壤的颗粒组成[24]。砂土主成分颗粒粒径较大，比表面积较小，吸附养分能力弱，加之土质稀疏，使得土壤养分易流失；而黏土主成分颗粒小，土质密实，吸附养分能力强，但雨水下渗困难，影响农作物根系生长；壤土粒径组成介于砂土和黏土之间，兼具二者优点。学者针对砂土、壤土、黏土不同壤质类型土壤进行种植试验，得出壤土更适合植物根系生长发育及产量形成的结论[25-26]。综上可知，碧流河水库大堡库区沉积物在pH、壤质类型等基本性质方面适宜植物生长。

2.2 养分丰富度

图2 大堡库区各采样点沉积物壤质类型图Figure 2 The soil type of sediment samples in each sediment layer of Dapu aera

表2 大堡库区沉积物样品有机质含量Table 2 The organic matter contents of sediment samples in Dapu area

表2为大堡库区各层沉积物有机质含量统计表。由于碧流河水库地处辽宁省普兰店、庄河及盖州交界处，其中土壤有机质数据为统计分析该三市土壤数据，来源于全国第二次土壤普查农田肥力数据库。各层沉积物平均有机质含量分别为35.77、27.22、29.69、27.13 g·kg-1，参照全国第二次土壤普查分级标准[27]，大堡沉积物有机质平均含量达到2～3级，中上-高水平。参照流域土壤平均有机质含量18.03 g·kg-1，库区各层沉积物有机质含量高于流域土壤有机质平均含量的采样点所占比例分别为90.5%、76.2%、81.0%和72.2%，高于流域土壤有机质最小值所占比例分别为100%、81.0%、85.7%和83.3%。据课题组已有研究[28]，大堡库区沉积物总氮、总磷平均含量分别为2.2、0.45 g·kg-1，分别达1级、很高水平和4级、中下水平，均高于流域土壤总氮、总磷平均值0.94、0.36 g·kg-1。可见，大堡沉积物经适当无害化处理后用作流域种植土，其养分含量完全满足流域种植所需，且养分富余，具有巨大潜力。

2.3 重金属污染水平

统计分析大堡库区各层沉积物重金属含量数据如表3所示。对比各类土壤标准限值，可知大堡沉积物Cu、Cd、Pb和Zn含量均远低于《GB 4284—1984农用污泥中污染物控制标准》[29]限值；其中Cu、Pb、Zn含量符合《HJ 350—2007A展览会用地土壤环境质量评价标准（暂行）》[30]A级标准，Cd含量符合B级标准；参照《HJ/T 332—2006食用农产品产地环境质量评价标准》[31]，Cu、Pb、Zn的平均含量符合标准要求，而Cd的平均含量超标5倍以上。目前国内外土壤Fe、Mn含量无相关标准要求。综上，就重金属含量方面而言，大堡沉积物用于场馆、绿化、商业及公共市政用地等不会威胁人类身体健康，而用于种植土壤等直接暴露于人体的土壤类型存在潜在风险。鉴于碧流河水库流域土地利用类型以耕地、林地和村落占地为主，有必要对大堡沉积物重金属含量进行风险评估，以确定其应用于I类土壤的风险性。

2.4 重金属评价结果

重金属评价结果如表4所示。大堡各层沉积物中，Cd污染最为严重，各层沉积物样品中Cd含量均处于V级（严重）污染水平，而Fe、Mn、Cu、Pb和Zn含量均属于Ⅰ级（低）污染水平，重金属综合污染水平为Ⅳ级（严重）水平，其中Cd污染指数占综合污染指数的比例为94.2%～98.2%。这表明大堡沉积物用于任意类型土壤，Fe、Mn、Cu、Pb和Zn含量具有较低风险，Cd污染严重，整体重金属污染水平为严重。

表3 大堡库区沉积物样品重金属含量表Table 3 The heavy metal content values of sediment samples in Dapu area

表4 大堡沉积物重金属评价结果Table 4 The evaluation results of heavy metals in Dapu area

消落区大堡库区部分区域常被当地居民私自耕种，且种植多年，具体分布区域见图1种植区。为进一步确定大堡沉积物用作种植土的可能性，对比分析大堡库区全局和种植区超标、存在潜在威胁的重金属Cd含量数据如图3所示，可见种植区各层沉积物Cd含量变化均落于大堡库区含量变化范围内，并集中分布于库区平均值左右。大堡库区Cd污染来源相同，然而种植多年其Cd含量相对于库区未出现异常偏低情况，即种植区多年耕作农作物对Cd未出现明显富集现象，可能与大堡沉积物Cd的各形态含量有关，故不排除大堡沉积物可直接用于安全种植土的可能性。但为保证大堡库区沉积物安全用于种植土，可考虑与原种植土以一定比例混合均匀后利用。

2.5 养分利用分析

图3 大堡库区及种植区Cd含量对比图Figure 3 Cd contents in Dapu area and the plant area

由前文分析可知大堡沉积物有机质含量较高且变幅较大，为保证有机质的充分利用，本文选用地理信息系统ArcGis 10.1空间分析模块对有机质含量空间分布进行分析，结果如图4所示。可见大堡沉积物有机质含量分布具有区域性，表现出低有机质含量区域主要分布于河道右岸、高含量区域主要分布于主洪区和国道附近的特征。已有研究表明，土壤有机质通过吸附、络合、螯合等化学作用影响土壤重金属的积累及其有效性[32-34]，故采用SPSS 17.0对大堡沉积物有机质与具有潜在风险的Cd含量进行相关性分析，结果（表5）表明，大堡沉积物有机质与Cd含量并无相关性，即有机质的充分利用不受Cd污染影响。综上，大堡沉积物进行再利用时，为保证有机质资源的充分利用，可考虑分层分区域分方法进行循环再利用。