湖库型饮用水水源地底泥对水质影响的研究进展

申艳冰 王方园 李锦艳 杨倩 叶辉 代晓云 石安 阮奇栋 张伟佳 舒宇峰

（浙江师范大学，浙江金华 321004）

1 引言

湖库型饮用水水源地的水生态系统有水质、水生生物和底泥三大环境要素，其中底泥承担着接纳外源污染物和向水体中释放营养盐的双重功效［1］，在水生态系统中有着不可或缺的作用。以前人们认为底泥是水体污染的汇，但是随着学者们的深入研究，发现在水生态系统中，底泥是主要的沉积相和污染源（汇）［2］。

饮用水水源地保护是饮用水安全保障中最重要的一个环节，其水质状况直接关系到供水区人民群众的身体健康。我国水资源存在水质差、资源短缺、资源时间空间分布不合理等问题。而这些年由水源地污染引发的饮用水安全事件，给居民的生产生活造成一定程度的影响。党的十八大以来，党和国家高度重视生态文明建设，各地都在进行水污染防治攻坚战，而饮用水水源地保护已成为生态文明建设的重要环节。

本文从饮用水水源地出发，综述了国内外湖库型饮用水水源地中底泥的研究进展，对内源污染物及其危害做了阐述，对底泥污染的原因给出了说明，最后对现阶段如何修复受污染底泥进行了归纳总结，并对湖库型饮用水水源地的监测技术、修复技术以及更深一步的研究进行了展望。

2 底泥的危害

内源污染是指底泥中的污染物向外释放造成水体污染及底泥污染导致的底栖生态系统破坏的现象［3］。通常内源污染物可分为氮磷营养盐、重金属和难降解有机物三类。内源污染是我国大多数湖泊、水库存在的普遍问题。有研究表明，西湖、巢湖、滇池都不同程度地受到内源污染影响，其中滇池的内源污染与底泥中含有大量的氮磷有关［4］。对于保护较好的湖泊、水库，如深圳水库和北京官厅水库等，内源污染也是导致水质季节性恶化的重要因素。

底泥污染难治理原因在于底泥在湖库水体生态系统中的作用。一方面，底泥可以吸附水体中的污染物，降低水质的污染程度。另一方面，一旦外界条件（水温、pH、溶解氧、氧化还原电位、水体扰动、污染物形态及理化性质、底泥结构、微生物活动等）发生改变［5］，底泥里的污染物会重新释放出来，影响上覆水体的水质［6］，尤其是使水体中氮磷等营养盐浓度增加，加剧水体的富营养化程度和藻类水华爆发的机会。除此之外，底泥可以为水体里的动植物提供生活场所和营养物质，其中的污染物质，比如重金属，因其具有富集性，在自然界中不易被降解，最终经食物链放大后进入人体，直接或间接危害人体健康。

内源污染更直接的危害是造成水源水质的恶化，水源地的水质恶化会直接影响供水安全。如2007 年太湖爆发蓝藻危机，导致无锡10 万人的饮用水安全得不到保障，2005 年松花江发生苯污染事件，政府不得不关闭哈尔滨松花江段取水口，以确保居民的生命安全。

3 国内外湖库底泥内源污染现状

3.1 我国湖库底泥内源污染现状

3.1.1 底泥氮磷污染现状

从20 世纪90 年代起，长期的污染开始导致我国湖库水体富营养化。巢湖、太湖、滇池、鄱阳湖都不同程度地发生了水体富营养化。20 世纪90 年代中期，巢湖富营养化达到近30 年的巅峰；2003 年，滇池爆发蓝藻危机，水质恶化，曾一度达到劣五类水水质；2007 年，太湖大面积的蓝藻导致无锡市发生饮用水危机。

有不少学者研究发现，底泥和水体富营养化有很大的关系。吴军伟等［7］探究了温度、pH、外界物理条件（扰动上覆水）改变时，底泥可以释放出氮磷营养物质，从而导致水体富营养化。谢忱等［8］、原居林等［1］发现跃进水库、岩口水库底泥受总氮总磷污染严重。水库浅水区低浓度的原始上覆水可加速底泥营养物质的释放，水体的磷含量主要受底泥磷的影响［9］。我国的饮用水水源，如北京的官厅水库［10］、天津的于桥水库［11］、保定的饮用水水源地［12］和浙江省绍兴市的汤浦水库［13］都不同程度地受到了氮磷污染。

3.1.2 底泥重金属污染现状

重金属能长期稳定地存在于底泥中，一旦水体被污染，其很难去除。与有机物不同，其无法通过微生物降解，进入水环境的重金属主要通过吸附、离子交换、沉淀等作用迁移至河床表层底泥中，使底泥沉积物中的重金属含量远高于水相。有研究表明，进入河流的污染物，只有1%以下能溶于水中，99%以上会沉积在河流沉积物中［14］。

很多学者对我国的一些湖库底泥重金属进行了分析研究，其中三峡库区［15］、小浪底水库［16］、玉环湖水库［17］底泥都出现了较低水平的重金属富集，并存在潜在的生态风险。而香溪河库湾［18］底泥重金属含量从无到有，轻度污染。福建永定灌洋水库［19］Cd 超标十分严重，Cu 和Zn 超标较严重。红枫湖［20］沉积物中重金属Cu，Pb，Cd，Cr，As，Hg 都存在不同程度的超标。浙江省浦江县的通济桥水库，作为饮用水备用水源地，其表层沉积物出现了严重的重金属蓄积现象［21］。

3.1.3 底泥持久性有机污染物污染现状

除了营养盐和重金属，近几年来，持久性有机污染物在水体及沉积物中的富集逐渐引起研究者的重视。持久性有机污染物在环境中残留时间长、难降解，且可以通过食物链的富集作用与生物放大作用最终影响人类的健康。研究表明，在华南地区部分地下水中检出有机氯类污染物；淮河、黄浦江等水体中多氯有机物浓度高于国外相应的浓度，沉积物中多氯有机物浓度与国外部分水体沉积物中的多氯有机物浓度基本相当。除了江河湖海，饮用水水源地沉积物中也检测出了持久性有机污染物。暴志蕾等［22］对长三角地区饮用水水源地沉积物中有机氯农药污染进行了研究，采集的沉积物中测定的22 种有机氯农药都有检出，滴滴涕（DDTs）、六氯苯、六六六（BHCs）、五氯苯的检出率为100%。除了有机氯农药，林莉等［23］发现三峡库区水体和底泥中存在多环芳烃和邻苯二甲酸酯类。太湖贡湖饮用水水源地发现了多氯联苯污染［24］，而太湖典型饮用水水源地中也检出了多溴联苯醚［25］。

3.2 国外湖库底泥内源污染现状

底泥内源污染已经对人类健康及环境造成了很大的影响。根据美国环保署的统计，全美10%的底泥足以对鱼类及食用鱼类的人和野生动物构成威胁［26］。此外，由于人为干扰，许多底泥面临被污染的威胁。根据美国环保署调查，在美国很多工业和经济较为发达的地区，流域底泥已被氮磷营养盐和重金属污染。美国与加拿大交界的五大湖自20 世纪中期开始就出现了严重的水体污染，水体富营养化严重，重金属含量超标；近几年在湖泊底泥中发现了严重的汞污染。丹麦的湖泊水体水质污染，其中较大的压力来自湖泊沉积物中释放的营养［27］。而在日本九州、印度恒河以及韩国西海岸底泥中都不同程度地监测到了全氟辛烷磺酸化合物［28］。

4 湖库底泥内源污染来源及成因分析

4.1 外部自然因素

进入库区底泥的污染物主要来自上游污染物的排放，随着雨水的冲刷作用，这些污染物随地表径流进入库区。除了雨水冲刷之外，大气的干湿沉降也是污染物的一个来源。污染物通过干沉降或者湿沉降降至地面或水体，地面的污染物又随地表径流进入湖库，最终沉积在湖库底泥。通过大气沉降途径向湖库输入氮磷营养盐以及Zn，Pb，Cd，Ni 等重金属元素，对水体富营养化、重金属元素污染都有较大的影响。

4.2 湖库内源影响

4.2.1 水体和底泥的营养物交换

由于水库的蓄水作用，导致水流入库后水势变缓，搬运能力下降，库区底部成为重要的蓄积场所。水流携带物及库区内土壤颗粒和动植物残体等的混合物，经过一系列复杂的物理、化学及生物作用沉积于库底形成底泥，内含丰富的营养盐以及各种污染物。有研究表明，当水体中的氮磷等营养盐的含量降低时，底泥中的氮磷物质便会释放出来，以满足正常的水体功能。

4.2.2 水体分层

水库中的水体存在着分层现象。由于水体垂向温度梯度的存在，使垂向水体的密度不同，从而造成水体分层［29］。具体来说，夏季由于太阳辐射强烈，表层水体温度高，底层水体温度低，所以表层水体密度相对底层水体密度要小；而冬季，表层水体温度低于4 ℃，底层水体由于太阳辐射程度弱，水温基本保持不变，接近4 ℃，这样一来，底层水体温度比表层水体温度高，导致底层水体密度相对于表层水体要小。由于密度差异，表层水体和底层水体会进行水的垂直交换，即所谓的翻库，这时沉积在底泥的内源污染物会随着水库的翻库而被搬至表层水体，导致水体里营养物质增加，为夏季水体藻类的大量繁殖创造了条件。

5 湖库内源污染对水质影响机理剖析

湖泊水库等缓流水体具有以下特征：水体更新周期长；水流速度慢；污染物浓度积累快。这些特征导致污染物极易沉积到湖库的底部，进而影响湖库的水质。通常来说，湖泊和水库的内源污染主要通过以下过程影响水质［4］。

5.1 底泥耗氧，造成水体缺氧

底泥耗氧一般分为化学性耗氧和生物性耗氧。化学性耗氧是指底泥内耗氧化合物，如Fe2＋，Mn2＋，HS－等和有机质等物质发生氧化或降解消耗溶解氧；而生物性耗氧则是指微生物和底栖生物的耗氧。有研究表明，底泥耗氧通常占整个水体耗氧的50%以上，尤其在夏季，底泥耗氧是造成湖库底部水体缺氧的主要原因。此外，底泥耗氧还能影响营养物质（如氮磷等）和金属在底泥/水界面的释放通量，进而影响湖泊水库的水质。

5.2 底泥污染物释放

底泥污染物的释放过程较为复杂，可将其释放机制大致分为生物释放、化学释放和物理释放［30］。污染物释放的一个客观条件是底泥和上覆水体之间的浓度差。其释放过程有两个［31］：一个是解析扩散，当底泥中固液相之间的有机物没有达到平衡时，此时有机物被解吸至毛管水中，随后进入重力水最终扩散至上覆水体；另一个过程是降解，当固液相中的有机物达到平衡，底泥中的微生物将有机物转化成溶解状态，随后解吸扩散至水体中。底泥污染物释放（包括碳、氮、磷和金属元素等物质），造成水体污染物含量增大。底泥释磷指的是水体进入底泥中的磷和底泥向水体输出的磷通量之差，包含两个过程［4］：（1）由底泥进入间隙水；（2）通过扩散、水体扰动及环境因素的作用，由间隙水向上部水体扩散传输。底泥释磷是一个复杂的过程，要受底泥性质、DO/Eh、pH、温度、有机质及水体扰动的影响。底泥释氮的机理更加复杂，主要是测定底泥氨氮、硝态氮以及有机氮从底泥间隙水进入上覆水的释放速率。影响底泥释氮的因素包括溶解氧、底泥性质、温度、盐度和pH 等。

6 湖库污染的控制与修复技术

受污染的湖泊水库的修复是一项大工程。湖泊水库不仅在整个生态系统中发挥着重要的调节和屏障作用，也积蓄着大量的淡水资源，是人类使用水资源的主要来源之一。湖泊水库的环境质量直接关系到人类的生存与发展，因此，对受污染的湖泊水库进行修复是重要又紧迫的。

6.1 源头控制

湖库型饮用水水源地底泥的来源分为外源性和内源性。内源污染指的是湖库在淹库前未清理干净的面源污染以及湖库的本底污染。从外源上切断污染物，进行源头控制，能最大程度地减少污染物，可以给湖泊水库营造一个好的生态环境。由于湖库的上游范围内主要分布着农业生产区、居民区以及工厂企业，所以外源污染主要是生活点源污染、农业面源污染以及工业污染。点源污染主要是居民生活污染，比如未经处理直接排放至周边溪流湖库的生活污水以及生活垃圾。面源污染主要来源于施用的化肥农药以及零星的畜禽养殖散户。化肥农药无法完全被植物吸收，随地表径流进入湖库；畜禽饲料以及排放的粪便随地表径流进入湖库。从源头控制，就要排查上游所有的排污口和可能造成污染的工厂企业，控制化肥农药等面源污染，对生活污染以及畜禽养殖业、餐饮旅游业进行相应的控制，提出整改措施，以确保从源头上控制污染物的进入。

6.2 物理修复

目前常见的物理修复技术有电动力学修复、原位覆盖技术以及底泥疏浚技术。

电动力学修复受污染底泥有很好的发展前景，其原理是在受污染底泥中加入电场，带电荷的重金属离子在电场作用下发生定向移动，并在电极附近累积，定期处理电极附近的淤泥，从而降低底泥重金属污染物。但此方法同时受到pH 值、Zeta 电位、极化问题、化学性质等因素的影响。

原位覆盖技术又称封闭、掩蔽或帽封技术，其原理是寻求好的底泥覆盖物，将底泥中的污染物与上覆水分隔，减少底泥中污染物向水体的释放能力。覆盖技术具有下述3 个方面功能［32］：（1）物理阻隔，阻断了污染物和上层水体之间交换的通道；（2）覆盖物使受污染底泥稳固，防止其再悬浮或迁移；（3）覆盖物中含有机颗粒，对污染物有一定的吸附作用。常用的底泥覆盖材料有清洁的沙子、钙质膨润土以及粉煤灰。世界上首例原位覆盖工程是美国于1978 年实施的，随后日本、挪威以及加拿大等国相继实施了这一技术。1984 年在华盛顿西雅图Duwamish 航道实施了沙子覆盖工程控制重金属及PCBs 的污染；1988年在华盛顿塔科马St. Paul 航道实施了原位覆盖工程，采用取自Puyallup 河粗糙的沙砾覆盖近海岸的底泥［32］。我国首例原位覆盖技术要追溯到1999 年巢湖市环城河河道底泥环保疏浚。

底泥疏浚是最常用的一种修复受污染底泥的异位处理技术，具有以下优点：（1）可以短期内清除内污染源，使水质质量变好；（2）促进水生及河岸带生态系统恢复；（3）增加水深和蓄水量，提高水环境承载能力，增强污染物的扩散与水体自净能力；（4）保障疏挖区的景观环境。当底泥中污染物的浓度高出本底值3～5 倍时，通常认为其对人类及水生生态系统存在潜在危害，可考虑进行疏挖［3］。日本、匈牙利、美国、瑞典、荷兰等国家均有局部或大规模的对水库、湖泊、河道等进行底泥疏竣的先例，并取得了不错的成果［33］。在我国这项技术也得到大力发展，底泥疏竣技术在我国的北京市官厅水库、深圳市长流陂水库等都有应用。我国太湖、天津海河和苏州河等地也都依次开展了不同程度的疏浚工程。

6.3 化学修复

化学原位修复技术是投加化学药剂，使污染物和化学药剂发生一系列物理、化学、物化反应（如氧化、还原、沉淀、水解、络合、聚合等），从而使污染物从底泥中分离或者转化成低毒或无毒形态的物质。目前常用的化学药剂有铝盐、铁盐、生石灰、Ca（NO3）2、CaO2、H2O2和KMnO4等。日本的琵琶湖、瑞典的Lillesjon 湖采用原地化学处理技术处理后，底泥释放磷的速率大大下降［34］；Mamindy－Pajany Y 等［35］在多种修复试验中证实了铁系物、铝系物等对于污染底泥中重金属都有较高的固定效率，不仅能降低底泥重金属的浸出率，还能降低底泥重金属离子的毒性。

6.4 生物修复

生物修复技术是利用微生物的代谢作用降解污染物，包括植物修复、动物修复、微生物修复以及联合修复。

6.4.1 植物修复

植物修复在底泥重金属的修复中应用广泛，如蜈蚣草对砷有超富集作用。近年来，学者们陆续发现了很多种对单一重金属或者多种重金属有特定富集作用的植物。臧晓梅等［36］发现冬麦草对底泥中Cr，As 的去除效果最好。华常春等［37］发现水葫芦能从污泥中除去铬、铅、汞、银、钴、锶，效果良好。Sivaci A等［38］利用沉水植物狐尾藻对受Cu，Zn 污染的底泥进行修复，证明狐尾藻能有效去除Cu，Zn 离子，去除率分别达到74%和81%。

6.4.2 动物修复

动物修复是用一些原生动物来修复底泥的污染物。邓锦松等［39］在虾池引入适宜密度的双齿围沙蚕，发现双齿围沙蚕能有效降低虾池底质中氮磷和硫化物的积累速率，对虾池底质具有较好的改良（修复）作用。丛玮玮等［40］发现蚯蚓粪能有效改变底泥的理化性质，使其能更好地适合植物生长。近年来，越来越多的研究表明，底栖生物对受损水体有修复作用，常用于受损水体的生态修复。底栖生物是水生生态系统中重要的组成部分，在水生生态系统中占有十分重要的地位。寡毛纲底栖生物颤蚓［41］对底泥重金属Cu，Cd 的迁移转化有一定的影响，褶牡蛎和菲律宾蛤等几种底栖生物的放流，有利于长江河口区的生态修复［42］。底栖生物的研究，是未来水体生态修复的突破口。

6.4.3 微生物修复

微生物修复技术是利用天然的或经过驯化的微生物，通过氧化、还原等作用去除底泥中的有机污染物，达到净化沉积物、削减内源污染的目的。

加拿大的汉密尔顿港、美国马萨诸塞州的Salen河等通过向水体中投放微生物，利用其代谢作用降低污染物的毒性［32］。刘兵兵［43］在研究中提到底泥中检测到的功能菌具有能够促进氮、磷削减的代谢机制，且在水质净化过程中的作用要比水体微生物还要强。

7 底泥资源化技术

被污染的底泥最常见的处理方式就是底泥疏浚。疏浚底泥的常规处理方式有堆放、吹填和海洋抛泥等［6］，但是这些方式各有利弊。比如，单纯堆放不仅侵占大量土地资源，还会由于雨水的冲刷造成二次污染。吹填所用土地地基非常软弱，地基处理费昂贵，且容易出现泥水向围堰外部扩散，引发二次污染。海洋抛泥则会影响渔业，对海洋生态系统造成严重的破坏。所以现在提倡合理利用底泥，将其资源化，不仅能在一定程度上保护环境，还能产生一定的经济效益。例如用底泥制氢，在有效利用资源的同时，还能缓解能源压力。还可以用底泥制备建筑材料，用于生产陶粒、砖和生态水泥。还有将含氮磷等营养盐的底泥用作农田土地改良，改良土壤的特性，从而增加土壤的肥力，促进植物生长。还可以将底泥作为填方材料用于湖滨带生态建设的基底重建与修复工程。任乃林等［44］用疏竣底泥中含有的大量腐殖质对金属离子的吸附交换和络合作用的特点，处理了含铬废水，效果良好。

8 结论与展望

8.1 结论

综上所述，水源地饮用水水源承担着广大人民群众的饮水安全，应该加强水源地的水质保护，对水质进行长期监测，对其可能存在的潜在风险进行定期评估，给水源管理提供建设性意见，

8.2 展望

（1）国内外部分湖库型饮用水水源地的底泥存在氮磷等营养物质过剩、水体富营养化现象严重、重金属和持久性有机污染物存在潜在风险等问题，需要长期监测，制定相应的应急方案。

（2）湖库型底泥污染物的迁移转化机理需要进一步研究。

（3）受污染底泥的修复方法有待进一步研究，目前采用最多的还是疏挖方式，但同时要注意避免引发二次污染和破坏底泥生态环境。而在原位修复技术中生物修复具有费用低、管理简单、环境友好、有效时间长等优点，应用广泛。未来根据发展的需要，以生物修复技术为基础，大力发展底泥生态修复具有很好的前景，可以实现底泥自我净化，减少人为干预。同时要控制外源污染物进入水体，必要时可采用一些措施，比如污水截流、加强对农业用地的管理、加强水库周边的水土保持等。

（4）疏浚底泥的利用有很大的发展空间，开发出新的疏浚底泥的处理技术，最大限度地节约与利用资源。

（5）构建水质的区域联网，数据实时上传，在线更新，打造环境监测网络体系，省时省力又方便管理。