清淤工程对黄石市青山湖2号湖水体污染的消减及评价

田 倩，张家泉*，邓志群，罗光洪

(1. 湖北理工学院 a.环境科学与工程学院, b.矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室, 湖北 黄石 435003; 2. 黄石市振兴勘察设计有限公司, 湖北 黄石 435003)

0 引言

湖泊底泥作为污染物的主要蓄积库，其营养盐、重金属等污染物的浓度往往要比上覆水体中的相应浓度高很多。同时，氮磷等营养物质容易通过聚磷菌和其他细菌的作用，引起水体富营养化；重金属在适宜条件下易通过扩散、解吸等方式重新释放进入上覆水体，从而形成二次污染源[1-3]。清淤不仅可以清除湖泊中严重污染的底泥，还能扩充库容，对整个湖泊的生态功能及物理蓄水能力有积极作用[4]。清淤作为控制水体污染及富营养化的一种有效措施，在国内外已得到广泛应用[5-6]。我国在安徽巢湖、无锡太湖和杭州西湖等湖泊均展开了底泥清淤工程，水质得到了明显改善[7-10]。

青山湖地处黄石市黄石港区，水域面积为105.2万m2，具有城市水利防洪和生态调节等重要作用。青山湖由4个子湖组成，自西向东分别为1，2，3和4号湖，其中2号湖为1号湖和3号湖的连通湖，全长720 m。2号湖周边曾有多个工业企业和生活小区排污口，岸边夜市摊点众多。通过截污和搬迁工作，青山湖的生态环境虽然得到了明显改善，但长期积累的底泥不断向水体释放营养物质和污染物质，成为了影响湖泊水质修复的“定时炸弹”。因此，开展青山湖底泥清淤势在必行。本文对清淤前后的青山湖2号湖水质进行了综合评价，分析了清淤工程在污染物削减和人体健康影响方面产生的效益，从而进一步说明清淤工程对改善湖泊水质的重要性和必要性。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2015年2月9日—2015年3月30日对青山湖2号湖进行第1次清淤，清淤深度为60 cm；2016年1月11日—2016年2月28日进行第2次加深清淤，加深清淤深度为60 cm。为掌握清淤效果，比较分析清淤前后青山湖2号湖上覆水体中的主要污染指标的变化，沿青山湖2号湖均匀设置4个采样点位，先后进行了6次采样，采样时间分别为2014年9月6日、2015年5月13日、2015年7月6日、2016年1月18日、2016年3月2日和2016年4月10日，并以4个点位监测结果的均值作为分析数据。根据《水质采样技术指导》(HJ 494-2015)的要求，采样前先用王水浸泡采样器24 h，再用蒸馏水洗净，采样时使用表层水润洗采样器3次。青山湖2号湖采样图如图1所示。

图1 青山湖2号湖采样图

1.2 样品预处理

将采集的上覆水样在24 h内带回实验室，加入浓硝酸调节至pH<2，低温冷藏。主要监测指标为Cd，Cu，Pb，Zn，COD，TN和TP，通过“王水+双氧水”加热浓缩后，采用火焰原子吸收分光光度计(美国 Varian，AA240)分析重金属；采用重铬酸钾法分析COD；分别采用碱性过硫酸钾法以及钼酸铵分光光度法(日本岛津，UV-2550)分析TP和TN。所使用的试剂均为优级纯，所有器皿均用王水浸泡24 h以上，再用蒸馏水洗净备用。实验过程中均设置多个平行样，并进行重复测试，以保证数据的准确性和可靠性，相对标准偏差均控制在10%以内。

1.3 健康风险评价方法

美国环境保护署(USEPA)推荐的健康风险评价模型是一种定量评估污染物与潜在人体健康风险效应关系的方法[11]。重金属人体暴露途径主要有直接接触、摄入水体中的食物和直接饮用，其中饮用途径被认为是对敏感人群健康造成威胁最直接和最主要的暴露途径[12-13]。通过饮用途径所导致的致癌和非致癌健康风险计算公式分别为[14]：

Rci=[1.0-exp(-Di·Qi)]/70

(1)

Rni=[Di/RfDi×10-6]/70

(2)

式(1)和(2)中，Rci为致癌物质i通过饮用水途径产生的年平均健康风险；Rni为非致癌物质i通过饮用水途径产生的年平均健康风险；Di(Di=Ai·Ci/BW)为毒性物质i通过饮用途径的单位体重日均暴露剂量(mg/(kg·d))；Ai为平均饮水量(L/d)，成人每日平均饮水量为1.0 L/d，儿童每日平均饮水量为0.7 L/d；Ci为水体中重金属的质量浓度(mg/L)；BW为人均体重(kg)，成人人均体重为56.8 kg，儿童人均体重为15.9 kg；Qi为化学致癌物质i通过饮用水途径产生的致癌强度系数(kg/(d·mg))，Cd的强度系数(Qi)为6.1 kg/(d·mg)；70为人均寿命；RfDi为非致癌物质i通过饮用水途径摄入的参考剂量(mg/(kg·d))，Cu，Pb和Zn的参考剂量(RfDi)分别为5.0×10-3mg/(kg·d)，1.4×10-3mg/(kg·d) 和3×10-1mg/(kg·d)[15-17]。

2 结果与讨论

2.1 第1次清淤前后青山湖2号湖水质状态

第1次清淤前后的青山湖2号湖的水质监测结果见表1。根据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)，青山湖为Ⅲ类水体。由表1可知，第1次清淤后，青山湖2号湖上覆水体中的Cd，Cu和Pb含量大大降低，且均低于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅲ类水体的标准限值。COD，TN和TP的浓度均呈逐渐上升趋势，且均高于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅲ类水体的标准限值。可能是因为湖泊在清淤之后，短期内造成底泥扰动，破坏湖泊底泥的微生物系统，湖底硬质层释放出大量的营养物质，特别是N和P，同时湖泊底泥微生物活性以及多样性降低，使底泥自净能力降低，释放的高浓度营养盐在短时间内无法消除，导致水体水质在短期内发生恶化[18-20]。

表1 第1次清淤前后的青山湖水质监测结果 mg/L

注：水质标准参照《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类水体。

2.2 加深清淤工程完成前后的青山湖2号湖水质状态

为进一步研究清淤工程对青山湖2号湖水质的影响，分别于2016年1月18日(加深清淤期间)、2016年3月2日(加深清淤完成后2 d)和2016年4月10日(加深清淤完成后40 d)对青山湖2号湖加深清淤前后的水样进行分析，数据分析结果见表2。

由表2可知，60 cm加深清淤完成40 d后Cd，Cu，Pb和Zn的含量进一步降低，Cd，Cu和Pb低于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅲ类水体的标准限值，但COD，TN，TP的污染仍未明显改善，且均高于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅲ类水体的标准限值。总体而言，清淤能够降低表层水体上覆水体中重金属的含量，但对于COD，TN和TP的治理效果不佳。

清淤工程主要是通过清除污染源来减少从沉积物中释放进入水体中的污染物。2号湖所处位置特殊，上覆水体污染一直受1号湖和3号湖的交替影响，湖泊污染具有复杂性，人为活动的加剧使得湖泊水质状况变得更加复杂和难以确定[21-22]。青山湖2号湖靠近居民生活区，大量生活污水的排放，路面雨水径流的汇入以及岸边垃圾渗滤液的流入使得清淤去除COD，TN，TP的长期效果非常有限[23]。从长远角度考虑，湖泊水质污染是长期积累的效果，污染因素较多，清淤作为单一的治理措施，很难从根本上改变青山湖2号湖的水质[24]。

表2 加深清淤前后水质监测结果 mg/L

注：水质标准参照《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类水体。

2.3 2次清淤工程完成前后水体重金属元素的变化

重金属是一类环境有毒污染物，具有稳定性、生物富集性、不易降解性等特点，且能够在水生生物中富集放大[25-26]，会严重损害人体肝、肾、消化系统和神经系统等，对人体健康造成严重危害。自然因素 (如风化作用、河床侵蚀等) 和人类活动 (如采矿、工业排放、污水灌溉和农业活动等) 均会导致水体重金属浓度的增加[27]。清淤对于青山湖2号湖重金属浓度的降低具有较好的效果，因此分析2次清淤工程前后上覆水体中重金属的浓度变化具有一定的实际意义。

清淤工程完成前后青山湖2号湖上覆水体中的重金属浓度变化如图2所示，由图2可知，Cd，Cu和Pb在时间上质量浓度变化趋势大致相同，均为先下降再上升然后再下降的趋势，且重金属质量浓度均在2016年1月18日达到最大值。可能是因为青山湖2号湖第1次清淤深度不够，短时间内虽降低了上覆水体中的重金属浓度，但由于湖泊的扰动作用，使得原本在深度底泥中处于稳定状态的重金属重新释放到水体中，污染物与底泥的络合作用及吸附作用减弱，重金属的含量又极速上升[28-29]。加深底泥清淤工程完成后，有效地削减了沉积物中的重金属含量，减少了重金属在水土界面的释放通量，同时重金属污染物还会随着悬浮颗粒物一起沉降到湖泊底部，或被清淤后的表层沉积物直接吸附[30]。另一方面，政府也加强了对青山湖两岸的综合治理，禁止附近的居民和企业等往湖泊中排放生活污水和工业废水，外源污染得到了有效控制，重金属含量开始大幅度降低，水体中重金属污染得到了进一步改善。

图2 清淤工程完成前后水体中的重金属浓度变化

2.4 重金属元素的健康风险评价

采用美国环境保护署( USEPA) 推荐的致癌健康风险评价模型和非致癌健康风险评价模型对青山湖2号湖水体中重金属进行了评估，主要考虑通过饮用途径的化学致癌物Cd和非化学致癌物Cu，Pb，Zn两类物质进入成人和儿童体内所导致的致癌和非致癌健康风险。重金属健康风险评价结果见表3。

表3 重金属健康风险评价结果

由表3可知，青山湖2号湖成人和儿童的水环境健康风险总值分别为7.07×10-7～5.85×10-5和1.92×10-6～1.46×10-4，最高值分别为USEPA推荐的标准值1×10-6的59倍和146倍，儿童通过饮水途径所承受的4种重金属的健康风险高于成人，致癌物Cd引起的风险明显高于非致癌物Cu，Pb和Zn。致癌物质Cd引起的成人和儿童健康风险值由USEPA推荐的最大可接受风险水平1×10-6的46倍和115倍降低到25倍和61倍，化学致癌物Cd所引起的健康风险虽得到了明显改善，但Cd所引起的健康风险值仍相对较大，应加强对于Cd的监测和治理。非致癌物质Cu，Pb和Zn所引起的成人和儿童健康风险总值为2.47×10-9～5.34×10-8和6.16×10-9～1.33×10-7，其健康风险值均低于最大可接受风险水平，成人和儿童经饮水途径所承受的单一重金属非致癌风险由大到小均依次为Pb>Cu>Zn。

3 结论

以青山湖2号湖2次清淤工程前后的水质状况为研究基础，分析了清淤阶段水质中Cd，Cu，Pb，Zn，COD，TN和TP 7项指标的变化规律，得到如下结论：清淤前青山湖2号湖上覆水体污染严重，超过《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类水质标准限值。经过2次清淤后，水体中的重金属含量明显降低，但对于COD，TN和TP的治理效果不佳，所以清淤作为单一的治理措施，很难从根本上改变青山湖水质。青山湖2号湖成人和儿童的水环境健康风险总值分别为7.07×10-7～5.85×10-5和1.92×10-6～1.46×10-4，儿童通过饮水途径所承受的4种重金属的健康风险高于成人，致癌物Cd引起的风险明显高于非致癌物Cu，Pb和Zn。化学致癌物Cd引起的健康风险相对较大，为主要重金属污染物。