湖泊污染底泥 治理修复实践

范成新 陈开宁 张路 钟继承 古小治 刘成

太湖是无锡、苏州和上海市的主要或备用饮用水源，在地区的生产和生活中具有举足轻重的地位。近三四十年来，以水体氮、磷含量高企而形成的富营养化问题，成为太湖水污染最主要的特征。在春夏季，太湖一些滨岸还常出现一种被称为“湖泛（black bloom）”的极端水污染现象，其本质是藻类泛滥成灾。这些污染问题不仅会制约周边流域的社会和国民经济可持续发展，更严重的是对太湖水源地的供水安全构成威胁。

太湖底泥污染及底质退化状况

湖泊的污染不外乎外源和内源两大来源。就太湖而言，外源污染主要来自工业点源、农业面源、生活废水、大气沉降、养殖投饵及旅游航运等污染排放；内源则主要来自湖泊底部的底泥。底泥又称底质或沉积物，在太湖底泥中蓄积着湖体约90%以上的污染物，其中含量偏高的是氮、磷等营养性污染物，主要来自入湖的外源污染，以及湖体内藻类和水生植物等生物死亡残体等。水体中悬浮态颗粒物对水体中污染物的包夹、物理化学吸附及絮凝等，通过沉降等作用，在湖底按时间顺序形成具有不同环境（或污染）性质的底泥层。当外源采取控制措施，特别是底泥环境（如pH、氧化还原电位、温度、微生物等）发生变化时，沉积的污染底泥将成为潜在污染源，表层底泥中的溶解态污染物（如氮、磷和有机碳）又会重新释放出来，从而污染湖泊水体[1]。据研究，太湖全年因底泥释放形成的氮、磷内源负荷约占外源氮、磷入湖量的1/4，湖泛的易发湖区都与污染底泥的分布有关[2，3]，这些都表明底泥是太湖必须治理的内源污染源。

太湖湖滨带岸线总长405千米，其中以竺山湖、梅梁湾、贡湖和西部沿岸大堤型和山坡型沿岸带最为多见。在这些湖区的滨岸，70%以上为水泥混凝土堤防。大堤外吹程长的波浪所形成的反射波和沿岸流会带走湖底表面松散底泥，留下密实度较高的底泥；还有些区域是藻类聚积和外源性沉降量大、底泥有机质含量高、氧化还原电位（或溶氧量）低的区域（其中北部和西部部分岸带，春夏季还会发生湖泛现象）。另外，由于疏浚和取土等人为的机械活动也造成了湖底底质新生表层（newborn surface）的密实度增加，不利于底栖生物和水生植物的着根生长[4]。据统计，受上述底泥恶化和退化影响的太湖滨岸带总长度约200千米，寬度10～300米不等，主要集中在表层十到数十厘米泥层内，污染底泥的这种集中性分布，一定程度也给水下薄层的底泥环保疏浚治理技术的应用提供了可能。

底泥环保疏浚和适生性修复探索

环保疏浚是指以减少底泥内源负荷和污染风险为目标，用机械方法，将富含污染物的指定量底泥进行精确、有效和安全地清除的技术，并为受影响水生生物的恢复创造条件。该技术于1990年代末引入我国，已在滇池等污染湖泊得到广泛应用。但是，由于缺乏湖泊底泥污染的有效诊断、环保疏浚面积/深度的确定以及疏浚效果预测的方法和手段，在湖泊底泥是否疏浚、疏浚多少和能否疏浚等几个关键问题上，存在很大的任意性[2]，导致一些湖泊治理效果不尽如人意。为此，我们从理论和技术原理着手，以底质信息高精度分析—污染物迁移转化模拟—污泥原位治理—污泥疏浚去除—基质生态修复为主体思路，在太湖开展理论和技术探索。

底泥污染和恶化退化问题诊断

太湖的主要问题是富营养化，氮、磷是其主要营养性污染物，因此精准采集样品，分析底泥营养物含量及在界面的释放影响和对藻源性湖泛的形成作用是诊断底泥污染的关键。

湖泊底泥是受水充盈的似泥土质固体，泥质疏松有利于水生植物根系着生和底栖生物营穴，但底泥若过于疏松，曲挠程度小、堆积松散，则不利于其扎根和固穴。含水率、孔隙度、容重、溶解氧、氧化还原电位和pH等是底泥的主要固有物理属性参数，其中孔隙度、容重、含水率有互换关系，且曲挠度与孔隙度有关。底泥溶解氧、氧化还原电位和pH是反映着生生物环境恶化与否的主要参数，虽然这些参数主要是受底泥中（污染）物质含量和环境地球化学行为的影响，但研究反映，深度缺氧或厌氧的底泥环境不利于植物根系生长和底栖生物存活。国际上一直缺乏对底质退化的诊断手段，我们以沉水植物菹草进行试验，结果发现孔隙度在0.75左右时，成活率100%；孔隙度在0.70左右时，成活率降至约80%；孔隙度在0.65左右时，成活率下降到43%；当孔隙度小于0.60时，水生植物营养体的根系几乎不能自然进入底泥中，成活率接近零。

底泥的密度和有机质含量与水生植物生长大致有一个最佳值。对于苦草和马来眼子菜而言，低于大约0.9克/厘米3的底泥密度和高于5%有机质含量，都可能会抑制它们的生长。另外，不同植物（或生长期）生长和底栖生物活动都有适合的底泥层位，因此通过以上的分析和诊断，我们确定将孔隙度和氧穿透性深度作为太湖底质适生性劣质化主要参数。

底泥疏浚决策及疏浚效果评估

环保疏浚中需要解决的问题是“是否疏浚”“疏浚多少”“如何疏浚”和“结果如何”，其中前3个问题涉及疏浚决策，后一问题涉及疏浚效果的评估。我们对太湖原柱样底泥在不同温度、不同水动力条件下的氮、磷释放过程，以及不同聚藻量、温度和水动力下的湖泛形成过程进行了批量模拟，经多年的现场中试规模的研究，推荐以底泥氮磷释放速率、表层底泥有机质含量和藻源性湖泛模拟发生所需时间为太湖底泥环保疏浚决策参考[2]。

关于污染底泥疏浚后的环保效果和风险评价，早期对湖泊疏浚效果的评价，是通过统计从湖体去除多少污染物的量，以及调查水质改善（即水体污染物含量下降）情况来进行的。但是疏浚从湖体取走的污染物总量是由疏浚底泥的方量决定的，水是流动的，上部水质的变化不一定意味着来自疏浚区的影响。疏浚效果的评价实际是对疏浚决策的合理性、工程设计的科学性以及工程施工的精准性的综合评估。疏浚后底泥将产生新生表层，该表层主要是相对密实的历史沉积层，其上将有因疏浚质量影响而残留或回淤的底泥，以及随时间而累积的湖体沉降颗粒物[5]。历史沉积层的性质决定疏浚后效果的基线，残留或回淤的底泥影响着疏浚初期效果，沉降颗粒物则影响疏浚后期或长期效果的走向。从管理层面要求的宏观效果是水体特征、生态状况和底泥质量的改善情况，但实质性评价则是疏浚前后，底泥污染性（如内源释放）和对环境灾害（如湖泛形成）等的改善效果。

污染底泥环保疏浚量确定

疏浚量的确定就是要确定疏浚范围和疏浚深度的问题。环保疏浚范围确定的核心问题，是建立底泥污染性质和生态风险等级的划分方法及科学的空间整合体系。根据太湖特点，我们采用“网格层次法”，即以氮、磷静态释放，重金属生态风险指数等9个底泥物化属性参数为主，先将拟疏浚的湖泊或湖区划分成单元网格，把插值后的单元格中特征属性数据，依据9级标准分级和无量纲化处理，通过层次分析法和专家支持系统计算出指标权重，再用数学方法转换成疏浚综合评估值，然后分类和单元归并，最后确定环保疏浚位置及面积。

在推荐的环保疏浚区，结合底泥污染风险等级，按分层释放法速率（或分层模拟湖泛发生时间）、重金属生态危害风险和有机质含量垂向分布，结合拐点法确定环保疏浚深度。针对湖泊富营养化内源污染控制，2006年推荐太湖环保疏浚面积78千米2。2007年5月太湖贡湖发生湖泛黑臭后，我们研究发现污染底泥与藻源性湖泛密切相关，依据太湖底泥湖泛发生风险，为湖泛易发区应急和规划疏浚方案设计提供了疏浚深度建议，对太湖水源地和水环境的改善提供了重要决策支持。

恶化退化底质适生性修复

针对污染湖泊特别是迎风岸带因底质污染严重或/和植物立地生境差的问题，研究了当地土壤性质和不同厚度客土覆盖对底质污染释放控制、植物根际物理微环境改善对植物生长的影响等，分析了客土控制底质内源和植物基底修复机制；研发出在近岸水域利用当地客土重建植物适生基底并兼顾内源污染控制的方法，为退化和污染等复合环境恶化底质的原位修复提供了技术支撑；针对土源不足、浪蚀作用强的堤岸带，设计了在堤岸与消浪带间设立挡泥围栏，通过含种子源的邻近区域清洁底质的吹填，使得基底抬高并固化形成具有生态堤岸的缓坡，从而达到利用本源客土覆盖，使浪蚀强、底质污染或硬底质的堤岸带，满足多种生活型水生植物立地与生长的生境条件。

比如，太湖大堤型和山坡型湖滨岸底泥（主要为细粉砂和黏土）物理性退化较明显，水质长期恶化或富营养化区底泥污染性恶化则较为严重。选择受风浪侵蚀影响严重的贡湖直立型岸带以及受内源释放污染严重影响的西五里湖（太湖北湖湖湾）退化和恶化底泥作为修复对象，开展试验示范性研究。在贡湖北岸80米长无土壤底质退化区，以排桩固土、底泥吹填堆土，在退化区岸边营造浅滩和斜坡，栽种芦苇等植物，成功构建了太湖退化底质生态修复示范区，控制了底泥内源释放[6]。对因污染而退化的太湖底泥，采用覆盖30～60厘米清洁客土方式修复底质，在西五里湖建立150亩（1亩≈666.67米2）示范区[4]，起到控制底泥内源释放污染的作用，修复了消失多年的本土沉水植被。

重污染底泥环保疏浚与生态修复集成创新

我国许多重污染湖库水体都曾开展过以疏浚工程为主的治理，但不少效果并不十分明显，关键问题在于缺少生态系统重建这一重要环节。由于被污染的底泥并不适合植物和底栖动物生长，因此需要环保疏浚等工程来控制底泥污染，并为生物的着生创造良好的底质本底条件。但在已完成污染湖泊治理的示范工程研究中，环保疏浚和生态修复区两者在空间位置上都不相重叠，在时间次序上多未衔接[1]。虽然两者可能都在同一湖区展开，但实际是各行其道，缺乏真正意义上的集成。鉴于此，我们在太湖贡湖大溪港东侧滨岸建立了一个225亩底泥环保疏浚和底质生态修复综合示范区，包括环保疏浚、环保疏浚+生态修复、生态修复3种治理类型示范区[6]。其中在环保疏浚+生态修复区，疏浚20厘米，内源磷释放速率削减率≥30%（35.7%～74.3%），至水生植物旺盛期，表层底泥好氧程度提高了11.3%～57.7%，表层底泥活性磷得到很大的削减。

我国虽已在太湖等一些富营养化湖泊就环保疏浚和生态修复方面开展了大量的示范性和推广性研究工作，有的甚至达到国际先进水平，但仍有一些方面还处于探索性研究中。比如，围绕底泥的环保疏浚和生态修复，其成果的集成程度还不够，技术间缺乏很好的衔接[1]。疏浚关注的仅是疏挖的精确性和施工的便利性，几乎没有考虑为疏浚后生态修复创造条件；生态修复着重于水生植物种植成活率、丰度和群落稳定性及水体理化环境改善，很少去考虑是否能在疏浚底泥上进行水生生物的恢复，更不会考虑对疏浚后底泥内源污染指标的控制问题。疏浚是一类不可视性的水下隐蔽工程，生态修复则是显现工程，如何将这两者的相关技术在时间和空间上科学衔接，将是我国今后污染退化底泥治理需要突破的方向之一。

[1]范成新， 张路. 太湖——沉积物污染与修复原理. 北京： 科学出版社， 2009.

[2]He W， Shang J， Lu X， et al. Effects of sludge dredging on the prevention and control of algae-caused black bloom in Taihu Lake. China. Journal of Environmental Sciences， 2013， 25（3）： 430-440.

[3]范成新， 鐘继承， 张路， 等. 湖泊底泥环保疏浚决策研究进展与展望. 湖泊科学， 2020， 32（5）：1254-1277.

[4]陈开宁， 包先明， 史龙新， 等. 太湖五里湖生态重建示范工程—大型围隔试验. 湖泊科学， 2006， 18（2）： 139-149.

[5]Fan Chengxin， Zhang Lu， Wang Jianjun， et al， Processes and mechanism of eff ects of sludge dredging on internal source release in lakes. Chinese Science Bulletin， 2004， 49（17）： 1853-1859

[6]Gu Xiaozhi， Chen Kaining， Zhang Lei， et al. Preliminary evidence of nutrients release from sediment in response to oxygen across benthic oxidation layer by a long-term field trial. Environmental Pollution， 2016， 219： 656-662.

关键词：太湖 底泥 污染 疏浚 生态修复 ■