黑臭水体底泥调查分析及达标清淤量研究

路文典 龚 浩 徐 超

(中电建生态环境集团有限公司，广东 深圳 518101)

底泥是黑臭水体的内源污染源，当上覆水体中营养盐浓度高于底泥中营养盐浓度时，底泥就会担当“汇”的角色，吸纳上覆水体中的的污染物。反之，当水体中营养盐浓度低于底泥中营养盐浓度时，底泥就会担当“源”的角色，持续向水体释放污染物，造成水质恶化。同时，有机质通过吸附、络合沉积物中的重金属，改变和影响这些污染物的生态毒性及环境迁移行为，加剧河流污染程度[1]。对于黑臭水体，为了保证水质达标，对底泥进行达标清淤(是以吸附解吸实验结果得到上覆水为地表水质Ⅴ类水标准时平衡浓度对应的底泥清淤深度)势在必行。

清淤深度过小，不能去除污染较重的污染层，达不到清淤的目的；清淤深度过大，则可能对河道底部生态系统造成难以恢复的破坏，对水生态系统的生存发展构成威胁，并会削弱河道底泥对外源性污染物输入后的缓冲作用，对后期的水体生态修复造成困难，且清淤深度的增加直接大幅增加了清淤成本。因此，确定合理的达标清淤深度及清淤量意义重大。本文以茅洲河流域(宝安片区)为例，介绍黑臭水体底泥调查勘测、分析及达标清淤量确定思路，为类似工程提供借鉴。

1 茅洲河流域底泥清淤背景及范围

茅洲河是深圳第一大河，流经深圳的宝安区、光明区及东莞市的长安镇，出口汇入伶仃洋，总流域面积344.23km2，干流全长30.69km，其中宝安区境内干流河长19.71km，流域面积157km2，共有干、支流19条，河道总长度96.56km。茅洲河干流上游堤距宽约60m，中下游逐渐变宽，至入海口堤距由200m逐渐放宽至330m。20世纪90年代，茅洲河流域内工业化、城镇化迅猛发展，工业、生活、第三产业污染急剧增加，而流域内污水处理及配套排水设施建设严重滞后，大量污染物直排进入茅洲河干支流，茅洲河全线成了“墨汁河”“臭河”，成为珠三角地区污染最严重的河流。而底泥污染是致其黑臭的关键因素之一，需要对污染底泥进行清除。

茅洲河宝安段污染底泥清淤范围包括17条干支流及4个排涝工程，17条河道分别为茅洲河、沙井河、罗田水、老虎坑水、龟岭东水、塘下涌、沙浦西排洪渠、松岗河(含楼岗河)、东方七支渠、潭头渠、潭头河、新桥河、万丰河、石岩渠、道生围涌、共和涌和衙边涌；4个排涝工程分别为桥头片区排涝工程、沙浦北片区排涝工程、燕罗片区排涝工程、衙边涌片区内涝整治工程。清淤主要工程量集中在茅洲河干流及其支流沙井河流域，约占总清淤量的89%，底泥清淤研究以此为重点。

2 底泥勘测评价分析路径

2.1 技术路线

通过勘查取样，对污染底泥进行物理、化学指标分析，查明底泥土层性质、污染状况，为确定底泥达标清淤范围、深度以及清淤量提供依据。污染分析技术路线见图1。

图1 污染分析技术路线

2.2 勘察路径

因工程区域涉及的空间跨度较大，平面定位采用手持GPS进行，垂直定位是在岸边设立高程控制点，采用水面高程传递法用全站仪测量控制。

勘测点位布设按照100～200m左右设置观测断面，300～400m左右设置勘测断面，300～500m左右间隔设置控制断面。河宽小于200m的断面设置1～2个采样点，河宽大于200m的断面设置2～3个采样点，局部地形变化较大处、入海口处或水污染较重水域酌情加密布设勘探点位。

采用工程钻机钻取柱状样，柱状样采集打开后，按20～50cm不等的间隔，人工采集不同深度的底泥样品。根据污染程度对底泥进行分层。

a.污染层：污染最为严重的一层。颜色为黑色至深黑色，呈稀浆状或流塑状，有臭味。该层为近年来人类活动的产物。

b.污染过渡层：健康泥层到污染底泥层的渐变层，颜色多为灰黑色，软塑-塑状，较污染层密实。

c.健康层：未被污染的底泥层。其颜色保持未被污染的当地土质正常颜色，一般无异味，质地较密实。

2.3 达标清淤深度确定路径

底泥达标清淤深度是污染底泥工程量计算的关键，也是清淤设计的难点问题。一是要用科学的方法评价不同污染类型的底泥，二是要合理地根据底泥垂向变化分析确定其污染变化的拐点。

根据底泥分层样品测定的污染物含量数据，进行底泥中物理指标、营养盐、重金属的污染程度分析，进行水平及垂向变化分析。根据泥水界面营养盐释放理论确定的底泥达标清淤标准，结合污染底泥释放风险对氮磷营养盐污染程度进行评价，利用重金属潜在生态风险指数对重金属污染程度进行评价，结合有毒有机物生态效应评价，对不同类型污染底泥的污染程度进行综合评价，分析确定不同类型底泥的达标清淤深度。

3 底泥污染现状调查检测

3.1 干流黑臭底泥厚度及分层调查

为初步判定茅洲河干流黑臭底泥的厚度，在干流上布置了五个典型断面，每个断面布置左中右3个典型钻孔，每孔钻深2～3m。根据取芯土样，黑臭底泥与污染较轻的土样之间有较为明显的颜色分界线，黑臭底泥的厚度在0.4～1.8m之间，普遍在1m左右。在普查的5个断面中，有3个断面是中间薄、两边厚，有2个断面是中间厚、两边薄，见图2。

图2 干流典型断面底泥厚度分布

底泥多为浮泥—淤泥，呈流塑状，颜色为黑色，腐臭味较重。

3.2 底泥污染指标检测

3.2.1 检测点分布

为了检测现状底泥污染状况，在干支流布置了46个检测断面，根据河面宽度每个断面取1～4个检测点，共布设86个点位，取样深度0～3m，详见图3。分别在每个检测点的0.5m、1.0m、1.5m取样进行检测，个别点位在2.0m、2.5m取样进行检测。为便于分析，检测点布设共分为3个区，其中茅洲河干流以支流沙井河为界分为两个区，上游为A区，下游为C区，支流沙井河为B区。

根据底泥淤积厚度和现场可辨的污染情况，将底泥按照污染情况分为污染层、污染过渡层、过渡层、健康层等层级进行分析。

3.2.2 检测项目及指标

底泥检测项目及指标见表1。

图3 底泥勘测点位布设图

4 底泥污染评价分析

根据取样检测数据，茅洲河流域底泥污染物主要为营养盐、重金属和有机物污染。因此，本文采用3种不同类型的污染物评价方法对底泥污染程度进行评价。

4.1 营养盐污染评价分析

采用底泥沉积物单因子污染指数法对底泥营养盐污染进行评价[2]：

Si=Ci/Cs

(1)

式中：Si为底泥污染因子i的单项污染指数；Ci为底泥污染评价因子i的实测值；Cs为底泥污染因子i的评价标准值。

根据文献[2]，本研究TN评价标准值取550mg/kg，TP评价标准值取600mg/kg。

底泥营养盐污染程度分级标准见表2。

4.1.1 氮营养盐污染评价

A区底泥污染层的STN在0.36～6.72之间，平均值2.97，属于重度污染；过渡层属于中、轻度污染，健康层底泥STN<1.0，属于清洁状态。

B区底泥污染层的STN在0.01～7.07之间，平均值3.94，属于重度污染；过渡层也属于重度污染，健康层底泥属于清洁状态。

C区底泥污染层的STN在0.37～11.53之间，平均值3.35，属于重度污染；过渡层也属于中度污染，健康层底泥属于清洁状态。

从整体来看，STN均值为2.23，属于重度污染。其中，最大值11.53，潜在生态风险较高。分区采样点底泥氮营养盐标准指数见图4。

4.1.2 磷营养盐污染评价

A区底泥污染层的STP在0.24～9.06之间，平均值3.44，属于重度污染；污染过渡层和过渡层属于轻度污染，其它层底泥STP<0.5，属于清洁层。

B区底泥污染层的STP在1.73～10.54之间，平均值5.75，属于重度污染；污染过渡层和过渡层属于轻度污染，健康层底泥属于清洁状态。

C区底泥污染层的STP在0.53～10.11之间，平均值4.25，属于重度污染；其他层均属于轻度污染。

整体来看，STP均值为1.92，属于重度污染，潜在生态风险较高。分区采样点底泥磷营养盐标准指数见图5。

图5 分区采样点底泥磷营养盐标准指数图

4.1.3 有机质污染评价

B区有机质含量最高，最大值高达211679.08mg/kg，均值39526.65mg/kg；C区平均含量27213.34mg/kg，A区平均含量24417.52mg/kg。污染集中在深度0～2m的位置，茅洲河有机质污染严重。

4.2 重金属污染评价分析

(2)

(3)

多金属潜在生态风险系数RI计算公式为

(4)

表3 重金属背景值Cni和生物毒性响应系数Tri

表4 潜在生态风险指数等级划分[5]

根据计算结果：

A区：0～1m深度，风险均值802，为很强生态风险；1～3m均值362，为强生态风险；3～4m均值100，为轻微生态风险。0～2m深度范围Cd贡献率均为最大，其次是Cu和Ni；但是2～3m范围内，Cu和Ni贡献率明显升高，Cd贡献率仅为第三。

B区：0～1m深度，风险均值1972，为极强生态风险；1～2m均值1465，仍为极强生态风险；2～3m均值665，为强生态风险；3～4m均值133，为轻微生态风险。Cu对B区生态风险贡献率明显增大。Cd贡献率次之，其次是Ni。

C区：0～1m深度，风险均值819，为很强生态风险；1～2m均值1067，为极强生态风险；2～3m均值637，为强生态风险；3～4m均值233，为中等生态风险。各个深度Cd贡献率均为最大，Cu和Ni次之。

从整体来看，污染层潜在生态风险均值为1458，为极强生态风险；污染过渡层风险均值331，为强生态风险；健康层120，属于轻微生态风险。

重金属主要污染因子平均浓度分布见图6。

图6 重金属平均浓度分布

5 底泥清淤必要性分析及清淤量确定

5.1 清淤必要性分析

根据勘察结果，茅洲河干支流底泥量大，富含有机质和营养盐，重金属含量高，成分复杂，污染严重，臭味明显；氮、磷释放通量大，且释放时间长。即使控制了外源污染物的输入，如不对底泥进行清淤，茅洲河水质达到地表水Ⅴ类水标准的目标无法得以实现。同时，底泥淤积对河道行洪安全也带来很大隐患。故此，对茅洲河干支流底泥进行达标清淤势在必行。

5.2 清淤厚度及清淤量确定

根据研究结果，结合茅洲河水质达标要求，对不同的区域实行不同的达标清淤深度，见图7。总体清淤厚度在0.7～2.5m之间，一般在1.1～1.8m之间。

图7 茅洲河干支流达标清淤深度

实际清淤量包括净挖量、超挖量及回淤量，并考虑河道天然纵坡要求。在此基础上，计算得到A区、B区、C区的达标清淤量分别为125万m3、111万m3、95万m3，合计331万m3。

6 清淤实施效果及评价

依据研究结果，制定了茅洲河底泥清淤及处理处置方案。为了尽量避免清淤过程中底泥污染物扩散到水体中，清淤采用“环保绞吸式挖泥船+封闭式管道输送”方案，配合GPS测量精确控制清淤厚度，底泥通过管道输送到专门的底泥处理厂进行脱水固化。

茅洲河17条干支流底泥清淤工程于2020年6月全部完成，实际完成底泥清淤322.44万m3，其中干流清淤231.77万m3，支流沙井河清淤59.5万m3，其他15条支流清淤31.17万m3。通过压滤脱水后的泥饼含水率在40%左右，泥饼用于烧制陶粒，制成透水地砖用于工程中，底泥清淤做到了减量化、稳定化、无害化、资源化。

通过清淤共消除Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、TN、TP、有机质污染物分别为929t、775t、2580t、7t、162t、5482t、4291t、86385t。同时，底泥余水按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)二级标准处理达标后排放，共处理余水3140万m3，削减COD、NH3-N、TP分别为345t、534t、129t。通过岸上截污与底泥清淤双管齐下，2020年7—10月(6月清淤完成)茅洲河国考共和村断面的氨氮、总磷平均浓度分别为1.26mgL、0.25mgL，两项的平均指标已达到地表水Ⅳ类水标准[6]。2021年1—7月，共和村断面平均水质稳定达到地表水Ⅳ类标准，清淤效果显著。

7 结 论

茅洲河流域底泥污染重，污染因子复杂，是影响水质达标的关键因素之一。通过勘测采样，分析了底泥中氮磷营养盐、重金属等污染物含量及其空间分布特征，并对污染物进行了源解析。以水质达标为目标，提出了清淤深度和清淤量，为茅洲河开展底泥清淤工作提供了可靠的依据。通过清淤，结合岸上截污措施，茅洲河国考断面水质由劣Ⅴ类转变为地表水Ⅳ类，说明本研究清淤路线及据此确定的清淤深度是合适的，其研究路线、方法可为类似工程参考。