沉积物TN和TP含量在河流清淤深度分析中的应用

王 峰

(中国雄安集团生态建设投资有限公司，河北 雄安 071700)

1 概述

随着社会的发展，生态环境成为制约经济发展的关键因素之一。各种污染物会对水体产生威胁，为改善水体的污染情况，常采用对其底部沉积物进行清理的办法改善其环境情况，为确定其清淤深度，许多专家学者开展相关研究。

杨俊等人[1]以武汉市湖泊为研究对象，分析不同深度下各种重金属污染物的浓度变化情况，根据地累积指数确定湖泊的清淤深度。高冉[2]以某水库工程为研究对象，分析影响清淤深度的因素，并对其清淤效益进行分析。傅扬等人[3]开展室内柱状反应试验，研究清淤后河底污染物浓度的变化情况，结果表明，河底的污染物浓度在一个月后达到稳定。王福喜等人[4]开展模型试验，研究清淤工程对护岸变形情况的影响，并结合有限元模拟，对其试验结果进行验证。杨兰琴等人[5]以黑臭水体为研究对象，分析不同河道深度下各种重金属污染物的浓度变化，并根据分析结果，确定清淤深度。周小宁等人[6]以某湖泊为研究对象，分析其中磷含量受河道深度的影响，以推测出河道的疏浚深度。杨盼等人[7]对某河道的污染情况进行分析，通过测定其污染指数，确定河道的疏浚决策。

本研究以白洋淀某入淀河流为研究对象，对其沉积物的理化性质进行测定，并开展解吸试验，采用垂直分布拐点法和吸附解吸平均浓度法，针对不同测点和不同沉积物深度对污染物质浓度的影响开展研究，确定该河道的清淤深度。

2 工程概况

本研究以白洋淀某入淀河流为研究对象，其干流长47.79km，流域面积643km2，天然年径流量约643万m3。该河道来水以上游保定市污水处理厂尾水为主，污水厂尾水年入河量约8249万m3，沿途直排废水年入河量约730万m3[8]。河道断面水质长期处于劣Ⅴ类，主要超标水质指标为化学需氧量、氨氮、总氮、总磷等，直接威胁淀区水质[9-10]。该河道及其周边片区的水质情况见表1。

由表1可知，不同片区的TP和SRP的标准差较小，说明这两种污染物在不同片区的浓度差异较小，污染情况较为稳定。不同片区的Chl-a的标准差最大，其最大值为75.5，说明不同片区的Chl-a浓度差异较大，其污染情况具有一定的差异性。各片区的SRP最大值与最小值差距较大，其变异系数最大，其值为196.8%，远大于其他污染物的变异系数，说明该污染物的分布具有空间差异性。不同片区的pH值差距较小，最大值为7.59，最小值为8.60，其变异系数仅为3.8%，说明空间变化对于河道pH值的影响较小，不同片区河道的pH值差异较小。

表1 河道及其周边片区的水质情况

3 河道深度对污染物浓度的影响

由于该河道污染情况较为严重，需对其河道底部的沉积物进行清理，为确定该河道的清淤深度，对其沉积物的理化性质进行测定，并开展解吸试验，分析沉积物对氮、磷的吸附情况。

选取不同片区的沉积物进行分析，分别分析河道深度对其沉积物含水率，有机碳(TOC)，总氮(TN)，总磷(TP)的影响。沉积物深度-含水率曲线如图1所示。

图1 沉积物深度-含水率曲线

由图1可知，沉积物深度与含水率呈负相关关系，随着沉积物深度的增大，沉积物的含水率逐渐减小。在沉积物深度较小时，其含水率变化较为明显，其中测点NY3的变化量最大，其减小率为475%；当沉积物深度较大时，含水率-沉积物深度变化曲线逐渐趋于平缓，随着沉积物深度的增大，其含水率变化较小，当沉积物深度大于50cm时，各测点的沉积物含水率基本保持不变。这是由于，当沉积物深度较小时，沉积物与河道水的接触较多，此时沉积物吸水较多，导致其含水率较大，随着沉积物深度的增大，河道的沉积物主要通过上层沉积物的渗透作用吸水，此时受沉积物渗透性能的影响，沉积物的含水率较小。不同测点的含水率-沉积物深度变化曲线具有一致性，其沉积物深度与含水率均呈负相关关系，说明沉积物的含水率变化受空间变化的影响较小，其含水率主要与其深度有关。

不同测点的有机碳(TOC)-沉积物深度曲线如图2所示。

图2 有机碳(TOC)-沉积物深度曲线

由图2可知，除测点ND1外，其他测点的有机碳含量与沉积物深度均呈负相关关系，随着沉积物深度的增大，各测点的有机碳含量逐渐减小。测点ND1的有机碳含量在沉积物深度为40cm时发生突变，有机碳含量显著增大，其值为2.6%，随后其有机碳含量随深度的增大逐渐减小。当沉积物深度小于40cm时，各测点的有机碳含量变化趋势显著，说明各测点沉积物的有机碳污染主要集中于0～40cm，由此可确定针对有机碳的清淤深度为40cm。虽然各测点的有机碳-沉积物深度曲线变化趋势一致，但是在同一沉积物深度下，不同测点的有机碳含量具有一定的差异性，当沉积物深度小于30cm时，在同一沉积物深度对应的有机碳含量中，CY2的有机碳含量最大，当沉积物深度位于30～60cm时，在同一沉积物深度下，ND1的有机碳含量最大；说明测点位置对沉积物有机碳含量有一定的影响。但是随着沉积物深度的变化，沉积物有机碳含量的变化量远大于不同测点位置的有机碳含量差值，说明沉积物有机碳含量的变化主要受沉积物深度影响，空间位置变化对其有机碳含量有一定的影响，但是不是影响其含量的主要因素。

不同测点的总氮(TN)-沉积物深度变化曲线如图3所示。

图3 总氮(TN)-沉积物深度变化曲线

由图3可知，除测点ND1外，沉积物的总氮含量与沉积物深度呈负相关趋势，随着沉积物深度的增大，其总氮含量逐渐减小。测点ND1与其他测点的总氮(TN)-沉积物深度变化曲线有一定的差异性，当沉积物深度为20～40cm时，测点ND1的沉积物总氮含量出现突变，其总氮含量随着沉积物深度的增大而增大，当沉积物深度大于40cm时，沉积物的总氮含量随深度的增大而减小。当沉积物深度大于50cm时，总氮(TN)-沉积物深度曲线变化趋势逐渐趋于平缓，说明总氮对沉积的污染主要集中于沉积物深度为0～50cm的区域，由此可确定针对总氮的清淤深度为50cm，当清淤深度小于50cm时，清淤效果较好。不同测点的总氮含量差距较小，说明总氮含量受空间变化的影响较小，主要受沉积物深度的影响。

不同测点的总磷(TP)-沉积物深度曲线如图4所示。

图4 总磷(TP)-沉积物深度曲线

由图4可知，测点CY1、CY2的总磷-沉积物深度曲线变化趋势较为相近，随着沉积物深度的增大，其总磷含量变化量较小，曲线趋势趋于平缓。测点ND1、ND2和NY3的总磷含量随沉积物深度的增大呈波动趋势，无明显的相关关系。当沉积物深度为70cm时，测点ND1的总磷含量出现拐点，随后，其沉积物深度与总磷含量呈正相关关系。当沉积物深度为20～50cm时，沉积物的总磷含量波动较大，当沉积物深度大于50cm时，沉积物深度与总磷含量呈负相关关系。当沉积物深度为10～20cm时，沉积物深度与总磷含量呈正相关关系，随后随着沉积物深度的增大，沉积物的总磷含量呈减小趋势。在同一沉积物深度下，不同测点对应的总磷含量具有一定的差异性，说明空间位置也是影响沉积物总磷含量的因素之一。当沉积物深度较小时，不同测点位置对应的总磷含量差异性较大，随着沉积物深度的增大，不同测点位置的总磷-沉积物深度曲线较为集中，同一沉积物深度对应的总磷含量差值较小，说明当沉积物深度较小时，空间位置对总磷含量的影响较大，随着沉积物深度的增大，空间位置对总磷含量的影响相对较小。

Q=Kdce-Q0

(1)

图吸附解吸平衡浓度-沉积物深度变化曲线

SRP吸附解吸平衡浓度-沉积物深度变化曲线如图6所示。

图6 SRP吸附解吸平衡浓度-沉积物深度变化曲线

由图6可知，随着沉积物深度的增大，SRP吸附解吸平衡浓度与深度之间无明显的相关关系，且测点ND1、ND2和CY1的SRP吸附解吸平衡浓度数值较为接近，测点NY3的SRP吸附解吸平衡浓度数值最大当沉积物深度为20cm时，测点NY的SRP吸附解吸平衡浓度最大，其值为0.91mg/L，且与其他测点的差距较大。测点NY3的SRP吸附解吸平衡浓度随沉积物深度的变化，整体波动较大。相较于测点NY3而言，测点ND1、ND2和CY1的曲线变化趋势较为平缓；说明沉积物深度的变化对于不同测点的SRP吸附解吸平缓浓度变化有一定的影响，但是其影响效果并不明显。不同测点的SRP吸附解吸平衡浓度差异性较大，说明空间的变化对于平缓浓度的影响较大，空间位置是影响SRP吸附解吸平衡浓度的主要因素，沉积物深度为影响SRP吸附解吸平衡浓度的次要因素。

4 结论

本研究以白洋淀某入淀河流为研究对象，确定该河道的清淤深度，为白洋淀的生态清淤提供参考依据，得出以下结论：

(1)沉积物深度与含水率呈负相关关系，在沉积物深度较小时，其含水率变化较为明显，其中测点NY3变化量最大，其减小率为475%。

(2)空间位置是SRP吸附解吸平衡浓度的主要因素，对其它污染物浓度的影响较小。

(3)总氮污染集中于沉积物深度为0～50cm的区域，针对总氮的清淤深度为50cm。

(4)本研究的污染物浓度测点较少，而白洋淀流域较广，后续研究可在此基础上增加污染物检测点，使研究结果更为准确。