生态清淤污染底泥调查及风险分析评价方法

吕广阔LV Guang-kuo；徐吉平XU Ji-ping；李志豪LI Zhi-hao

（河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州 450016）

1 绪论

2015年4月，国务院公布《水污染防治行动计划》（“水十条”），要求各级地方人民政府制定并公布水污染防治工作方案，要求全面整治改善水环境[1]。在水环境综合治理技术体系中，“控源截污，内源治理”是最为核心的步骤[2]，生态清淤因具有疏挖深度小、对底泥扰动小、二次污染小等优点在内源污染控制技术中得到了广泛的应用，已先后在太湖、滇池、巢湖等河湖内源治理中得到应用[3]。清淤深度及范围作为生态清淤的关键参数，对生态清淤的效果的有着重要的作用[4]。清淤过浅达不到有效去除污染物质的目的，而清淤过度又会破坏性地改变湖底形态，影响底栖生态环境和清淤后的生态修复[5]，因此在底泥清淤前需开展前期工作调查及污染底泥评价工作，这对科学准确地掌握底泥污染状况，合理设计底泥清淤深度及范围提供参考。

2 底泥调查方法

底泥调查与污染评价共分为4个阶段，即“资料准备”、“采样点布设”、“样品分析”、“底泥风险评价”。其中“资料准备”是底泥调查的前提。“采样点布设”要从整体合理性出发，采样点具有目标可达性、代表性、经济性。“样品分析”是对底泥进行物理和化学分析，为底泥的污染状况分析提供基础数据。“底泥风险评价”是对样品分析的数据进行整理总结，确定河湖污染状况，为后续清淤深度和清淤范围的设计提供参考。技术路线见图1。

图1 底泥污染物调查技术路线图

2.1 资料准备阶段

2.1.1 资料收集

前期以资料收集为主，主要对河湖的地理位置、水文特征、周边环境状况、底泥特征等资料进行收集，具体要求如表1所示。

表1 资料收集类型及具体要求[6]

2.1.2 现场勘察

现场勘察主要是结合资料收集情况对项目区域的具体情况进行勘察，对项目区域的周边环境状况、污染源情况、水质现状等进行全方面的了解，同时删除不合理及无法达到的采样点位，给出更合理、更具代表性的初始采样点位布设。

2.2 采样点布设

采样阶段分为“采样点布设”、“样品采样”、“样品保存”三个阶段。其中“采样点布设”需合理制定采样点位，使其具有目标可达性、代表性、经济性；“样品采集”主要利用采样设备对底泥采样；“样品保存”主要为了能够使得样品更准备、科学、有效地反映出污染特性，而采取的一些措施。

2.2.1 采样点布设

采样点布设分为初始采样点和加密采样点[6]。采样点布设应结合河湖监控断面、点源污染排放口、干支流汇入口等综合考虑布设。对于初始采样点，按照《中国土壤普查技术》判断底泥的pH、有机质、TN和TP污染情况；按照《农用污泥污染物控制标准》（GB 4284-2018）和《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618-2018）判断重金属污染情况；如采样监测发现该点位底泥受到污染，则开展加密点位布设和监测。若未发现污染，无需开展加密点位布设[7-8]。

2.2.2 底泥样品采集

①样品采集类型。

底泥样品采样一般分为表层采样和柱状采样。表层底泥可用来研究底泥物化性质的水平变化和污染空间分布情况，确定污染底泥的边界范围；柱状样品主要用于研究底泥物化性质和污染物垂直变化，确定污染底泥的清淤深度，一般柱状采样深度到正常层以下的50cm。

②样品采集方法。

底泥采样方式一般分为人工与机械两种。对底泥物理力学指标测定所需样品的采集主要采用机械采样方式，采样设备包括工程钻机及污染底泥快速取土装置。对底泥化学指标测定所需样品的采集，采用人工方式采样，由采样人员使用安装在连接杆上的采样器进行采样。

2.2.3 底泥样品保存

底泥样品采集后，除样品中的沙石和动植物残体，然后采用四分法获取柱状样的混合样，放入到聚乙烯袋中带回实验室。通过自然风干、筛检、研磨、过100目筛后用聚乙烯密封袋保存备用。

2.3 底泥样品分析

2.3.1 现场即测指标

现场采集样品后根据颜色、气味、粒径、形状等指标，确定河湖底泥分层。从垂直分布来看，底泥从上至下可分为污染层（A层）、过渡层（B层）、正常层（C层），各层主要性质分布如图2所示。

图2 河湖底泥分层划分[9]

污染底泥层（A层）：该层颜色为黑色至深黑色，其上部为稀浆状，下部呈流塑状，有臭味。该层沉积年代新，为近年来人类活动的产物，是湖泊内源污染物的主要蓄积库。

污染过渡层（B层）：该层颜色为黑色至深黑色，在有机质及营养盐污染地区，其上部为稀浆状，下部呈流塑状，有臭味。

正常湖泥层（C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。

2.3.2 底泥样品分析指标

底泥化学分析中必做的指标分别为TN、TP、有机质、重金属（Hg、Cd、As、Cu、Pb、Ni、Cr、Zn）、底泥层厚度、pH；选做的指标分别为天然密度、土粒比重、颗粒级配、孔隙比、砂的相对密度、氧化还原电位等。分析方法应采用国家标准或环保行业标准方法。

3 污染风险评价

根据目前我国河湖的污染状况，污染类型，可以将河湖污染总体分为以氮磷超标为主的有机污染，以重金属超标无机污染。其中以氮磷超标为主的有机污染采用内梅罗综合指数法和有机指数法综合进行评价，以重金属超标无机污染推荐潜在生态风险指数法进行评价。

3.1 以氮磷超标为主的有机污染评价方法

3.1.1 高氮磷污染底泥评价方法

内梅罗综合污染指数法综合考虑了氮、磷两种污染物，利用内梅罗综合污染指数法对氮磷进行评价，计算公式和评价标准（表2）如下[10]：

表2 内梅罗综合污染评价风险分级标准

Sj——单项评价指数或标准指数；

Cs——评价因子j的评价标准值，mg/kg；

Cj——评价因子j的实测值，mg/kg；

F为n项污染物污染指数平均值；

Fmax为最大单项污染指数。

目前国内尚无统一的TN、TP基准值，常用的主要有以下几种：1992年加拿大安大略省环境和能源部发布的最低级别生态风险效应的TN550mg/kg，TN600mg/kg基准值；太湖1960年沉积物TN670mg/kg，TN440mg/kg 基准值；美国EPA沉积物TN1000mg/kg，TN420mg/kg 基准值[10]。具体取值根据项目情况而定。

3.1.2 有机污染底泥评价方法

有机物超标也是造成河湖污染富营养化污染的重要原因之一，内梅罗综合指数法忽略了OM指标，有机指数（OI）为底泥有机污染评价的指标，增加河湖有机污染指数法使评价更加完善。有机指数评价标准见表3。计算公式如下：

表3 底泥有机指数评价标准

OC——有机碳物质质量分数，%；

ON——有机氮物质质量分数，%；

TN——总氮物质质量分数，%；

OM——有机质物质质量分数，%。

3.2 以重金属超标无机污染评价方法

关于底泥中重金属评价方法有单因子污染指数法、底泥富集系数法、内梅罗综合指数法、地累积指数法、潜在风险指数法法等[11]。其中瑞典著名地球化学家Hakanson（1980）提出的潜在生态指数法是目前较科学、全面的评价重金属污染程度的方法[12]。该方法将底泥中重金属毒性、生态效应与环境效应综合考虑，并进行等价指数分级评价，定量区分潜在生态危害程度。

潜在生态风险指数法（RI）计算公式如下：

RI——为n种重金属潜在生态风险指数之和。

表4 土壤环境背景值（mg/kg）[12]

3.3 清淤控制指标

①底泥重金属污染的清淤控制值宜采用潜在生态风险指数RI≥300或单一污染物污染系数Cif≥3或单一污染物潜在生态风险系数Eir≥80。②底泥营养盐的清淤控制值宜采用重度污染等级所对应指标，即底泥FF＞2或OI≥0.5。③针对重金属污染、高氮磷、有机质污染的交叉地带，清淤决策应综合考虑。

*备注：以上控制指标作为清淤参考值，具体视河湖实际情况而定。

表5 重金属毒性响应系数[12]

表6 单项及综合潜在生态风险评价指数与分级标准[12]

4 结论

①底泥调查与评价涉及“资料准备”、“采样点布设”、“样品分析”、“污染风险评价”四个阶段。②采样阶段工作流程为“采样点布设”→“样品采集”→“样品保存”，其中采样点布设结合资料、现场勘察和相关标准和规范初步制定采样点，并按照《中国土壤普查技术》、GB 4284-2018和GB 15618-2018作为底泥是否受污染的判定依据，若采样点发现污染，则需加密进行布设。底泥的采样分为表层采样和柱状采样，生态清淤要求全柱状采样。样品保存需满足相关的规范和要求。③样品分析包含“即测指标”和“化学实验分析指标”。根据“即测指标”初步确定底泥的分层划分，“化学实验分析指标”又分为必选指标和选做指标。分析方法应采用国家标准或环保行业标准方法。④以氮磷超标为主的有机污染采用内梅罗综合指数法和有机指数法综合进行评价，以重金属超标无机污染推荐潜在生态风险指数法进行评价。